超高壓天然氣壓縮機氣缸的溫度場與熱應力分析

余祖耀， 毛文敏， 陳書朋， 趙鵬

（華中科技大學船舶與海洋工程學院，武漢430074）

0 引言

天然氣作為優質的環保潔凈能源，具有空氣污染小、供應穩定、熱值高、價格便宜等優點。近年來，在能源市場中天然氣消費占的比例日趨增加，據2015年《BP世界能源統計年鑒》，2014年天然氣在世界能源市場中一次消費的比例已達23.7%，而在我國，這一比例僅為5.6%。從國家能源戰略的角度看，天然氣產業大力發展的趨勢明顯，又因石油能源有限、汽車尾氣污染以及家庭天然氣的普及使用，天然氣在中國的使用范圍將越來越廣[1-4]。

在天然氣生產及運輸環節中，超高壓天然氣壓縮機扮演著十分重要的角色，普遍適用于各個流程，讓天然氣的儲運更加便捷，極大地增加了天然氣的使用地域范圍。目前，往復式和離心式壓縮機是油氣工業中常用的天然氣壓縮機類型，常常應用在氣田鉆探中的除水采氣、集氣后處理、管路加壓輸運和地下儲氣庫等方面。

高壓氣缸是天然氣壓縮機最關鍵的組成部件之一，不僅要承受高溫高壓氣體的壓力，還處在不斷往復運動的活塞摩擦力，以及外表面布置的螺栓的預緊力的作用。氣缸排氣壓力一般在10 MPa以下，本課題研制的超高壓天然氣壓縮機壓力達到35 MPa，這導致氣缸工作環境十分惡劣，非常容易出現疲勞、裂紋、磨損等失效形式，嚴重時無法正常工作。因此，分析高壓氣缸的溫度場及應力應變情況，研究其在工作狀態下的受力狀態，就顯得非常有必要了。

1 氣缸的模型及邊界條件

1.1 氣缸力載荷

氣缸受到的氣體力主要有：1）缸體質量在工作過程中的慣性力為缸內氣體力為{P}；2）氣缸的慣性力為為機身振動加速度；3）缸體的質量力為{F}。

圖1 超高壓天然氣壓縮機氣缸體模型圖

圖1 為壓縮機氣缸三維模型，根據以上物理模型，提

出高壓氣缸在脈動氣體力及慣性力作用下的數學模型：

其中：

式中：μ為泊松比；E為彈性模量。

1.2 氣缸熱載荷

在實際工作時，高壓氣缸內的活塞往復循環運動，腔內的天然氣被不斷壓縮，加劇了氣體分子間的運動，于是氣體溫度開始升高。隨著持續的工作時間，由于摩擦和高溫氣體的作用，氣缸受到的熱應力可能增加到危險值[5]。因此，本文重點分析氣缸的熱載荷，研究性能的可靠性。

1）氣缸壓縮腔。為計算方便，將天然氣看作理想氣體，則在壓縮工作狀況下，建立的理想氣體方程為：

式中：Vx為某時刻氣缸容積；m為氣缸內燃氣質量；R為理想氣體常數；x為上止點與活塞當前位置之間的距離；s為活塞沖程；λ為連桿長度與曲柄回轉半徑之比；φ為曲柄轉角。

求出壓縮腔氣體在任一曲軸轉角對應的瞬時氣體壓力Pg和瞬時溫度Tg之后，再通過Woschni半經驗公式[6-7]，得到壓縮腔內的瞬時對流換熱系數:

式中：Cm為活塞平均速度；D為氣缸直徑。氣體吸入的溫度是50℃，經過壓縮后，壓出的溫度為150℃。

2）氣缸外壁面。氣缸體外表面處于環境溫度中，屬于自然對流換熱，因此其對流換熱系數可采用下式計算：

式中：g為自由落體加速度；β為空氣的體膨脹系數；l為氣缸高度或長度尺寸；v為空氣的運動黏度；Δt為周圍環境與氣缸壁面處空氣的溫度差[8-9]。

2 仿真模型的構建

2.1 壓縮機的關鍵參數

高壓氣缸進氣溫度為55℃，排氣溫度150~160℃。進氣壓力為15 MPa，排氣壓力為35 MPa。其組成結構包含氣缸體、氣缸蓋、氣缸套、氣閥、填料函等部件。氣缸壓縮腔內氣體等效平均溫度及氣體平均對流換熱系數采用上述計算所得到的數據，結果如圖2所示。

工作時，氣體在氣缸體內部的腔道中強制對流，近似于管內對流模型；而氣缸體外表面處于外界環境中，屬于自然對流換熱模型[10-12]。熱邊界條件如表1所示。

壓縮腔壁面承受的氣體壓力，隨曲柄角度變化而表現出周期性變化的規律，其值在15~35 MPa之間。為簡化過程，將氣缸套內表面中活塞運動的區域范圍按活塞高度等分成6個區域，根據P-V圖的變化，得出圖3所示的一個工作循環內溫度變化折線圖。

圖2 壓縮腔換熱系數及溫度變化圖

表1 溫度場計算的邊界條件

2.2 模型的構建

本文使用ANSYS/Workbench有限元軟件進行分析，氣缸體的材料為45鋼，氣缸套材料為QT600-3，接觸類型設置為Frictional，過盈配合量為0.05 mm。為提高計算精度，采用十節點四面體即SOLID92單元劃分網格[13-14]。網格最小尺寸設置為0.5 mm，得到84 379個單元，142 623個節點，如圖4所示。

圖3 壓縮腔內不同區域的溫度變化圖

3 仿真結果與分析

3.1 氣缸溫度場結果分析

在Workbench中選擇合適的求解器，設置40個時間步長，每個步長1 s，得到了一共40 s的氣缸周期性的溫度變化云圖，如圖5所示，即為氣缸在曲軸循環中不同位置下的溫度變化云圖。圖中表明，氣缸溫度隨著氣體被壓縮的過程而不斷增加，又因高溫氣體對外不斷傳熱，氣缸內表面溫度增加的趨勢迅猛，直到接近排氣溫度時不再增加，這時氣體壓縮的階段也隨之結束。

溫度最高的地方出現在排氣閥口處，約為150℃，氣缸套主要部分為壓縮腔室，其內壁面的溫度隨著壓縮機的工作循環，在50~150℃之間周期性循環變化，而進氣腔由于處于天然氣進氣狀態，故而其溫度為進氣溫度50℃。氣缸缸蓋溫度梯度變化不明顯，而缸體連接位置以及與氣體相貫處的溫度有明顯變化，這是因為螺栓組組合了氣缸缸蓋與氣缸體，空氣隔在兩者中間，傳遞熱量較少；而且氣缸蓋暴露在外界環境中，散熱較充分。

3.2 氣缸應力場結果分析

經過在Workbench中的計算，得到了氣缸在一個曲軸循環中不同位置下的應力云圖。在壓縮過程中，氣缸內的壓力逐漸上升，氣缸體所受應力也逐漸增大，當達到壓縮上止點約在22 s的時候達到最大，其值為358 MPa，符合強度極限的要求。

此外，值得注意的是在氣缸閥窩、氣腔拐角或形狀突變處應力較高，且變化梯度明顯。在氣缸套與氣缸體的過盈配合處也呈現出了較大的應力變化，這是因為，不同結構體在接觸或者某個結構體存在不同成分時，這都將使熱膨脹系數無法適配，當受熱或遇冷后，發生膨脹或收縮大小就會不同，從而引起熱應力的出現[15]。因此，需要注重兩者的過盈配合量。

4 結論

本文基于ANSYS 軟件對氣缸進行有限元研究，分析了工作過程中氣缸的溫度及應力變化的結果，直觀地看到了氣缸不同部位的狀態，較為精確地反映出氣缸實際受力情況。主要可得出以下結構優化建議：1）氣缸體變化的溫度梯度引起了熱應力，為提高冷卻效果，可以通過調整冷卻水腔入口角度、加大冷卻水流量、提高對死角區域冷卻、減小傳熱面的厚度等途徑，有效地降低熱應力。2）高壓孔腔相貫部位是應力高度集中區域，容易出現裂紋從而造成威脅。因此，建議在角點附近區域作滾壓、噴丸等強化處理，或作研磨加工、提高表面質量，降低角點應力幅值，提高缸體壽命。3）在氣缸和氣缸套裝配時，合理選擇過盈配合量，使應力分布均勻。也可以通過過載的方法形成殘余應力，能大大地延遲疲勞裂紋的擴張，甚至能制止裂縫的出現。