活塞式壓縮機氣流脈動與管道振動

張子行(中海油東方石化有限責任公司，海南 東方 572600)

0 引言

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際生產(chǎn)情況，建立了氣體壓力脈動和管接頭的分析模型。利用該模型分析了氣體壓力脈動和管壁共同作用下，關(guān)鍵參數(shù)對管道系統(tǒng)激振力和振動變化趨勢的影響。利用現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)對理論計算結(jié)果進行驗證，研究結(jié)果可為油氣管道的安全評價提供理論依據(jù)，為管道力學(xué)性能的研究提供參考。

1 活塞式壓縮機氣流脈動概述

多年來，人們已經(jīng)認識到，由大型和相對較慢速度的往復(fù)式壓縮機或發(fā)動機組成的裝置，無論是在進氣側(cè)還是在排氣側(cè)，都存在脈動問題。最近，隨著大規(guī)模引進自由活塞氣體發(fā)生器，脈動流動問題變得特別尖銳，由于這種發(fā)生器的獨特運作方式，而且它們通常是分組安裝的，從一個共同的空氣歧管取出，送到一個共同的排氣管，因此對這種脈動特別敏感，必須對這個問題采取嚴格的辦法。

本文專門討論進氣系統(tǒng)，它通常由兩個不同的元件組成，即每個氣體發(fā)生器的單獨的阻尼系統(tǒng)和整組氣體發(fā)生器的共同管道系統(tǒng)，各個阻尼系統(tǒng)從中吸取空氣供應(yīng)。單獨的阻尼系統(tǒng)采用一個或兩個大型平滑室或阻尼能力的形式，通過文丘里形的管道相互連接(當使用兩個室時)和公共管道系統(tǒng)，氣體發(fā)生器通過管道從這些平滑室吸入空氣，這些管道可以安排給一些沖壓效果，最終改善容積效率。各個阻尼系統(tǒng)的目的是確保到達共管系統(tǒng)的脈動幅度足夠低，以防止有害脈動，這種脈動可能會損壞空氣過濾器，甚至損壞附近的財產(chǎn)，特別是如果共管系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生共振[1]。

2 脈流測量技術(shù)研究

脈動流是由周期性的振蕩流疊加在定常流上形成的，可能出現(xiàn)在層流、過渡流和紊流流型中。在任何幾何形狀或流動狀態(tài)下，脈動和穩(wěn)定流動的行為，包括內(nèi)部流動中邊界層的分離和再附著，以及向湍流過渡的性質(zhì)之間有許多不同，不同類型的活塞式壓縮機和微型泵的工作原理是在泵腔內(nèi)確定一個振蕩速度。

在一種活塞式壓縮機中，需要一個連接到進出口閥門的泵腔進行流量精餾。當隔膜在膨脹模式下偏轉(zhuǎn)時，泵室膨脹導(dǎo)致腔室壓力降低。當進口壓力大于腔室壓力時，進口閥打開，液體充滿膨脹腔。在壓縮模式下，腔室的容積隨著隔膜的移動而減小，導(dǎo)致內(nèi)部壓力增加，從而使液體通過出口閥排出。在另一種活塞式壓縮機中，壓力波動是通過建立線性或非線性駐波實現(xiàn)的。振蕩速度的精確測量應(yīng)用于這些類型的泵和微泵的設(shè)計改進。

3 活塞式壓縮機氣流脈動與管道振動分析

活塞內(nèi)燃機進排氣系統(tǒng)的氣動完美性在很大程度上決定了氣體交換過程的質(zhì)量，以及燃料與空氣的混合現(xiàn)象和隨后的點火現(xiàn)象。大尺度或小尺度湍流渦的存在對進氣道的流體動力阻力有重要影響。工作流體在氣缸內(nèi)的紊流程度決定了混合空氣和燃料的條件。基于渦輪壓氣機的流動數(shù)值模擬，大量的科學(xué)工作致力于研究渦輪壓氣機與非渦輪壓氣機氣-氣系統(tǒng)的流動結(jié)構(gòu)。物理和數(shù)學(xué)模型通常是執(zhí)行靜止氣體流動，但有研究脈動流。此外，近年來還利用光學(xué)方法(高速PIV 方法)對系統(tǒng)中的流動結(jié)構(gòu)進行了實驗研究。在大多數(shù)情況下，這些研究只提供了一個流動結(jié)構(gòu)的直觀圖像，在此基礎(chǔ)上，只能假設(shè)規(guī)模的紊流管道和發(fā)動機缸。渦輪壓縮機的安裝使得燃氣-空氣系統(tǒng)的氣動現(xiàn)象發(fā)生了顯著的變化。估算 TC 壓氣機葉片裝置對 PICE 進氣系統(tǒng)脈動流湍流結(jié)構(gòu)和規(guī)模的影響程度是一項緊迫的任務(wù)。

3.1 實驗準備和研究任務(wù)的制定

在單缸 PICE (缸徑82 mm，活塞行程71 mm)和增壓機TKR6 組成的實驗臺上進行了實驗研究。一個帶有混頻器的電動驅(qū)動器被用來旋轉(zhuǎn)曲軸。這些研究是在沒有燃料燃燒的情況下進行的。PICE 曲軸轉(zhuǎn)速的變化范圍為600～3 000 r/min。渦輪壓縮機轉(zhuǎn)子通過向渦輪葉片提供壓縮空氣的方式進行旋轉(zhuǎn)。渦輪壓縮機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從20 000～60 000 r/min 不等。根據(jù)PICE 氣缸內(nèi)空氣流動與渦輪壓縮機性能的協(xié)調(diào)，選擇了發(fā)動機和渦輪壓縮機的工作模式。進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為： 風(fēng)管長300 mm，壓氣機出口通道長150 mm，通道內(nèi)徑32 mm。研究的進氣系統(tǒng)是沒有充電空氣冷卻器。帶有傳感器的控制部分距離氣缸蓋的輸入窗口150 mm。采用溫度為20～25 ℃(發(fā)動機無 TC)、溫度為35～45 ℃(PICE 加 TC)的空氣作為工作介質(zhì)。

在這項工作中，考慮到氣體動力學(xué)的非平穩(wěn)性，對 PICE 進氣系統(tǒng)的氣體流動進行了研究。在研究的第一階段，對無渦輪壓縮機 PICE 液壓系統(tǒng)的流動進行了氣動力學(xué)研究。在這種情況下，空氣運動的物理機制是發(fā)動機缸內(nèi)的真空波。第二階段研究了帶透平壓縮機的 PICE 液壓系統(tǒng)的氣體動力學(xué)特性。在這種情況下，空氣運動的物理機制發(fā)生了變化： 運動的源頭已經(jīng)是渦輪壓縮機后的壓縮波(超壓)。此外，TC 型離心壓縮機的葉片單元對液壓系統(tǒng)中的脈動空氣流動具有機械效應(yīng)。這將導(dǎo)致空氣流動的結(jié)構(gòu)和氣體動力學(xué)參數(shù)發(fā)生重大變化。在第三階段，提出了在 TC 壓縮機輸出通道中安裝調(diào)平柵(蜂窩狀原理)來穩(wěn)定液壓系統(tǒng)中脈動氣流的方法。這一原理常用于流體動力學(xué)領(lǐng)域，以控制氣體流動的性質(zhì)[2]。

3.2 試驗結(jié)果分析

圖1 顯示了帶渦輪壓縮機和不帶渦輪壓縮機的 PICE 在工作循環(huán)過程中進氣系統(tǒng)流速w和壓力隨時間的變化。給出了渦輪壓縮機不同運行方式和不同液壓系統(tǒng)配置(有或沒有調(diào)平柵)的數(shù)據(jù)。從圖1 可以看出，在 PICE 的進氣系統(tǒng)中存在一個渦輪壓縮機，導(dǎo)致在進氣過程和關(guān)閉閥期間功能wx=f(τ)的明顯變化(圖1(a))。可以注意到，空氣流速的最大值增加了(約10%～15%)，并且在整個發(fā)動機工作循環(huán)中觀察到進氣道內(nèi)空氣流速的更明顯的振蕩現(xiàn)象。可以認為，它們與 TC 離心壓縮機葉片裝置的影響有關(guān)，葉片裝置是液壓系統(tǒng)中脈動流動的外部紊流源。曲線px=f(τ) 的類型主要取決于液壓系統(tǒng)中渦輪壓縮機的存在與否(圖1(b))。帶透平壓縮機的 PICE 液壓系統(tǒng)壓力脈動平滑，工作循環(huán)中平均壓力值增大。圖1 中，曲線1 的條件是：PICE 無壓氣機轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min；曲線2 的條件是：PICE 有 TC，轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min，轉(zhuǎn)速n=46 000 r/min；曲線3 的條件是：PICE 有 TC，進氣系統(tǒng)調(diào)平柵(n=1 500 r/min，轉(zhuǎn)速nτc= 46 000 r/min)。

圖1 不同工況下活塞式發(fā)動機進氣系統(tǒng)局部參數(shù)隨時間的變化規(guī)律

為了穩(wěn)定脈動氣流，在發(fā)動機進氣道前端的 TC 壓縮機輸出通道上安裝了一個平衡網(wǎng)格(基于蜂窩原理)。從進氣系統(tǒng)和水平柵液壓系統(tǒng)中氣流速度的頻譜振幅圖中可以看出，由于Aw(f)曲線的形狀不變，水平網(wǎng)格的安裝不會引起流體結(jié)構(gòu)的變化。此外，有意義的頻率和它們的多重性不改變。應(yīng)該注意的是，在有調(diào)平柵的液壓系統(tǒng)中，氣流速度的脈動幅度平均減少了15%。這表明脈動流的穩(wěn)定，可以改善氣缸的充氣，以及提高TC 的 PICE 液壓系統(tǒng)零件和組件的可靠性[3]。

4 結(jié)語

綜上，本文通過對帶渦輪壓縮機和不帶渦輪壓縮機的PICE 液壓系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)wx=f(τ)和px=f(τ)的譜分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)渦輪壓縮機的安裝導(dǎo)致燃氣輪機進氣系統(tǒng)的氣體流動結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化：低頻(高達45%)和高頻(高達25%)的速度脈動幅值增加，同時保持重要頻率的頻率多重性；

(2)譜分析提供了關(guān)于不同液壓系統(tǒng)中流動的物理機制的詳細信息；

(3)渦輪壓縮機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大小對速度wx和px脈動的低頻振幅(高達50 Hz)有重大影響，同時保持重要頻率的頻率多重性。