热-机耦合作用下压缩机气缸形变效应评价.pdf
《热-机耦合作用下压缩机气缸形变效应评价.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《热-机耦合作用下压缩机气缸形变效应评价.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、流 体 机 械第 51 卷第 7 期2023 年 7 月 39 收稿日期:2022-07-14 修稿日期:2023-03-13基金项目:国家科技重大专项(2016ZX05040-006)doi:10.3969/j.issn.1005-0329.2023.07.006热-机耦合作用下压缩机气缸形变效应评价李 琴1,2,王 硕1,2,王智勇1,2,李 涛1,2,母德全1,2,王 杰1,2(1.西南石油大学 机电工程学院,成都 610500;2 石油天然气装备技术四川省科技资源共享服务平台,成都 610500)摘 要:针对DTY500 型往复式页岩气压缩机因自然冷却式气缸内外温差大、压力高而产生变形
2、的问题,建立了自然冷却式压缩机气缸热-机耦合共轭传热模型,基于有限元法开展了气缸内温度场与热-机耦合下的气缸变形研究,掌握了压缩机气缸整体温度场特性与变形量的分布特征,对比分析了气缸轴向与周向的温度与变形规律,建立了以圆度差值和径向平均变形量作为工作腔变形评价指标,在此基础上,开展了气缸温度测试试验,气缸表面温度测点平均误差为4.29%。结果表明:最高温度为 104.78出现在工作腔与排气腔之间的内壁区域,其中周向温度差异为 10.35和轴向温度差异为 6.87,导致气缸最大圆度差值为 0.249mm,致使活塞拉缸。研究结果对提高活塞工作寿命和保障页岩气压缩机安全稳定运行具有重要意义。关键词:
3、页岩气压缩机;有限元分析;热-机耦合;气缸;圆度差值;变形中图分类号:TH45 文献标志码:A Evaluation of compressor cylinder deformation effect under thermal-mechanical couplingLIQin1,2,WANGShuo1,2,WANGZhiyong1,2,LITao1,2,MUDequan1,2,WANGJie1,2(1.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu 610500,China;2.O
4、ilandGasEquipmentTechnologySichuanProvinceScienceandTechnologyResourceSharingServicePlatform,Chengdu 610500,China)Abstract:InordertosolvetheproblemofdeformationduetohighpressureduetolargetemperaturedifferencebetweeninsideandoutsideofthenaturalcoolingcylinderoftheDTY500reciprocatingshalegascompressor
5、,theheat-mechanicalcouplingconjugateheattransfermodelofthenaturalcoolingcompressorcylinderwasestablished,thecylinderdeformationunderthetemperaturefieldandheat-mechanicalcouplinginthecylinderbasedonthefiniteelementmethodwasstudied,thedistributioncharacteristicsoftheoveralltemperaturefieldandthedeform
6、ationofthecompressorcylinderweremastered,andthetemperatureanddeformationlawoftheaxialandcircumferentialdirectionofthecylinderwerecomparedandanalyzed.Theroundnessdifferenceandradialaveragedeformationwereestablishedastheevaluationindicatorsofthedeformationoftheworkingcavity,andonthisbasis,thecylindert
7、emperaturetestwascarriedout,andtheaverageerrorofthecylindersurfacetemperaturemeasurementpointswas4.29%.Theresultsshowthatthemaximumtemperatureappearsintheinnerwallareabetweentheworkingcavityandtheexhaustcavity,whichis104.78,ofwhichthecircumferentialtemperaturedifferenceis10.35andtheaxialtemperatured
8、ifferenceis6.87,resultinginthemaximumroundnessdifferenceofthecylinderbeing0.249mm,causingthecylinderpullingbythepiston.Theresearchresultsareofgreatsignificanceforimprovingtheworkinglifeofthepistonandensuringthesafeandstableoperationofshalegascompressors.Key words:shalegascompressor;finiteelementanal
9、ysis;thermal-mechanicalcoupling;cylinder;theroundnessdifference;deformation0 引言受川渝地区实际工况的影响,为满足压缩机组设备移运便捷、体积小的要求,页岩气压缩机组多采用自然冷却式双作用气缸,页岩气在往复式压缩机气缸中实现压缩增压,由于压缩系统对气体做功产生大量热量,整体散热性能较差,气缸受热后产生一定形变,机构之间的正常配合间隙被破坏,容易出现磨损加剧、活塞拉缸等现象,影响活塞正常工作,严重时将导致缸内超压发生爆炸,40FLUID MACHINERYVol.51,No.7,2023影响压缩机的安全运行1-3。国内外学
10、者对气缸温度场与变形的研究较多,主要集中在内燃机气缸与水冷式气缸的热变形研究中。徐玉梁等4基于双向流-固耦合方法对发动机冷却水套进行仿真计算;毕玉华等5研究了冷却液流动均匀性对缸套热变形的影响;黄泽奇6通过动网格技术,对天然气压缩机单作用气缸的流场的温度场变化情况进行了分析;江志农等7对不同工况下压缩机的三维流场进行了分析;王金铭等8分析了双作用往复压缩机在正常气量调节工况以及气缸级内和级间发生调节故障时整周期交变载荷的变化规律;李启明等9对单作用气缸内温度场与热应力进行模拟分析,得出了吸气和排气阶段气缸的温度和热应力的分布规律;余祖耀等10对超高压天然气压缩机气缸进行了多载荷分析,通过ANS
11、YS 有限元分析得到气缸的温度变化云图和热应力变化云图,但都缺乏对结果的验证,对变形尚未给出明确的评价指标;张海滨等11研究了气缸传热对压缩过程的影响规律,郑娆等12通过热-力耦合计算,分析了船舶艉轴密封端面温度、应力及变形的规律变化。国外一些学者13-14对双作用水冷往复式压缩机气缸进行了共轭传热分析,也有研究人员15通过建立简化后的气阀及气缸模型来分析压缩机缓冲罐内压力的变化;YANG 等16对缸套变形进行了数值仿真,通过傅里叶变换来描述热载荷在变形缸孔周围的分布特征。通过调研发现,对于压缩机自然冷却式气缸的变形研究鲜有报道。目前,各类气缸的冷却大多采用水冷和风冷的方式,而自然冷却式较少,
12、对页岩气压缩机这种特殊的压缩机气缸结构,可参考发动机、柴油机等气缸的研究。因此,本研究首先建立了页岩气压缩机自然冷却式双作用气缸有限元模型,开展了温度载荷与机械载荷共同作用下气缸形变特性研究,掌握了气缸危险部位及形变规律,同时开展了气缸温度场测试试验,验证了仿真结果的准确性;在此基础上,建立了气缸工作腔形变评价指标,并给出减小气缸形变的建议。本研究对提高活塞工作寿命和保障页岩气压缩机安全稳定运行具有重要意义。1 气缸模型及边界条件气缸作为压缩机的重要构件,其内部流场的流动特性会对压缩机的性能效果产生影响17,而双作用气缸则有两对进气阀和排气阀,具有进排气量大和压缩效率较高等特点。双作用气缸内气
13、体需要经历膨胀、吸气、压缩、排气 4 个过程,其中压缩过程最为关键,气缸内流体在压缩过程中的温度和压力是随曲柄转角的转动而变化的,所有流体流动的过程都要遵循物理守恒定律18。图 1 示出工作腔热力过程示意,该热力系统的边界由活塞和缸体壁面组成。图 1 气缸工作腔热力过程示意Fig.1 Schematicdiagramofthermalprocessofcylinderworkingcavity1.1 气缸导热方程由能量守恒方程建立的DTY500 型页岩气压缩机稳态导热控制方程为:+=2222220TxTyTz(1)式中,为导热系数,W/(m)。压缩机气缸导热边界条件主要是第三类边界条件,即:=
14、()Tnh TTwwf(2)式中,h 为表面对流换热系数,W/(m2);Tw,Tf为气缸表面和周围的气体温度,。在稳定工况下,当DTY500 型页岩气压缩机运行平稳时,气缸温度场达到动态稳定,即气缸温度场在周期内波动19,由于页岩气压缩周期较短,相邻周期内不发生变化,选取第三类热边界条件,研究稳态导热可以得到气缸稳态温度场。1.2 气缸力载荷气缸受到多种载荷作用:(1)缸内气体力Fg;(2)气缸的惯性力Fs;(3)气缸与活塞间的往复摩擦力Ff。气缸作用力分析如图 2 所示。41李琴,等:热-机耦合作用下压缩机气缸形变效应评价图 2 压缩机气缸作用力分析Fig.2 Analysisofthefo
15、rceofthecompressorcylinder各载荷的计算式为:FAgi=P(3)Fm rwss=2cos(4)Fpnsfm=()21130/(5)式中,Pi为轴侧或盖侧的气体压力,Pa;A 为气缸内壁面积,m2;ms为往复运动质量,kg;r 为曲柄半径,m;w 为旋转角速度,rad/s;p2为第 2 列的指示功率,W;m为压缩机的压缩效率;n 为压缩机的转速,r/min;s 为活塞的行程,m。1.3 有限元模型由于页岩气往复压缩机二级气缸相较于一级气缸进气温度和压力高、波动大,属于最危险工况,如果二级气缸能满足,则一级气缸自然满足。因此,以页岩气压缩机二级压缩气缸为研究对象,主要分析气
16、缸在运行工况下的变形规律。首先用SolidWorks 软件按照 1:1 比例建立DTY500 型页岩气压缩机气缸三维实体模型,如图 3 所示。由于气缸模型复杂,对其进行有限元分析时需简化处理,对进气腔、排气腔、压缩腔以及整个缸体的主要结构尺寸不做简化,得到压缩机气缸有限元模型。图 3 页岩气压缩机气缸三维模型Fig.3 3Dmodelofshalegascompressorcylinder1.4 边界条件DTY500 型页岩气压缩机二级压缩机气缸进气压力为 2.72MPa,进气温度为 42.6,排气压力为 5.35MPa,排气温度为 106.2,平均速度为4.66m/s,行程为 139.7mm
17、,转速为 1486r/min。压缩腔内气体的对流换热系数采用Woschni 经验式计算20,即:aDp TC CCV TpVPPmh=+()8340 20 80 531211 10.(6)换气过程:CCCum16 180 417=+./(7)压缩及膨胀过程:CCCum12 180 308=+./(8)式中,Cu/Cm取 2.3。通过半经验公式结合页岩气压缩机双作用气缸现场工况条件,分别计算出缸体内壁、工作腔内壁的导热边界条件见表 1,气缸外壁与环境的换热系数为自然对流换热系数。表 1 压缩机气缸壁面热边界条件Tab.1 Thermalboundaryconditionsonthewalloft
18、hecompressioncylinder位置温度/换热系数/(W m-2-1)进气腔85.830排气腔118.685工作腔85.8118.63085活塞顶面124.3902 气缸温度场与变形仿真结果与分析2.1 气缸温度场特性分析2.1.1 气缸整体温度场特性分析气缸温度分布如图 4 所示。(a)整体温度场云图 (b)气缸极限温度图 4 气缸温度分布规律云图Fig.4 Cloudmapofcylindertemperaturedistributionlaw分析图 4 可知:在高温环境 40.2下,缸体外壁进气腔一侧温度总体小于排气腔一侧的壁面温度,定义 100以上区域为高温区,排气腔一侧的高
19、温区域较为集中,气缸整体的平均温度偏高42FLUID MACHINERYVol.51,No.7,2023为 98.2,气缸整体最高温度为 104.78,小于气缸所承受的最高温度值 177,气缸整体最低温度为 92.72。2.1.2 气缸特征截面温度特性分析根据气缸轴向与周向的温差情况,得到气缸周向及轴向温度等值线,如图 5 所示。(a)气缸周向温度等值线 (b)气缸轴向温度等值线图 5 气缸周向及轴向温度等值线Fig.5 Theisolinediagramofthetemperatureinthecircumferentialandaxialdirectionsofthecylinder综合分
20、析图 5 可知,气缸整体周向温度分布规律差异较大,温度约为 10.35,存在明显的温度梯度,主要原因为气体进入气道之后初始温度较低,对进气道起到冷却散热的效果,在经过工作腔活塞压缩之后,气体温度急剧升高,造成气体通过排气腔时排气腔温度过高,导致进排气腔两侧温度差异较大;而轴向温度差异较小,温度约为6.87,但仍然呈现由内而外温度逐渐降低的趋势,周向及轴向温度差异较大容易造成通道内零部件机构之间的正常配合间隙被破坏。压缩机气缸温度分布规律见表 2。表 2 压缩机气缸温度分布规律Tab.2 Temperaturedistributionlawofcompressioncylinder项目数值分布位
21、置高温区域体积占比(%)35.36主要排气腔一侧区域最高温度/104.78排气腔的气阀区域最低温度/92.72进气腔一侧的气阀盖外壁处周向温度差异/10.35周向半剖面轴向温度差异/6.87轴向半剖面2.1.3 气缸各结构内温度特性分析在进气温度为 42.6时,气缸各结构温度对比如图 6 所示。页岩气压缩机气缸各结构中整体平均温度大小关系为工作腔 排气腔 进气腔,工作腔内整体平均温度较大,最高达 103.9,持续过高的温度容易造成润滑油胶结以及活塞拉缸的严重后果,影响压缩机正常工作。图 6 气缸各结构温度对比Fig.6 Temperaturecomparisonofeachstructureo
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 耦合 作用 压缩机 气缸 形变 效应 评价
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。