往复压缩机热力过程模拟进展

22:051压缩机热力过程模拟及其进展彭学院压缩机研究所2013.522:052彭学院热力过程模拟的重要性1.分析热力完善度/热效率的重要手段获得图，计算指示功率及效率获得吸、排气阻力损失，评价气阀阻力损失是否合理获得压缩过程指数，了解换热、泄漏情况-pV排气阻力损失吸气阻力损失22:053彭学院热力过程模拟的重要性2.了解气阀运动情况获得反映气阀运动特性的图，评价气阀参数优劣了解是否存在气阀延迟或提前启/闭（特别是吸气阀延迟关闭）了解气阀是否存在颤振现象h限制器理想的气阀运动限制器气阀的颤振限制器气阀的延迟关闭22:054彭学院热力过程模拟的基本思路1.明确研究对象和研究目标工作腔内热力循环过程（图）“控制容积”吸、排气阀的运动规律（图）pVhPVThumdWdQdisPdisTsuTsuPoutdmindm22:055彭学院热力过程模拟的基本思路22:056彭学院热力过程模拟的基本思路22:057彭学院热力过程模拟的基本思路22:058彭学院热力过程模拟的基本思路2.提出必要的简化与假设气缸内工质的状态是均匀的；任何外界作用都是瞬时传递给气缸内的气体质点；不考虑吸、排气腔内的气流脉动，腔内压力和温度恒定，分别为名义吸、排气压力及名义吸、排气温度；气体进出压缩机气缸的流动均被视为稳态绝热流动；不考虑气阀的倾侧、粘滞效应，忽略通过气阀的泄漏；金属阀片的反弹系数取0.3，非金属阀片取0.2。22:059彭学院热力过程模拟的基本思路3.建立气缸内热力过程与气阀运动耦合的数学模型（1）质量守恒方程（注意几个变量之间的差别）（2）能量守恒方程（3）状态方程()ioiodmdmdmudQdWhhdddddsdilodmdmdmddddmdmdddmdPVThumdWdQdisPdisTsuTsuPdpspdTsTpddmsdmldmdW(,)pfvT22:0510彭学院热力过程模拟的基本思路3.建立气缸内热力过程与气阀运动耦合的数学模型（4）能量方程控制容积内的压力变化()ioiodmdmdmudQdWhhdddddoidmdmdmhh0()cdmudmhpV()()TvhhdhdvdTvT(/)(/)11[()][()](/)(/)(/)1111(/)(/)vTiTivcvvvvhTpvdmhdvdQhhvvpTdVddhThTvdpTpTdpvcdWpdV()()TvppdpdvdTvT()1()()[]()()TTvccvviiicphhvdmummhdmpdVVppdpdpvTTTdQhddmhdmhdvddVvmp22:0511彭学院热力过程模拟的基本思路3.建立气缸内热力过程与气阀运动耦合的数学模型也可转化为控制容积内的温度变化(/)(/)11[()][()](/)(/)(/)1111(/)(/)vTiTivcvvvvhTpvdmhdvdQhhvvpTdVddhThTvdpTpTdpv()()TvppdpdvdTvT11[()()][()](/)(/)iTTicvvdmhpdvdQhhvvvdVddhTpTdTdv(/)(/)11[()][()](/)(/)(/)(/)(/)(/(/))vTiTivcvTvvvvhTpvdmhdvdQhhpvdvpTddTdvvpTdVddhThTpTpTvv22:0512彭学院热力过程模拟的基本思路3.建立气缸内热力过程与气阀运动耦合的数学模型（5）补充方程通过气阀及泄漏间隙的流量计算阀片运动方程（获得阀隙通流面积）maxhh,max2()sfssssCAhhvdmd,max2()dfddddCAhhvdmddd10222maxmaxvststvvvCAphddMhMMh气体力弹簧力hmaxhPPdFgMvFs()(dsppppp排气吸气)2()lflllCAdhvmdh22:0513彭学院热力过程模拟的基本思路3.建立气缸内热力过程与气阀运动耦合的数学模型习惯用来进行热力过程模拟直观，与图能直接联系起来控制容积内动态压力易于测量，便于验证与用作为迭代变量本质上没有差别通过与的联立迭代求解，可以获得其它热力参数由控制容积可获得根据，利用状态方程可获得等其它热力状态参数耦合的表现的计算需要阀片位移阀片位移的计算反过来需要压力，而与要同时迭代出来dpd-pVdTddmddpd()cVfvpv,Tpm,dmhhppm22:0514彭学院热力过程模拟的基本思路4.数学模型求解用微分方程组形式表达的耦合模型(,,,,)(,,,,)(,,,,)(,,,,)pmdpfpmddmfpmddfpmddfpmd(/)(/)11[()][()](/)(/)(/)1111(/)(/)vTiTivcvvvvhTpvdmhdvdQhhvvpTdVddhThTvdpTpTdpvsdldmdmdmdddmdddd10222maxmaxvststvvvCAphddMhMMh22:0515彭学院热力过程模拟的基本思路4.数学模型求解四步Runge-Kutta法方法1111(,,,,)(,,,,)(,,,,)(,,,,)piiiiimiiiiiiiiiiiiiiiWfpmXfpmYfpmZfpm11234112341123411234(22)6(22)6(22)6(22)6iiiiiiiispp21111211112111121111(,,,,)22222(,,,,)22222(,,,,)22222(,,,,)22222piiiiimiiiiiiiiiiiiiiisssssWfpWmXYZsssssXfpWmXYZsssssYfpWmXYZsssssZfpWmXYZ32222322223222232222(,,,,)22222(,,,,)22222(,,,,)22222(,,,,)22222piiiiimiiiiiiiiiiiiiiisssssWfpWmXYZsssssXfpWmXYZsssssYfpWmXYZsssssZfpWmXYZ43333433334333343333(,,,,)(,,,,)(,,,,)(,,,,)piiiiimiiiiiiiiiiiiiiiWfspsWmsXsYsZXfspsWmsXsYsZYfspsWmsXsYsZZfspsWmsXsYsZ1123412122322243(22)6(,)(,)(,)(,)iiiissiissiiiisyykkkkkfxykfxykkfxykkfxsysk22:0516彭学院热力过程模拟的基本思路4.数学模型求解求解基本过程及流程图活塞外止点为起始点迭代求时的值依次类推，直到完成一个循环若判断处于膨胀、压缩阶段，不需迭代阀片位移，直接赋值完成一个循环时，其参数不一定与起始参数相同可以以二者平均值假定新的起始参数重新迭代一个循环一般2~3次循环后以足够精度收敛11,0i,,,eeeepm22,is11011,,0,0dppmm110,022:0517彭学院热力过程模拟的基本思路5.热力性能计算及评价指示图（示功图）图容积流量及容积效率的计算指示功率及等熵—指示效率的计算气缸内温度及比容计算阀片位移及速度60icnNVdppdpsVcpVdsdmQVndd/iciivVmiciiipVTmRmaxiihhmaxiiuh/iisisiNN2//()4VthDQQQSn1[()1]602ksdsdkissspQpZZNpZ22:0518彭学院热力过程模拟的基本思路5.气阀评价阀片位移及速度气阀颤振与延迟关闭maxiihhmaxiiuh限制器理想的气阀运动限制器气阀颤振限制器气阀的延迟关闭22:0519彭学院3sZmNKs/6.4122.4sHmm03.6sHmmkgms022.02002827.0mAps2001221.0mavs3dZmNKd/5.7252.1dHmm04.9dHmmkgmd022.02002827.0mApd2001057.0mavd压缩机工况及主要结构参数155Dmm90Smm06.00.169min/780rn0.1spMPa0.357dpMPaCTos35气阀参数吸气阀排气阀热力过程模拟实例1——空气压缩机22:0520彭学院热力过程模拟实例1——空气压缩机增大吸排气气阀弹簧刚度刚度增大使气阀关闭角提前，太大则出现颤振现象024681012141618200.050.100.150.200.250.300.350.400.4534/10mV0.1spMpa0.357dpMpap/MpaoldK1=413N/mK2=725N/mK1=600N/mK2=1000N/mK1=800N/mK2=1400N/m3060901201501802102402703003303603900.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1RelativeDisplacementCrankAngle/degoldK1=413N/mK2=725N/mK1=600N/mK2=1000N/mK1=800N/mK2=1400N/m22:0521彭学院热力过程模拟实例1——空气压缩机减小吸、排气气阀弹簧刚度刚度减小使气阀关闭角推迟，太小会出现非常严重的延迟关闭024681012141618200.050.100.150.200.250.300.350.400.450.1spMpa0.357dpMpa34/10mVp/MpaoldK1=413N/mK2=725N/mK1=K2=0K1=200N/mK2=360N/m3060901201501802102402703003303603900.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1RelativeDisplacementCrankAngle/degoldK1=413N/mK2=725N/mK1=K2=0K1=200N/mK2=360N/m22:0522彭学院热力过程模拟实例1——空气压缩机增大气阀升程弹簧最大变形量增大，气阀关闭角提前阀隙通流面积变大，吸排气压力损失减小3060901201501802102402703003303603900.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1RelativeDisplacementCrankAngle/degolds1=2.4mms2=2.1mmnews1=3.