【孔板参数对压缩机管路脉动与压降特性的影响研究】-推荐论文-压缩机技术网

【孔板参数对压缩机管路脉动与压降特性的影响研究】

祁航１，张新月１，代泽宇１，张建云２，朱海雷２，吕倩１，余小玲１

（１.西安交通大学化学工程与技术学院，陕西西安７１００４９；２.沈阳鼓风机集团有限公司，辽宁沈阳１００８６９）

［摘要］：针对往复压缩机管道中存在的压力脉动问题，采用数值模拟与实验测试相结合的方法，系统考察孔板参数对压力脉动抑制及压降的影响规律。构建压缩机一级进气管道流场模型，按穿过缓冲罐气流来流方向为前，设置孔板在缓冲罐前后２种安装位置，并在保持总开孔面积一致条件下，比较孔板位置、孔板孔数与孔中心偏移等结构参数对脉动幅值与压降的作用。结果显示，缓冲罐前后加装孔板均可降低压力波动，在缓冲罐前后加装孔板分别对管道和缓冲罐脉动削减效果好；３孔比单孔抑制压力脉动效果显著更佳，继续增加孔数对压力脉动削弱效果增加较小；孔中心距孔板圆心距离增大时脉动变化不显著，但在距离约为孔板半径一半附近压降最小。研究结果表明：合理选择孔板安装位置与孔板数量和孔板径向位置结构参数可有效抑制压力脉动并兼顾压降控制，为压缩机管道系统优化提供参考。

［关键词］：压缩机管道；孔板参数；压力脉动；压降；数值模拟；实验

中图分类号：ＴＨ４５７；ＴＢ５３５文献标志码：Ａ

文章编号：１００６－２９７１（２０２６）０２－０００１－０６

１引言

气体脉动是往复压缩机中气体流动不连续特性的结果［１－２］。压缩机管道中的气体脉动会降低压缩机的性能，妨碍压缩机阀门的正常工作，并引发管道振动，从而导致管道疲劳失效、紧固件松动、压缩机过载，甚至引发严重的安全问题［３－４］。在石油化工领域，气体脉动和管道振动被认为是导致往复压缩机计划外停机和事故的最常见原因。因此，控制压缩机管道系统中的气体脉动和管道振动是非常重要的问题。在管道脉动抑制上，孔板被广泛使用，其效果在很大程度上取决于孔板的尺寸和安装位置［５］。虽然孔板抑制气体脉动的理论机制已较为明确，但其实际应用仍需进行具体探究，包括参数选择与安装位置的优化问题，以及由此产生的压力损失［６］。

ＲＹＤＬＥＷＩＣＺ等［７］通过实验与模型分析，证实孔板能有效抑制脉动流中的压力脉动，且衰减效果与孔径比非线性相关。ＪＩＡＸ等［５］通过结合声学理论建模与实验验证的系统方法，研究了孔板参数与安装位置对往复式压缩机管道系统气体脉动的影响。ＺＨＡＮＧ等［８］通过数值模拟的手段分析孔板表面压力脉动，发现气液两相流会诱发宽频激励，可能引起管道的多频振动。ＣＨＡＮＧ等［９］通过实验测量和大型涡模拟（ＬＥＳ）结合ＺＧＢ空化模型，研究了多孔板空化流动的噪声特性与水力损失，并建立了压力损失系数与雷诺数、孔隙率的经验关系模型。

ＢＡＲＲＯＳＦＩＬＨＯ等［１０］通过数值模拟和缩尺实验手段，研究了核反应堆燃料管道孔板的倒角几何对冷取液压降的影响。ＭＡＹ等［１１］通过通过实验研究了低气相弗劳德数区域下湿气体流经多孔板的压降特性，为湿气体流量测量提供了更可靠的模型支持。李浩冉等［１２］通过ＣＦＤ仿真和实验研究了孔板压降的内角影响机理，研究证实孔板内角对压降有显著影响并提出了包含内角影响的改进计算公式。季明震等［１３］通过数值模拟结合试验验证的方法，研究了适用于孔板送风的孔板阻力特性，重点探讨了开孔形状、孔板厚度、孔口直径和开孔率对局部阻力系数的影响。ＷＵＹ等［１４］通过实验研究手段研究了多孔板结构参数对单相流压降特性的影响，得到以下结论：等效直径比 β对稳定区压降系数 ξ影响最显著，而增加相对孔厚和孔数对其压降影响有限。

如何在抑制压力脉动和降低阻力损失之间寻求平衡，成为压缩机管道系统设计中的一个关键问题。本文将通过理论分析和实验验证，探讨加装孔板对管道压力脉动和阻力损失的影响规律，为压缩机管道系统的优化设计提供理论依据。

２数值模拟

计算管道模型为往复式压缩机一级进气管道，进气压力为２.５２２ＭＰａ，压缩机具体参数如表１所示。压缩机管道内介质如表２所示。进气管路末端同时连接了一台双作用压缩机轴侧和盖侧气缸，为２个气缸提供进气，压缩机转速为３００ｒ／ｍｉｎ，即周期同为０.２ｓ。管道进气周期为０.２ｓ。如表２所示。

２.１计算模型建立

根据压缩机进气管道形状抽取流体域如图１所示。

气体从管道进气端流入，流经管道后从压缩机进气端进入压缩机。在压缩机前设有缓冲罐，用来抑制压缩机进气管道的脉动幅值。

２.２边界条件

与管壁接触的流体边界条件设置为绝热壁面边界条件，设置为速度出口，压力入口。压缩机进气速度即计算模型速度出口可以表达为［１５］：

式（１）中：α为曲柄角；ｂ为气缸与管道的通流面积比；ｒ为曲柄长；ω为曲柄角速度；λ为曲柄与连杆的长度比；αｘ为气阀开启角。气阀开启角总体计算过程如下：根据曲柄转角计算活塞位移，然后根据活塞位移推算气体力，活塞位移计算可表示为：

式中：ｐｉ为气缸内气体压力；ｐｏ为开始膨胀时气体压力，即排气压力；ｘｉ为活塞位移；ｍ为膨胀指数；Ｓ０为相对余隙容积折合相对余隙行程。

当气缸内气体膨胀至其压力与进气管道压力达到平衡时，进气过程开始。此时的曲柄转角即为气阀开启角。

计算模型出口速度包含盖侧和轴侧气缸进气速度，管道系统一个周期内的激发速度如图２所示。

３结果与讨论

３.１测试结果分析

压缩机一级进气管道上布置有２个测点，分别位于管道和缓冲罐上具体测点位置如图３所示。管道与缓冲罐测点的压力脉动时域测量值如图４所示。

经傅里叶变换得到频域结果图５表明，脉动主频为５Ｈｚ，与压缩机３００ｒ／ｍｉｎ的转速对应，频域值主要集中在前６０Ｈｚ。因此，后续分析将聚焦于此频段。

３.２缓冲罐前后加装孔板

将６０Ｈｚ以上的高频成分滤除后，管道及缓冲罐测点的压力脉动测量值与模拟值对比如图６所示。从图中可以看出，管道压力脉动的模拟值与测量值变化趋势高度吻合，两者脉动峰峰值的误差分别为４.９０％和２.９３％。

该结果表明：本研究建立的模型能够可靠地模拟管道中的压力脉动行为。

孔板的直径Ｄ＝１５４.０６ｍｍ，建立２个计算模型，分别为缓冲罐前加装孔板和缓冲罐后加装孔板，孔板位置如图７所示。孔板孔径均为０.５Ｄ。

计算得在缓冲罐前后加装孔板的压力脉动时域值，与原孔板所得脉动值进行对比，如图８和图９所示分别为管道测点和缓冲罐测点脉动时域值，与无孔板基准工况相比，加装孔板后各测点的脉动衰减效果如下：在管道测点处，缓冲罐前、后安装孔板分别使压力脉动峰峰值降低了１０.２８％与－３.３２％；在缓冲罐测点处，２种安装方式则分别降低了６.９９％与１０.９８％。

将压力脉动值进行傅里叶变换，获得频域值如图１０、１１所示，从图中可知，在缓冲罐前安装孔板对管道压力脉动抑制效果更好，在缓冲罐后安装孔板对缓冲罐压力脉动抑制效果更好。