现代大中型压缩机向高转速方向发展，其气量调节开始逐渐采用变频调速技术。变转速压缩机气阀选型与设计时，需要考虑不同转速下气阀的经济性与可靠性。现有气阀结构型式较多，大中型往复压缩机普遍采用网状阀与环状阀。网状阀与环状阀气流通道数较多且为同心环形通道，气阀有效通流面积较大，效率较高，但网状阀与环状阀阀片较厚，属于刚性阀片，阀片运动等效质量较大，当压缩机转速改变时，阀片惯性力变化较大，因此不能很好地适应压缩机变转速工况。微小型往复压缩机多采用簧片阀，簧片阀阀片较薄，属于自弹阀片，阀片运动等效质量较小，当压缩机转速改变时，阀片惯性力变化较小，能适应压缩机变转速工况，但传统簧片阀由于气流通道数少且为圆形或条形孔通道，气阀有效通流面积小，通常不适用于大中型往复压缩机。针对上述情况，提出一种新型结构网状簧片阀以适应大中型往复压缩机变转速工况。

 

    2 网状簧片阀结构

 

    网状簧片阀结构如图1.网状簧片阀由阀座、阀片、升程限制器、定位销、连接螺钉及锁紧螺母等组成，与传统网状阀相比，阀座类似，阀片与升程限制器则有所不同。全开状态时，图1中阀片与升程限制器完全贴合，整个贴合面为旋转曲面，旋转曲面的旋转轴为连接螺钉轴线，旋转曲面的母线由直线段和与直线段相切的圆弧段组成。直线段绕连接螺钉轴线旋转形成圆环面，与阀片中心固定部位贴合；圆弧段绕连接螺钉轴线旋转形成的曲面为升程限制器的工作面，全开状态时，与阀片外部运动部位贴合。网状簧片阀升程限制器结构简单，无气阀弹簧孔，且中心部位比外缘厚，强度较好。

 

    图1所示网状簧片阀阀片结构如图2.气阀装配时，阀片由连接螺钉与定位销定位，图2中线L‘以内部分紧贴阀座与升程限制器。气阀工作过程中，阀片线L’以内部分固定，其余部分运动，运动部分与升程限制器工作面通过卷绕或碰撞方式接触。由于图2所示阀片的形状类似于压缩机网状阀中的网状阀片，其工作特性又如簧片，类似于压缩机簧片阀中的阀片，因此该种阀片称为网状簧片，该种气阀称为网状簧片阀。

 

    网状簧片阀刚开启时，阀片变形小，阀片与升程限制器工作面不接触，此时阀片刚性系数、弹力较小，这有利于气阀及时开启。当阀片变形不断增大时，阀片从根部开始与升程限制器工作面接触，随着接触面积不断增大，阀片刚性系数、弹力不断增大，这有利于降低阀片与升程限制器的撞击速度。网状簧片阀阀片刚性系数、工作过程应力等与阀片的结构参数、升程限制器的工作面曲率

 

    半径等有关，针对不同压缩机，优化这些参数，能使气阀具有良好的运动规律与较高的可靠性。

 

    与传统网状阀相比，网状簧片阀阀片为根部固定、最外端自由的簧片，阀片较薄，运动等效质量较小，当压缩机转速改变时，阀片惯性力变化较小；网状簧片阀不另设气阀弹簧，结构简单，升程限制器较薄，气阀余隙容积较小。与传统簧片阀相比，网状簧片阀气流通道数较多，各气流通道为同心环形通道，气阀有效通流面积较大。

 

    3 网状簧片阀运动规律

 

    气阀的运动规律对其可靠性和经济性有着重要影响。网状簧片阀工作特性与传统簧片阀类似，其运动规律计算也类似。传统簧片阀可根据不同简化模型，把簧片视为单质点、连续梁或薄板。网状簧片阀流道较多，阀片形状复杂，为具

 

    有复杂边界条件薄板的多连通域问题。阀片工作过程为三维振动，采用单质点和连续梁力学模型均不能很好地描述其运动状态，而薄板振动力学模型能描述阀片任意一点的运动。下面以盖侧吸气阀为例，结合薄板振动力学模型建立压缩机网状簧片阀工作过程数学模型。

 

    当压缩介质可简化为理想气体，流过吸气阀的气流可简化为一维、稳定、绝热流时，便可得到网状簧片阀流动微分方程

 

    由前面得到的流动微分方程式（1）、运动微分方程式（3） 以及边界条件式（4）、初始条件构成了网状簧片阀工作过程数学模型。气阀开启时，首先运用四阶Runge-Kutta法求解流动微分方程，得到气阀两侧压差，然后再运用Newmark法求解运动微分方程，得到网状簧片任意一点的位移、速度、加速度和气阀有效通流面积，代入流动微分方程便可得下一时刻的气阀两侧压差。如此反复耦合流动微分方程与运动微分方程，交替运用四阶Runge-Kutta法和Newmark法，便可模拟网状簧片阀运动规律。以一台变频CNG压缩机二级盖侧吸气阀为例，

 

    分析不同工作转速下气阀运动规律。该压缩机转速上限为1480 r/min,行程为88.9 mm,二级缸径为140 mm,二级吸气压力为2.1 MPa,二级排气压力为5.4 MPa.该气阀设计为图1所示网状簧片阀，升程限制器工作面经线圆弧半径为250 mm,网状簧片结构如图2,其厚度为0.508 mm,外径为109 mm,连接筋宽为12 mm,外2环宽均为8.5mm,环与环间槽宽为6 mm,线L忆直径为34 mm,

 

    阀片材料为7C27Mo2.采用前面所述方法，求得在压缩机不同转速n下气阀的运动规律，提取网状簧片自由端对应连接筋部位点的运动规律如图3.

 

    从图3可看出，当压缩机转速为上限值时，网状簧片阀颤振次数较少，随压缩机转速下降，颤振次数逐渐增多。网状簧片阀运动规律在各工作转速下虽有差异，但能及时开启与关闭，有一定的时间截面，气阀因此有较高效率，网状簧片阀能适应压缩机的变转速工况。

 

    4 网状簧片阀工作过程应力

 

    传统簧片阀失效的主要形式是簧片根部弯曲疲劳损坏或头部冲击疲劳损坏。网状簧片阀工作特性与传统簧片阀类似，其可靠性设计时，需对网状簧片根部的弯曲应力和自由端冲击后产生的应力进行计算与分析。

 

    网状簧片阀工作过程中，阀片与升程限制器工作面通过卷绕方式接触时，阀片根部与升程限制器工作面先贴合，此时阀片根部应力最大，利用弹性力学知识，可得根部卷绕时最大应力如下

 

    把前面设计的网状簧片阀结构参数、阀片材料力学性能参数代入式（5），得到网状簧片根部卷绕时最大径向应力为234.5 MPa,最大周向应力为70.3 MPa,均远小于阀片材料的弯曲疲劳极限800 MPa .压缩机网状簧片阀设计时，如采用式（5）计算得到的应力过大，则需降低阀片厚度或增大升程限制器工作面经线圆弧半径。网状簧片阀工作过程中，阀片与升程限制器工作面通过碰撞方式接触时，其变形与应力极其复杂，因此结合气阀运动规律，利用ANSYS/LSDYNA软件分析阀片与升程限制器碰撞应力动态响应。图4为前面设计的压缩机网状簧片阀在不同转速n下阀片最大应力时刻的等效应力云图。

 

    从图4可看出，网状簧片应力复杂。当转速为500 r/min时，网状簧片最大应力发生在根部，其值为298.6 MPa,提取不同转速下阀片根部的最大应力发现，各值接近；当转速为800 r/min、1100 r/min、1480 r/min时，最大应力值分别为

 

    358.7 MPa、489.6 MPa、659.8 MPa,最大应力均发生在网状簧片自由端对应连接筋部位，且作用时间非常短。由于图4中各应力均小于阀片材料的弯曲疲劳极限，阀片具有较好的可靠性。

 

    5 结论

 

    （1）气阀结构分析表明：与传统网状阀相比，网状簧片阀结构简单，阀片运动等效质量较小，气阀余隙容积较小；与传统簧片阀相比，网状簧片阀有效通流面积较大。

 

    （2）气阀运动规律以及工作过程应力计算分析表明，网状簧片阀在各工作转速下具有较好的经济性与可靠性，能适应大中型往复压缩机的变转速工况。（2015.12.17）