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阀门技术

螺杆式压缩机内置活塞式进气控制阀分析

目前螺杆式压缩机的进气控制主要有2种:外置汽缸式(碟止回阀)和内置活塞式。碟阀+止回阀式的进气控制阀只能垂直安装,阀打开时,气流垂直均匀向下,没有明显的节流阻力和气流流向的急剧拐弯,阀的阻力较小。内置活塞式进气控制阀,可以水平和垂直安装,依靠阀前后的压差作用并克服弹簧作用力将阀打开,气流从活塞周边进入螺杆式压缩机的转子吸气口。内置活塞式进气控制阀由于拐角和流道相对狭窄,因此阻力相对外置汽缸式进气控制阀来说要大一些,但是由于内置活塞式进气控制阀的可靠性高,不受安装方向的限制,在设计合理的情况下,可有效将压力损失控制在合理范围,目前内置活塞式进气控制阀在小排量的螺杆式压缩机上广泛使用。

1 内置活塞式进气控制阀的原理

在制冷压缩机的应用中,内置活塞式进气控制阀的控制系统如图1所示。系统主要包括进气控制阀、两位三通电磁阀和螺杆机头。

图1 内置活塞式进气控制阀控制系统原理

两位三通电磁阀为常闭式电磁阀,在电磁阀得电时,电磁阀高压口与电磁阀低压口相通,高压排气导入进气控制阀的活塞腔,将推动阀的活塞向压缩机吸气侧移动,使进气控制阀关小或关闭;在电磁阀失电时,电磁阀的低压端与公共口导通,进气控制阀的活塞腔与转子吸气口相通,这样在压缩机运转短时间后,活塞腔与活塞在压缩机吸气侧的面上形成一定压差,依靠活塞前后压差并克服弹簧力作用将进气控制阀打开。利用两位三通电磁阀可以有效地将进气控制阀活塞内的气体排出,确保进气控制阀能够可靠地打开,阀的开闭动作控制灵敏、可靠性好。

2 内置活塞式进气控制阀的作用

进气控制阀应用在螺杆式压缩机上,主要用于启动和容量调节控制。

2.1 空载启动

螺杆式压缩机的功率一般较大,启动时对电网的冲击大,常出现满负荷启动、空开跳闸等问题。对于大容量电机,电源线路和变压器很难满足其直接启动的条件,且强大的启动电流对电网和电动机都不利。因此,螺杆式压缩机的大容量电动机一般要降低启动电流。压缩机在空载启动时需要的转矩较小,由于启动负荷小,电动机的启动电流相应降低,同时电动机采取降压启动方式可使压缩机启动电流小、启动平缓。

在螺杆式压缩机启动时,进气控制阀处于自然关闭状态。电磁阀得电,高压排气管与活塞腔导通,在螺杆转子转动起来的短时间内,一定的吸排气压差将进气控制阀关闭,从而实现螺杆式压缩机的空载小电流启动。

2.2 加载控制

电动机在降压启动后,根据系统的条件,如满足加载要求,电磁阀失电,进气控制阀的活塞腔与转子吸气口相通,一定的压差将进气控制阀逐步打开,吸气流量增加,实现对螺杆式压缩机的加载控制。

2.3 卸载控制

在螺杆式空气压缩机中,当用气较少或不用气时,输出压力将达到设定值(一般7bar左右),压力开关控制电磁阀得电,高压排气导入活塞腔,活塞腔的高压气体驱使活塞将进气控制阀关小,减小进气流量,实现对螺杆式压缩机的卸载功能。卸载控制是为了避免电机频繁启停而影响可靠性,同时在用气量少时,使得电机负荷减小或空载运行而节能。

2.4 停机控制

进气控制阀具有止回阀的功能,当压缩机停机时,电磁阀得电,高压排气与进气阀的活塞腔相通,高压排气驱使进气阀关闭,有效组织高压与吸气的串通,减小转子的反转惯性力,提高压缩机的可靠性。

3 内置活塞式进气控制阀的受力分析

内置活塞式进气控制阀主要由阀体、活塞、活塞座、弹簧和导杆等主要零件组成,其结构如图2所示。

图2 内置活塞式进气控制阀结构

进气控制阀要可靠地将阀打开和关闭,也就是在理论上具备关阀的力和开阀的力大于零。进气控制阀受到几个力的作用:①压缩机吸气端压力ps(kPa)作用在活塞盖上的力Fs(N);②高压排气压力pd(kPa)作用在活塞腔内产生的力Fqg(N);③转子吸气口的压力pxq(kPa)作用在活塞盖上的力Fsg(N);④弹簧力Ft(N)。由于进气控制阀较小,活塞的摩擦力极小,可以忽略。

阀打开力Fon可表示为

Fon=Fs-Fsg-F    (1)

阀关闭力Foff可表示为

Foff=Fqg+Fsg+Ft-Fs    (2)

其中:

    (3)

    (4)

    (5)

式中:Ds为阀体吸气侧筒直径(mm);Dg为活塞缸直径(mm);Dsg为活塞盖直径(mm)。

根据阀的实际计算情况,用高压排气关闭阀的力是足够大的,一般都上百牛顿甚至几千牛顿,关阀的可靠性是没有问题的。根据式(1)~式(5),阀打开力Fon可表示为

    (6)

由式(6)可以看出,阀打开的力与进气控制阀前后的压差有关,弹簧力Ft一般较小,压差越大,阀打开的力越大。由于压缩机性能受吸气压损的影响大,吸气压损不能太大,导致进气控制阀打开的力一般较小。所以,进气控制阀必须根据压缩机的性能情况合理设计进气控制阀的大小,使得阀的压损较小,确保阀能可靠打开。

3.1 阀打开力和吸气压损的关系

对于一个结构已确定的进气控制阀,即阀体吸气侧筒直径Ds,活塞缸直径Dg和活塞盖直径Dsg确定后,进气控制阀前后的压差,即进气控制阀的压损大小决定阀打开力的大小。从图3和式(6)可以看出,阀打开的力与进气控制阀的压损呈正比变化。考虑到螺杆式压缩机的性能,在确保进气控制阀具有足够的阀打开力的同时,进气控制阀的压损一般也需控制在25~30kPa范围内,否则对压缩机的性能影响较大。

图3 进气控制阀的压损与阀打开力的关系

3.2 阀打开力与阀体吸气侧筒直径的关系

进气控制阀的活塞缸直径Dg和活塞盖直径Dsg确定后,在进气控制阀压损一定的情况下,阀体吸气侧筒直径Ds是影响进气控制阀打开的一个因素。从式(6)可知,阀打开力与阀体吸气侧筒直径Ds的平方呈正相关。阀打开力与吸气侧筒直径的关系如图4所示。

图4 阀打开力与吸气侧筒直径的关系

3.3 阀打开力与弹簧力的关系

在进气控制阀中,弹簧起到机械缓冲作用,在对阀打开的贡献方面,弹簧力在理论上越小越好,所以一般在实际中弹簧力不必太大。在进气控制阀筒径为50mm时,进气控制阀前后压差在10kPa的情况下,从图5和图6可以看出,在进气控制阀前后压差和吸气侧筒直径一定时,弹簧力减小值就是阀打开力的增大值,因此适当减小弹簧力也是增大阀打开力的一个有效措施。

图5 弹簧力和进气控制阀前后压差对阀打开力的影响

图6 弹簧力和吸气侧筒直径对阀打开力的影响

4 进气控制阀可靠性影响的因素分析

进气控制阀关阀的力一般都是几百牛顿或上千牛顿,关阀的可靠性是很容易确保的。由于进气控制阀打开力与作用在进气控制阀前后的压差有关,即进气控制阀的压损影响阀打开力。螺杆式压缩机从性能方面考虑,进气控制阀的压损不能太大。因此,阀打开力由于进气控制阀压损要小的原因而不会太大,但是也必须确保进气控制阀的可靠打开。所以,在设计上必须对阀的压损大小与阀的打开力大小综合考虑,在确保阀打开可靠的情况下,阀的压损要较小。

由于进气控制阀的压损最大要求只有几十千帕,导致进气控制阀的打开力也不大,一般几十牛顿而已。由于弹簧力是一阻碍阀打开的力,因此在起到一定缓冲作用的前提下,弹簧力尽可能小,这样对提高进气控制阀打开的可靠性是有利的,适当减小弹簧力值也是阀打开力增加的一个便捷改进的措施。

5 结束语

对内置活塞式进气控制阀在螺杆式压缩机上的应用原理与作用进行阐述,同时对控制阀的受力情况进行分析,认为进气控制阀的压损、吸气侧的筒直径及其弹簧力大小是影响阀打开力大小的几个因素。在进气控制阀的设计上,螺杆式压缩机的性能和进气控制阀可靠性必须综合考虑,在确保阀打开可靠的情况下,阀的压损要较小。


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标签:螺杆式压缩机 进气控制阀 阀打开力

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