張子行(中海油東方石化有限責(zé)任公司，海南 東方 572600)

0 引言

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，建立了氣體壓力脈動(dòng)和管接頭的分析模型。利用該模型分析了氣體壓力脈動(dòng)和管壁共同作用下，關(guān)鍵參數(shù)對(duì)管道系統(tǒng)激振力和振動(dòng)變化趨勢(shì)的影響。利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，研究結(jié)果可為油氣管道的安全評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)，為管道力學(xué)性能的研究提供參考。

1 活塞式壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)概述

多年來(lái)，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，由大型和相對(duì)較慢速度的往復(fù)式壓縮機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)組成的裝置，無(wú)論是在進(jìn)氣側(cè)還是在排氣側(cè)，都存在脈動(dòng)問題。最近，隨著大規(guī)模引進(jìn)自由活塞氣體發(fā)生器，脈動(dòng)流動(dòng)問題變得特別尖銳，由于這種發(fā)生器的獨(dú)特運(yùn)作方式，而且它們通常是分組安裝的，從一個(gè)共同的空氣歧管取出，送到一個(gè)共同的排氣管，因此對(duì)這種脈動(dòng)特別敏感，必須對(duì)這個(gè)問題采取嚴(yán)格的辦法。

本文專門討論進(jìn)氣系統(tǒng)，它通常由兩個(gè)不同的元件組成，即每個(gè)氣體發(fā)生器的單獨(dú)的阻尼系統(tǒng)和整組氣體發(fā)生器的共同管道系統(tǒng)，各個(gè)阻尼系統(tǒng)從中吸取空氣供應(yīng)。單獨(dú)的阻尼系統(tǒng)采用一個(gè)或兩個(gè)大型平滑室或阻尼能力的形式，通過文丘里形的管道相互連接(當(dāng)使用兩個(gè)室時(shí))和公共管道系統(tǒng)，氣體發(fā)生器通過管道從這些平滑室吸入空氣，這些管道可以安排給一些沖壓效果，最終改善容積效率。各個(gè)阻尼系統(tǒng)的目的是確保到達(dá)共管系統(tǒng)的脈動(dòng)幅度足夠低，以防止有害脈動(dòng)，這種脈動(dòng)可能會(huì)損壞空氣過濾器，甚至損壞附近的財(cái)產(chǎn)，特別是如果共管系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生共振[1]。

2 脈流測(cè)量技術(shù)研究

脈動(dòng)流是由周期性的振蕩流疊加在定常流上形成的，可能出現(xiàn)在層流、過渡流和紊流流型中。在任何幾何形狀或流動(dòng)狀態(tài)下，脈動(dòng)和穩(wěn)定流動(dòng)的行為，包括內(nèi)部流動(dòng)中邊界層的分離和再附著，以及向湍流過渡的性質(zhì)之間有許多不同，不同類型的活塞式壓縮機(jī)和微型泵的工作原理是在泵腔內(nèi)確定一個(gè)振蕩速度。

在一種活塞式壓縮機(jī)中，需要一個(gè)連接到進(jìn)出口閥門的泵腔進(jìn)行流量精餾。當(dāng)隔膜在膨脹模式下偏轉(zhuǎn)時(shí)，泵室膨脹導(dǎo)致腔室壓力降低。當(dāng)進(jìn)口壓力大于腔室壓力時(shí)，進(jìn)口閥打開，液體充滿膨脹腔。在壓縮模式下，腔室的容積隨著隔膜的移動(dòng)而減小，導(dǎo)致內(nèi)部壓力增加，從而使液體通過出口閥排出。在另一種活塞式壓縮機(jī)中，壓力波動(dòng)是通過建立線性或非線性駐波實(shí)現(xiàn)的。振蕩速度的精確測(cè)量應(yīng)用于這些類型的泵和微泵的設(shè)計(jì)改進(jìn)。

3 活塞式壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)與管道振動(dòng)分析

活塞內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的氣動(dòng)完美性在很大程度上決定了氣體交換過程的質(zhì)量，以及燃料與空氣的混合現(xiàn)象和隨后的點(diǎn)火現(xiàn)象。大尺度或小尺度湍流渦的存在對(duì)進(jìn)氣道的流體動(dòng)力阻力有重要影響。工作流體在氣缸內(nèi)的紊流程度決定了混合空氣和燃料的條件。基于渦輪壓氣機(jī)的流動(dòng)數(shù)值模擬，大量的科學(xué)工作致力于研究渦輪壓氣機(jī)與非渦輪壓氣機(jī)氣-氣系統(tǒng)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。物理和數(shù)學(xué)模型通常是執(zhí)行靜止氣體流動(dòng)，但有研究脈動(dòng)流。此外，近年來(lái)還利用光學(xué)方法(高速PIV 方法)對(duì)系統(tǒng)中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在大多數(shù)情況下，這些研究只提供了一個(gè)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的直觀圖像，在此基礎(chǔ)上，只能假設(shè)規(guī)模的紊流管道和發(fā)動(dòng)機(jī)缸。渦輪壓縮機(jī)的安裝使得燃?xì)?空氣系統(tǒng)的氣動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生了顯著的變化。估算 TC 壓氣機(jī)葉片裝置對(duì) PICE 進(jìn)氣系統(tǒng)脈動(dòng)流湍流結(jié)構(gòu)和規(guī)模的影響程度是一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和研究任務(wù)的制定

在單缸 PICE (缸徑82 mm，活塞行程71 mm)和增壓機(jī)TKR6 組成的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。一個(gè)帶有混頻器的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器被用來(lái)旋轉(zhuǎn)曲軸。這些研究是在沒有燃料燃燒的情況下進(jìn)行的。PICE 曲軸轉(zhuǎn)速的變化范圍為600～3 000 r/min。渦輪壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子通過向渦輪葉片提供壓縮空氣的方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。渦輪壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?gòu)?0 000～60 000 r/min 不等。根據(jù)PICE 氣缸內(nèi)空氣流動(dòng)與渦輪壓縮機(jī)性能的協(xié)調(diào)，選擇了發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪壓縮機(jī)的工作模式。進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為： 風(fēng)管長(zhǎng)300 mm，壓氣機(jī)出口通道長(zhǎng)150 mm，通道內(nèi)徑32 mm。研究的進(jìn)氣系統(tǒng)是沒有充電空氣冷卻器。帶有傳感器的控制部分距離氣缸蓋的輸入窗口150 mm。采用溫度為20～25 ℃(發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú) TC)、溫度為35～45 ℃(PICE 加 TC)的空氣作為工作介質(zhì)。

在這項(xiàng)工作中，考慮到氣體動(dòng)力學(xué)的非平穩(wěn)性，對(duì) PICE 進(jìn)氣系統(tǒng)的氣體流動(dòng)進(jìn)行了研究。在研究的第一階段，對(duì)無(wú)渦輪壓縮機(jī) PICE 液壓系統(tǒng)的流動(dòng)進(jìn)行了氣動(dòng)力學(xué)研究。在這種情況下，空氣運(yùn)動(dòng)的物理機(jī)制是發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的真空波。第二階段研究了帶透平壓縮機(jī)的 PICE 液壓系統(tǒng)的氣體動(dòng)力學(xué)特性。在這種情況下，空氣運(yùn)動(dòng)的物理機(jī)制發(fā)生了變化： 運(yùn)動(dòng)的源頭已經(jīng)是渦輪壓縮機(jī)后的壓縮波(超壓)。此外，TC 型離心壓縮機(jī)的葉片單元對(duì)液壓系統(tǒng)中的脈動(dòng)空氣流動(dòng)具有機(jī)械效應(yīng)。這將導(dǎo)致空氣流動(dòng)的結(jié)構(gòu)和氣體動(dòng)力學(xué)參數(shù)發(fā)生重大變化。在第三階段，提出了在 TC 壓縮機(jī)輸出通道中安裝調(diào)平柵(蜂窩狀原理)來(lái)穩(wěn)定液壓系統(tǒng)中脈動(dòng)氣流的方法。這一原理常用于流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，以控制氣體流動(dòng)的性質(zhì)[2]。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1 顯示了帶渦輪壓縮機(jī)和不帶渦輪壓縮機(jī)的 PICE 在工作循環(huán)過程中進(jìn)氣系統(tǒng)流速w和壓力隨時(shí)間的變化。給出了渦輪壓縮機(jī)不同運(yùn)行方式和不同液壓系統(tǒng)配置(有或沒有調(diào)平柵)的數(shù)據(jù)。從圖1 可以看出，在 PICE 的進(jìn)氣系統(tǒng)中存在一個(gè)渦輪壓縮機(jī)，導(dǎo)致在進(jìn)氣過程和關(guān)閉閥期間功能wx=f(τ)的明顯變化(圖1(a))。可以注意到，空氣流速的最大值增加了(約10%～15%)，并且在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)中觀察到進(jìn)氣道內(nèi)空氣流速的更明顯的振蕩現(xiàn)象。可以認(rèn)為，它們與 TC 離心壓縮機(jī)葉片裝置的影響有關(guān)，葉片裝置是液壓系統(tǒng)中脈動(dòng)流動(dòng)的外部紊流源。曲線px=f(τ) 的類型主要取決于液壓系統(tǒng)中渦輪壓縮機(jī)的存在與否(圖1(b))。帶透平壓縮機(jī)的 PICE 液壓系統(tǒng)壓力脈動(dòng)平滑，工作循環(huán)中平均壓力值增大。圖1 中，曲線1 的條件是：PICE 無(wú)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min；曲線2 的條件是：PICE 有 TC，轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min，轉(zhuǎn)速n=46 000 r/min；曲線3 的條件是：PICE 有 TC，進(jìn)氣系統(tǒng)調(diào)平柵(n=1 500 r/min，轉(zhuǎn)速nτc= 46 000 r/min)。

圖1 不同工況下活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)局部參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律

為了穩(wěn)定脈動(dòng)氣流，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道前端的 TC 壓縮機(jī)輸出通道上安裝了一個(gè)平衡網(wǎng)格(基于蜂窩原理)。從進(jìn)氣系統(tǒng)和水平柵液壓系統(tǒng)中氣流速度的頻譜振幅圖中可以看出，由于Aw(f)曲線的形狀不變，水平網(wǎng)格的安裝不會(huì)引起流體結(jié)構(gòu)的變化。此外，有意義的頻率和它們的多重性不改變。應(yīng)該注意的是，在有調(diào)平柵的液壓系統(tǒng)中，氣流速度的脈動(dòng)幅度平均減少了15%。這表明脈動(dòng)流的穩(wěn)定，可以改善氣缸的充氣，以及提高TC 的 PICE 液壓系統(tǒng)零件和組件的可靠性[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，本文通過對(duì)帶渦輪壓縮機(jī)和不帶渦輪壓縮機(jī)的PICE 液壓系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)wx=f(τ)和px=f(τ)的譜分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)渦輪壓縮機(jī)的安裝導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的氣體流動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化：低頻(高達(dá)45%)和高頻(高達(dá)25%)的速度脈動(dòng)幅值增加，同時(shí)保持重要頻率的頻率多重性；

(2)譜分析提供了關(guān)于不同液壓系統(tǒng)中流動(dòng)的物理機(jī)制的詳細(xì)信息；

(3)渦輪壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大小對(duì)速度wx和px脈動(dòng)的低頻振幅(高達(dá)50 Hz)有重大影響，同時(shí)保持重要頻率的頻率多重性。