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1、 气流脉动分析软件（气流脉动分析软件（GPA2.0） ） 使用说明书 使用说明书 西安交通大学压缩机研究所西安交通大学压缩机研究所 Tel: 86-29-82663785 Email: 2010 年年 01 月月 1 软件适用范围 本软件适用于所有活塞式压缩机吸、排气管道（包括级间管道）系统气流脉动的分析和评价。特别地，该软件与 API618 标准中 7.9 款所规定的近似设计方法 2 相符合。 2 软件功能 本软件根据平面波动理论对活塞式压缩机管道系统进行声学模拟，从而计算管道系统的气柱固有频率、 管道系统任意位置的气流脉动， 在此基础上，软件结合 API618 中针对气流脉动的有关规定，
2、对管道系统的气流脉动状况进行了评价，并根据评价结果提出管道系统设计修改意见和建议。 3 软件使用方法 3.1 软件安装 软件使用环境为 WINDOWS2000 及更高版本，将安装盘拷贝到用户指定的任意目录，首先安装 Microsoft .NET Framework 2.0 组件，若计算机已安装过可跳过此步，然后运行 SETUP.EXE，根据提示完成安装。 3.2 软件使用准备工作 3.2.1 正如所有有限元分析软件一样，气流脉动分析软件需要用户在软件使用前进行必要的数据准备工作。数据准备的核心任务是对管道系统的参数描述，以及结构的离散化。 3.2.2 独立的气流脉动管道系统通过压缩机气缸来辨识
3、，即压缩机和壳管式冷却器将相连接的管道系统划分成不同的管道系统。例如，压缩机的吸气管道与压缩机的排气管道在气流脉动分析是被认为属于不同的管道系统。应该注意，气流脉动分析软件每次只能对一个独立的管道系统进行分析。当然，一个管道系统分析结束后，可以继续对另一个管道系统进行分析。 3.2.3 对于任意独立的管道系统，用户需要对管道系统进行结构离散，即将一个复杂的管道系统划分为若干个简单的管道元件（单元） ，软件会自动给单元一个唯一识别的编号，同时，软件会自动给单元的两端（节点）分配编号，分支单元的分支端也有一个编号，这样除分支单元有三个节点外，其它单元都是两个节点。对于常见的压缩机管道系统，可以将其
4、划分成如下几种单元：等截面直管、突变截面(异径管)、容器、分支管（三通） 、阀门或孔板。 3.2.4 各个单元还需要必要的几何参数、热力参数等，参见 3.3.2。 3.2.5 管路末端的节点属于边界节点，用户需要提供边界节点的如下信息： （1）边界节点性质，即该边界属于开口端、闭口端还是压缩机端。与大容器或大气环境相同的边界属于开口端（近似认为该处无压力脉动） ；封闭的盲管、堵头、关闭的阀门则属于闭口端；与压缩机气缸相邻的位置则属于压缩机端； （2）对于压缩机端，还需要明确属于吸气端还是属于排气端，气缸是单作用还是双作用，单作用气缸还需明确管道在轴侧还是在盖侧；压缩机端边界节点其它参数参见 3
5、.3.6。 3.2.6 在单元、节点划分中，需要特别注意的是冷却器的处理。对于列管式或壳管式冷却器，一般将其等效为直管单元，需要将其等效管径、管长计算出来，等效管内的压力、温度取冷却器进出口的平均压力、温度。由于等效管径一般不会与冷却器两端管道内径相同，因此，用户在划分单元时，必须同时将冷却器两端各增加一个异径管单元。 3.2.7 单元及节点编号完成后，需要用户明确每个单元的如下特性： （1）单元属性，即何种类型的单元； （2）单元所在层次，一个独立的管路系统可以划分为主管路和分支管路。计算模型的第 1 层必须为主管路，主管路上的分支为第 2 层、第 3 层等，若分支管路上还有其它分支则继续增
6、加层数，即遇到一个分支管必须增加一层管路。若管路系统中没有分支单元则管路只有一层。当前版本最大可以计算到 9 层管路。注意：各个管道单元的层次对计算能否正确实施有决定性作用，软件计算时由最高层依次递减往第 1 层计算，在计算到某一层的管路时须保证该层管路上的分支都已计算过； （3）单元起始节点、终止节点编号，任意单元两端都存在节点，但这两个节点有起始与终止之分。对于主管路，用户需要假定一个方向（该方向可以与实际流动方向不一致） ，起始节点与终止节点就根据用户人为指定的这个方向来区分；对于分支管路，无一例外地将由分支端开始的方向作为正方向，起始节点与终止节点就根据这个方向来区分。 3.2.8 软
7、件采用国际单位制（SI） ：米(m)、立方米/秒(m3/s)、帕(Pa)、角度()、千克/立方米(kg/m3)、转/分钟(rpm)、开氏温标 K(绝对温标)。 3.3 软件使用 3.3.1 双击桌面上的“气流脉动分析软件”图标，出现如图 1 所示的软件启动界面，鼠标单击此界面，进入如图 2 所示的主界面。 图 1 图 2 主界面是典型的 Windows 软件风格，左上角第一栏是菜单栏，功能选项基本在第二栏的工具条中。左侧有“单元参数”、“边界条件”、“公共参数”三个选择项，点击出现相应的参数页。 3.3.2 建立计算模型是从“单元参数”页开始的。计算模型必须由第 1层开始输入。单元序号由软件自
8、动生成，无须更改，如图 3 所示，从单元类型下拉框中可以选择单元的类型，接下来是单元的几何参数，若用户对摩擦系数具体值不了解，请按默认值给。参数输入完毕，点加号按钮即可添加一个单元。当单元类型是分支时，弹出如图 4 所示的对话框，需要输入分支单元的连接层。如 3.2.4 中所述，遇到分支时必须增加一层管路，因此分支必然连接两个层次的管路。添加分支单元后继续添加该层的管路单元，连接层的单元是在该层管路输入完后再去添加。实际管路中会有很多阀门，若阀门是全开状态，阀门前后的单元处于全联通状态，不受阻，也就不需要建立阀门单元；若阀门是完全关闭状态，则在阀门处是闭口边界端。 图图 3 图图 4 需要注意
9、的是添加各层管路单元时必须严格按单元顺序输入，在添加某一层的管路单元时软件默认添加的下一个单元与上一单元连接。另外在添加主管路以外的分支管路时，必须从分支点这一端开始添加单元。 3.3.3 添加单元后软件会自动给单元一个唯一识别的编号，另外除分支有三个节点外，其它单元只有两个节点，代表起始、终止节点，如图 5 所示。单元编号和节点编号的区别在于单元编号有代表单元类型的首字母，如编号ZG-1101 中，ZG 是直管的缩写，RQ 代表容器。单元和节点的数字编号的头两位有特殊的意义，第一个数字代表单元所属层次，第二个数字代表单元的连接层。由于只有分支单元与其它层相连，所以只有分支单元的头两位数不同，
10、而其它单元的头两位数相同。单元编号的最后两位数字表示单位在该层管路里序号，节点编号的最后三位数字起始或终止节点的序号。如ZG-1105 表示直管单元， 它的位置是第 1 层管路的第 5 个单元。 需要注意的是单元编号和节点编号全部由软件生成，不能修改，如图 5 所示，表 2-单元特征参数如直管的长度、内径、摩擦系数可以更改，即列标签是“值”的三列都可以修改。若单元输入参数错误或改变管路参数以优化配管设计降低脉动幅值，可以方便的直接修改。 图图 5 3.3.4 管路单元添加完毕后，单击 “边界条件”标签项，出现如图 6 所示参数页。软件自动判断出边界节点，判断原则是主管路的首、末节点和分支管路的
11、末节点。用户需要输入所有边界节点性质（开口端、闭口端、压缩机端） ，若边界节点为压缩机端，则需要进一步选择压缩机端管道是吸气管还是排气管，是单作用盖侧气缸、单作用轴侧气缸还是双作用气缸，并输入气缸直径、曲轴旋转半径、连杆比、相对余隙、压力比、曲柄滞后角，以及与压缩机相邻管道内径、管道内的气体温度、气体平均压力。所有参数输入并检查无误后，单击“设定” 。 图图 6 图图 7 3.3.5 点击“公共参数”标签，此参数页需要输入曲轴转速、绝热指数、膨胀指数、气体常数、平均压力参数，如图 7 所示。平均压力是指所分析的管道系统内的不考虑脉动状态下的压力，若不考虑流动阻力，所分析的管道系统内任意管道内平
12、均压力应该是相同的。 3.3.6 最后设定各单元流量、温度、密度等参数。下面以流量设定为例，点击工具条“流量”按钮，打开流量设定界面。可以在图 8 所示在“流量”标签列选定需要设定的单元，输入数值，按回车键即完成该单元流量设定。也可以选择“全部重设” ，然后再选择要设定的单元，输入流量。温度、密度的设定方法相同。 图图 8 3.3.7 单击“开始计算”按钮，进度条显示计算进程。计算结束后，工具条上“计算结果文档” 、 “气柱固有频率” 、 “压力脉动波形” 、 “压力脉动幅值”按钮可用。 3.3.8 此时，点击工具条按钮可查看相应结果。 （1）压力脉动波形观察。在工具条上单击“压力脉动波形”
13、，弹出如图9 所示图文框，图形显示该节点在一个周期内的脉动波形。 图图 9 （2）脉动压力幅值分布图。单击“压力脉动幅值”按钮，出现如图 10所示图文框，图形显示了管道系统内各节点脉动压力相对幅值（峰峰值） 。 图图 10 （3）气柱固有频率结果图。单击“气柱固有频率”按钮，出现如图 11所示图文框，图形显示了管道系统的前 12 阶气柱固有频率。 图图 11 （4） 计算结果文档除包括前面几项计算结果外还有频谱分析报告和根据API618 设计的缓冲器容积值。单击“计算结果文档” ，打开如图 12 所示窗口，点击“查看”菜单，选择需要查看的结果选项。 图图 12 4 软件应用实例 图 13 是某
14、压缩机的一级进气管路系统：气体从一级进气总管路(单元 1)分两路经各台压缩机进气气液分离器进入各压缩机分支管路，经各压缩机一级进气缓冲罐 （两个气缸共用一个缓冲器） ， 然后进入双作用压缩机气缸 （两个一级气缸） 。按照声学模拟方法，在建立计算模型时，该压缩机管路系统作为独立的管路系统进行分析。 图图 13 表 1 一级进气压缩机系统主要技术规格 内容 参数 内容 参数 运行方式 A/B 同时运行 活塞行程 250mm 型式 双作用 额定转速 420r/min 进气压力 0.5 MPa 级压力比 3.0 排气量 157Nm3/min 吸气温度 36 额定排气压力 1.5MPa 相对余隙 0.0
15、917 气缸直径 425mm 连杆长度 580mm 两台压缩机并联运行时，各压缩机不可能随时保持相同相位，会使管路内不同位置的气流脉动情况受相位角的影响，出现两台压缩机激发的脉动波有时相互叠加，有时相互抵消部分脉动。为保证管路设计安全起见，本计算按最恶劣情况考虑，即按两台压缩机分别激发时管路各处的脉动幅值线性叠加的方法处理。 气流脉动模拟将分以下步骤进行： 步骤 1：管路结构离散化及层次划分。 图 13 管路系统被划分为 44 个单元， 50 个节点 （带圆圈的数字代表单元，不带的是节点） 。由于两个气缸共用一个缓冲罐容器，两气缸排气有相位差，而计算模型只能识别一个气缸连一个容器的情况，若把缓
16、冲罐当成两个输入则隔离了两个气缸的相位关系，所以虽然物理上是一个缓冲罐容器，但在计算模型中将它等效成一个分支管和两个大直径的直管，如图中的 13、14、17 单元组合起来是一个容器，33、34、37 单元组合起来也是容器。 在计算模型中节点 17，21，39，43 为压缩机进气边界条件，因 47 节点所在分支管路没有流量，故节点 47 为闭端边界条件。因进气总管路经相对较长管路无容器缓冲进入压缩机分支管路，故节点 1、50 按闭端边界条件处理。 管路层次划分首先指定主管路，主管路是人为划分的，并不一定是实际中的主管道。如图 13 所示，1-16 单元定为主管路即第一层。接下来划分分支管路层次，软件在计算时根据转移矩阵法从最高层往第一层汇集，犹如河流从支流源头向主干道汇流。划分分支层的原则是：遇分支增加一层，若分支管路上还有分支，保证分支上的分支是最高层。据此原则 17-19 单元为第二层，20-36 单
