氢气高压及超高压隔膜压缩机的隔膜应力分析及腔体轮廓优化

《Renewable Energy》：Diaphragm Stress Analysis and Cavity Profile Optimization for Hydrogen High- and Ultra-High-Pressure Diaphragm Compressors

　　

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  开发了一个考虑了绝对油气压力载荷的三维应力模型。
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  分析了绝对压力对隔膜应力和腔体优化的影响。
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  绝对压力在高压下的挤压效应降低了隔膜应力。
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  在270 MPa的压力下，优化使腔体体积增加了66.19%，或半径减少了13%。

引言

化石燃料的枯竭和碳排放的增加加剧了全球气候挑战[1]，使得低碳转型成为国际上广泛认可的共识[2]。受碳中和目标的驱动，能源结构正在转向清洁和可再生能源，以减少对传统化石燃料的依赖[3][4]。预计到2040年，可再生能源将占全球电力供应的40%[5]。由于氢具有较高的热值、零碳排放以及多种应用形式[8]，它在可再生能源系统中发挥着关键作用。与抽水蓄能和电化学储能相比，氢具有无污染运行、不受地理限制的优势，并且在高能量密度和长时储能方面具有优势，因此它是支持“双碳”目标并建立新的能源系统的重要途径[8]。然而，氢的体积能量密度较低[9]，这给储存和运输带来了重大挑战，高压压缩和安全运输成为产业链中的关键瓶颈[10][11]。为了扩大氢的应用，开发紧凑且耐用的高压压缩解决方案已成为建设氢基础设施的关键前提。隔膜压缩机凭借其无油压缩、高压缩比和优异的气体纯度等优点[12][13]，已成为高压氢压缩的核心设备。其结构完整性和流量能力直接决定了氢储存和运输系统的经济可行性和可靠性。因此，隔膜压缩机的结构优化和性能提升是当前研究的重点[14]。

隔膜是隔膜压缩机中承受核心载荷且最容易发生故障的部件。其应力分布和大小直接影响到压缩机的可靠性和使用寿命，同时也是腔体轮廓优化的关键因素。Jia等人[15]结合了小变形板和大变形板理论，研究了隔膜与分配板接触引起的强度失效，并提出了结构优化方法。他们的研究发现，增加隔膜厚度或减小沟槽宽度可以显著降低隔膜与板完全接触时的最大径向应力。Liu等人[16]对比了隔膜应力的静态和动态结构分析，并进一步在失效条件下进行了评估，证明了动态分析对于准确评估失效的必要性。Hou等人[17]使用双向流体-结构相互作用（FSI）开发了一个低压隔膜压缩机的全周期模型，发现最大应力发生在隔膜边缘，那里的损伤积累可能导致周向断裂。Li等人[18]研究了油气压力差对隔膜性能的影响，观察到等效应力表现出非单调趋势——最初增加，然后减少，再增加。Lee等人[19]进行了有限元分析，研究了301不锈钢在各种工况下的应力行为，发现特氟龙涂层显著提高了其作为隔膜材料的表面性能。Long等人[20]将零维热力学建模与三维有限元分析相结合，表明在超高压条件下，粘度引起的油压增加加剧了靠近缸头进出口处的应力集中。

腔体轮廓是控制隔膜变形行为、优化应力分布和提高腔体体积的关键。现有研究主要集中在优化腔体轮廓配置以改善隔膜应力特性上。Li等人[21]提出了一种新的生成函数，该函数包含三个指数项，使腔体体积增加了约10%，最大径向应力减少了13.8%，中心区域的应力减少了高达19.6%。Chen等人[22]通过实验验证了这一设计，确认新的生成函数有效地将峰值径向应力从中心区域移开，并避免了排放孔处的应力叠加。Jia等人[23]进一步评估了新生成函数对间隙体积和流量的影响，发现它引入了额外的间隙体积，同时将压缩机流量降低了4%以上。Solovev等人[24]提出了一种弹性折叠的双稳态隔膜结构，与传统平面隔膜相比，有效增加了压缩体积。Zhao等人[25]采用MOPSO算法获得了以腔体体积和曲线弧长为优化目标的新腔体轮廓。在相同的最大径向应力条件下，这种轮廓使腔体体积相比单一指数曲线增加了5.56%。在相同的腔体体积条件下，气体侧和油侧的应力分别减少了8.9%和9.8%。Sun等人[26]系统地比较了三种腔体轮廓——单一指数、双指数和双弧形轮廓，发现双弧形轮廓在腔体体积和隔膜应力方面具有更好的性能。

现有的隔膜应力分析主要依赖于薄板大变形理论，假设平面应力状态，仅考虑由油气压差引起的弯曲和拉伸应力。虽然有一些研究通过有限元分析（FEA）或实验考虑了绝对油和气压力，但这些研究仅限于低压范围，无法捕捉到高绝对压力下的压缩挤压效应[17]。因此，传统模型预测的应力可能与实际高压条件下的应力有所偏差。这种局限性可能导致高压隔膜压缩机的强度评估和腔体结构优化出现差异，从而影响设计的经济性。随着基于可再生能源的氢能系统的迅速发展，加氢站的隔膜压缩机排放压力已升至90 MPa[27]，特殊应用中的压力甚至高达260 MPa[20]。这一趋势凸显了同时考虑压差变形和绝对压力挤压效应的紧迫性，而本研究旨在填补这一空白。

本研究通过Abaqus二次开发，建立了一个三维有限元模型用于隔膜应力分析，考虑了绝对油气压力载荷。关键的是，基于广义胡克定律的三轴应力分析被制定出来，以阐明随着绝对压力的增加，平面应力减少的泊松介导机制。这揭示了传统基于压差应力估计与实际高压下的三轴应力状态之间的定量差异。在此经过验证的框架基础上，根据实际应力约束进行了腔体轮廓优化，旨在在确保整个运行周期的结构可靠性的同时，最大化腔体体积或最小化隔膜半径。所提出的方法为高压隔膜压缩机的设计提供了严格的基础，支持可再生能源系统的稳健氢能基础设施。

章节片段

方法

隔膜压缩机的结构示意图如图1所示。隔膜将压缩机腔室分为气体腔室和油腔室。活塞运动产生的位移通过液压油传递给隔膜，驱动隔膜变形，从而改变气体腔室的体积，实现气体压缩、排放、膨胀和吸吮过程。在运行过程中，隔膜的上表面和下表面

仿真模型验证

根据实验条件，通过理论分析和数值仿真得到了隔膜在最大变形时的应力。三种方法的应力分布如图8所示。模拟应力与理论结果一致。远离边缘区域，径向应力的最大偏差为7.79%，周向应力为5.39%。在隔膜边缘附近，由于差异较大，偏差更为明显

结论与展望

本研究建立了一个考虑三轴应力状态的隔膜应力仿真模型，以研究绝对油气压力载荷的影响。进一步分析了隔膜半径和厚度对压力载荷应力敏感性的影响，并基于模拟应力结果进行了腔体轮廓优化。主要发现如下：

研究结果揭示了绝对油气压力载荷影响隔膜应力分布的机制

CRediT作者贡献声明

吕远：资源管理、项目协调。李云：撰写-审稿与编辑、监督、资金获取。刘冠南：调查、数据管理。严毅：撰写-审稿与编辑、概念构思。龙尧梅：撰写-初稿、软件开发、方法论、正式分析、数据管理

未引用参考文献

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写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作期间，作者使用了ChatGPT来检查语法。使用该工具后，作者根据需要进行审阅和编辑，并对出版物的内容负有全部责任。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

龙尧梅|严毅|刘冠南|李云|吕远