本發(fā)明屬于離心式空氣壓縮機的研究方法,涉及一種超高速離心式空氣壓縮機高空特性分析方法,特別是航空用超高速離心式空氣壓縮機在高空狀態(tài)下的特性研究方法。
背景技術(shù):
能源與環(huán)境問題給航空技術(shù)提出了更高的要求,氫燃料電池利用氫氣與氧氣的電化學反應,產(chǎn)生電子在外回路的流動,從而產(chǎn)生電能。氫燃料電池動力飛機具有噪音小、運行溫度低、易于維護、綠色環(huán)保等優(yōu)點,在軍用與民用航空領(lǐng)域都有廣闊的運用空間,是航空工業(yè)發(fā)展的一個重要方向。
空氣壓縮機是氫燃料電池系統(tǒng)中最大的能量消耗設(shè)備,在最嚴重的情況下,可消耗約20%燃料電池所產(chǎn)生的能量。相對于容積式空氣壓縮機,離心式空氣壓縮機具有體積小、重量輕、流量輸出連續(xù)、噪音小、效率高等優(yōu)點,從重量與氣體流量方面考慮,離心式空氣壓縮機更適合于航空用燃料電池系統(tǒng)。
離心式空氣壓縮機的工作特性一般用轉(zhuǎn)速、流量、壓力三者之間的關(guān)系來描述,高空環(huán)境下,離心式空氣壓縮機的進口空氣壓力遠低于標準大氣壓,由于進口壓力的改變,輸出的壓力、流量、轉(zhuǎn)速三者的關(guān)系隨之改變。建立高空條件下離心空氣壓縮機的模型,分析轉(zhuǎn)速、流量、壓力三者之間的耦合關(guān)系,有助于研究離心式空氣壓縮機高空環(huán)境下的工作特性。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
要解決的技術(shù)問題
為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處,本發(fā)明提出一種超高速離心式空氣壓縮機高空特性分析方法,該方法考慮了在運行高度不斷變化的情況下,離心式空氣壓縮機壓力、流量及轉(zhuǎn)速的動態(tài)特性關(guān)系。
技術(shù)方案
一種超高速離心式空氣壓縮機高空特性分析方法,其特征在于步驟如下:
步驟1:查詢得到某一高度范圍內(nèi)的空氣壓力和空氣密度,隨高度的變化關(guān)系數(shù)據(jù);
以空氣壓力作為壓縮機入口空氣壓力,與高度數(shù)據(jù)進行擬合,得到空氣壓力與高度關(guān)系表達式p0(h)=0.9864-8×10-5h
以空氣密度作為壓縮機入口空氣密度,與高度數(shù)據(jù)進行擬合,得到空氣密度與高度關(guān)系表達式ρair(h)=1.25-0.0001h
所述高度范圍0~20000米,變化階梯為1000米;
步驟2:建立高空條件下離心式壓縮機靜態(tài)模型
p=ψc(ω,m,h,T0)·p0(h)
其中,
式中,ω為轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度,m為壓縮機輸出氣體質(zhì)量流量,h為壓縮機運行高度,T0為入口停滯溫度,r1為平均引導半徑,r2為葉片半徑,kf為流體摩擦因子,cp為恒壓下的特定溫度,cv為恒體積下的特定溫度,比熱容比K=cp/cv,β1b為葉片入口角度,β2b為轉(zhuǎn)子葉片角度,ρair(h)為入口流體密度,A1為流通面積,σ為滑移因子;
步驟3:建立高空條件下離心式壓縮機動態(tài)模型
式中,p為氣體壓力,Vp為容腔的體積,m為壓縮機輸出氣體質(zhì)量流量,mt(p)為節(jié)流閥出口處的氣體質(zhì)量流量,A1為流通面積,Lc為管道長度,p0為入口壓力,ω為轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度,J為壓縮機慣性指數(shù),τd為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,τc為壓縮機負載轉(zhuǎn)矩所述
kt是與節(jié)流閥開度成正比的參數(shù),查壓縮機性能表得到;
步驟4、超高速離心式空氣壓縮機高空特性分析:條件:在固定高度下,在0~28萬轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速范圍,以階梯3萬轉(zhuǎn)/分改變壓縮機轉(zhuǎn)速;
仿真計算步驟2壓縮機靜態(tài)模型,得到表達某一高度下的離心式壓縮機靜態(tài)工作特性的系列數(shù)據(jù),以系列數(shù)據(jù)得到離心式壓縮機工作特性曲線;
仿真計算步驟3壓縮機動態(tài)模型,得到表達某一高度下的離心式壓縮機動態(tài)工作特性的下列系列數(shù)據(jù),以系列數(shù)據(jù)得到下列離心式壓縮機工作特性曲線:
壓縮機輸出壓力動態(tài)特性以及曲線;
壓縮機轉(zhuǎn)速變化以及曲線;
壓縮機輸出流量動態(tài)特性以及曲線。
有益效果
本發(fā)明提出的一種超高速離心式空氣壓縮機高空特性分析方法,以空氣壓力作為壓縮機入口空氣壓力,與高度數(shù)據(jù)進行擬合,得到空氣壓力與高度關(guān)系表達式;以空氣密度作為壓縮機入口空氣密度,與高度數(shù)據(jù)進行擬合,得到空氣密度與高度關(guān)系表達式;建立壓縮機靜態(tài)和動態(tài)模型,在固定高度下,在0~28萬轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速范圍,以階梯3萬轉(zhuǎn)/分改變壓縮機轉(zhuǎn)速,做仿真計算一系列得到離心式壓縮機工作特性曲線。本發(fā)明的有益效果是:壓縮機在高空狀態(tài)下工作時,高度的變化引起了壓縮機入口空氣密度、入口壓力、空氣比熱容和空氣溫度的變化,高空特性的研究考慮了高度變化對壓縮機壓力、流量及轉(zhuǎn)速特性的影響,保證了壓縮機在高空條件下的高效率運行。
附圖說明
圖1是不同高度下離心式壓縮機工作特性曲線;
(a)3000米高度下離心壓縮機工作特性
(b)5000米高度下離心壓縮機工作特性
圖2是壓縮機高度隨時間變化曲線;
圖3是壓縮機輸出壓力動態(tài)特性曲線;
圖4是壓縮機轉(zhuǎn)速變化曲線;
圖5是壓縮機輸出流量動態(tài)特性曲線。
具體實施方式
現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述:
本發(fā)明的基本思想是針對離心式壓縮機工作高度的變化對壓縮機轉(zhuǎn)速、流量、壓力特性的顯著影響,提出一種超高速離心式空氣壓縮機高空特性研究方法,利用該方法建立的離心式壓縮機靜態(tài)模型與動態(tài)模型,考慮了高度變化對壓縮機特性的影響。
空氣壓縮機為超高速離心式空氣壓縮機,額定轉(zhuǎn)速為250000r/min,額定功率為1kW,輸出壓力比為1.7,最大輸出流量為0.025g/s。
超高速離心式空氣壓縮機工作在高空狀態(tài),隨著高度的增加,空氣壓力、空氣密度隨之減小,高空特性研究方法考慮了高度變化對離心式空氣壓縮機特性的影響。
離心式空氣壓縮機高空特性研究過程中,考慮了壓縮機入口空氣密度隨高度變化的影響,入口壓力隨高度變化的影響。
離心式空氣壓縮機高空特性研究過程中,考慮了空氣比熱容和溫度變化對壓縮機特性的影響,模型搭建過程中將溫度值作為一個干擾量進行考慮,大小可以通過測量進行實時反饋。
體按照以下步驟實施:
步驟1:查詢得到空氣壓力和空氣密度隨高度的變化關(guān)系數(shù)據(jù)。
空氣壓力和空氣密度隨高度的增加而減小,溫度為0℃情況下,空氣壓力和空氣密度隨高度的變化關(guān)系如表1所示。
表1空氣壓力和空氣密度隨高度變化關(guān)系表
表1給出了0-7000m高度下空氣壓力和空氣密度數(shù)據(jù),可根據(jù)壓縮機具體的工作高度添加數(shù)據(jù)。
步驟2:擬合壓縮機入口空氣壓力與高度數(shù)據(jù),得到空氣壓力與高度關(guān)系表達式。
壓縮機的入口壓力為高空環(huán)境壓力,其大小直接影響壓縮機出口壓力,地面標準大氣壓為101325Pa(1bar),空氣壓力隨著高度的增加減小,7000米高空空氣壓力為0.42bar,對離散數(shù)據(jù)進行曲線擬合(對不同精度要求的場合采取不同的擬合方法,此處采用最小二乘法擬合),得到空氣壓力與高度關(guān)系如式(1):
p0(h)=0.9864-8×10-5h (1)
步驟3:擬合壓縮機入口空氣密度與高度數(shù)據(jù),得到空氣密度與高度關(guān)系表達式。
空氣密度影響壓縮機的輸出壓力比,屬于燃料電池反應物,用于發(fā)動機的燃燒,地面環(huán)境的空氣密度為1.29kg/m3,空氣密度隨著高度的增加而減小,7000m高空處的空氣密度為0.573kg/m3,對散數(shù)據(jù)進行曲線擬合(對不同精度要求的場合采取不同的擬合方法,此處采用最小二乘法擬合),得到空氣密度與高度關(guān)系如式(2):
ρair(h)=1.25-0.0001h (2)
步驟5:搭建高空條件下離心式壓縮機靜態(tài)模型。
空氣的比熱容比K在高空低壓和溫度變化下并不敏感,約為1.4。溫度變化對壓縮機特性影響明顯,地面上壓縮機入口空氣溫度假定為常值,可通過測量得到,高空中溫度大小受晝夜溫差、季節(jié)、高度、地理位置等多方面因素影響,將溫度作為一個干擾量,大小可通過測量實時反饋。高空條件下,超高速離心式壓縮機靜態(tài)模型如式(3)
p=ψc(ω,m,h,T0)·p0(h) (3)
其中,
式中,ω為轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度,m為壓縮機輸出氣體質(zhì)量流量,h為壓縮機運行高度,T0為入口停滯溫度,r1為平均引導半徑,r2為葉片半徑,kf為流體摩擦因子,cp為恒壓下的特定溫度,cv為恒體積下的特定溫度,比熱容比K=cp/cv,β1b為葉片入口角度,β2b為轉(zhuǎn)子葉片角度,ρair(h)為入口流體密度,A1為流通面積,σ為滑移因子。
步驟6:搭建高空條件下離心式壓縮機動態(tài)模型。
高速離心式壓縮機的壓力動態(tài)、流量動態(tài)和轉(zhuǎn)速動態(tài)可通過式(7)所示的狀態(tài)方程表示:
式中,p為氣體壓力,Vp為容腔的體積,m為壓縮機輸出氣體質(zhì)量流量,mt(p)為節(jié)流閥出口處的氣體質(zhì)量流量,A1為流通面積,Lc為管道長度,p0為入口壓力,ω為轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度,J為壓縮機慣性指數(shù),τd為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,τc為壓縮機負載轉(zhuǎn)矩。
式(7)中,mt(p)可表示為:
kt是與節(jié)流閥開度成正比的參數(shù)。壓縮機產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩τc與ω、m有關(guān),其表達式為:
步驟7:超高速離心式空氣壓縮機高空特性分析。
基于步驟5搭建的高空離心式壓縮機靜態(tài)模型,得到不同高度、不同轉(zhuǎn)速條件下離心式空氣壓縮機的靜態(tài)工作特性曲線如圖1。
高度一定時,壓力和流量隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。3000m高空環(huán)境下,壓縮機最大輸出壓力約為1.3bar,最大輸出流量為0.021kg/s。5000m高空環(huán)境下,最大輸出壓力不到1.1bar,最大輸出流量為0.0175kg/s。連接不同轉(zhuǎn)速下最大壓力點形成喘振線,喘振線左邊為不穩(wěn)定區(qū)域,從結(jié)果看,隨著轉(zhuǎn)速的增加,喘振線向左移動。
基于步驟6搭建的高空離心式壓縮機動態(tài)模型,得到不同高度條件下離心式空氣壓縮機的動態(tài)工作特性。
壓縮機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩τd恒定為0.03N·m,高度從0到5000m之間動態(tài)變化,變化過程如圖2所示。
壓縮機輸出的壓力動態(tài)過程如圖3所示:
壓縮機輸出壓力隨著高度的增加而減小,壓縮機的轉(zhuǎn)速和空氣流量變化如圖4、圖5所示:
驅(qū)動轉(zhuǎn)矩保持不變的條件下,由式(9)可知,壓縮機轉(zhuǎn)速隨之動態(tài)變化,壓力和流量的變化引起負載轉(zhuǎn)矩的變化。流量的變化受壓縮機出口壓力和轉(zhuǎn)速的影響,在0.015g/s到0.017g/s之間動態(tài)變化,驅(qū)動轉(zhuǎn)矩不變時,輸出流量隨著高度的增加而減小。
通過以上實施步驟,得到不同高度下壓縮機的工作特性,通過搭建的高空離心式壓縮機靜態(tài)與動態(tài)模型,得出在高度動態(tài)變化條件下,壓縮機輸出流量、壓力和轉(zhuǎn)速特性之間的關(guān)系。