【无人机离心压气机工作部件选型案例2100字】

PAGEPAGEI无人机离心压气机工作部件选型案例针对本文的设计目标与要求，选择合理的压气机部件型式。目标离心式压气机包括叶轮、扩压器、蜗壳等组成部分，本节讨论对于各部件型式的选择，叶轮、扩压器及蜗壳等部分的参数计算将在一维热力学计算部分展开。叶轮是离心式压气机中唯一对气体做功、使气体获得能量的元件，其能性能对于整个压气机的性能起着至关重要的作用。按照叶轮的外形结构可分为闭式叶轮、半开式叶轮、双面进气叶轮。闭式叶轮指的是既有轮盖、叶片，又有轮盖的叶轮，闭式叶轮通常拥有较高的效率，所以应用也比较广泛，但是其缺点在于轮盖带来附加重量，导致整体的结构重量相对较大；半开式叶轮指的是有轮盘和叶片但没有轮盖的叶轮，其特点是有较好的强度，有利于提高叶轮出口的圆周速度并获得较高的增压比，其效率相对闭式叶轮较低，但是结构重量较小；双面进气叶轮的主要特点是流量气体流量较大，但是由于部分叶片底部与轮盘不相连接，叶片的强度较差，容易出现振动从而导致工作稳定性变差。半开式叶轮作为闭式叶轮与开式叶轮的过渡，既能相对增大压力比，又使结构紧凑，故采用半开式叶轮的逐渐增多。本文也选用半开式叶轮作为叶轮型式。（a）（b）（c）图3.4叶轮型式闭式（b）半开式（c）双面进气按叶片出口安装角的大小,可分为后弯式叶轮、前弯式叶轮、径向叶轮三种型式。后弯式叶轮：，也称为后向叶轮；前弯式叶轮：，也称为前向叶轮；径向叶轮：。在实际的应用中，使用的最多的是后弯式叶轮，其次是径向叶轮，通常不会使用前弯式叶轮。（a）（b）（c）图3.5三种叶轮型式示意图（a）后弯式叶轮（b）径向叶轮（c）前弯式叶轮（a）（b）（c）图3.6三种叶轮的速度三角形（a）后弯式叶轮（b）径向叶轮（c）前弯式叶轮在三类叶轮进口参数、出口直径、出口宽度、叶轮工质、流量和转速等条件相同时，对比如图的三种叶轮的速度三角形，根据欧拉方程可知，前弯式叶轮做功能力最强，径向叶轮做功能力居中，后弯式叶轮做功最差。但通过欧拉第二方程式，其中，项的作用为提高气体静压并且克服流动损失，而项主要代表了气体动能的增加。对于三类叶轮，项完全相等，只是项不同，因此，前弯式叶轮的做功能力虽然强，但是只用于了提高了叶轮出口的气体动能，并没有用于提高气体静压而克服流动损失，采用前弯式叶轮的压气机的气体动能要在固定件中继续转化为压力势能。一般来说，我们希望叶轮对气体所做的功尽可能多地在叶轮中转化为气体静压的提高（叶轮是压气机中效率最高的元件)，不希望叶轮所做功较多用于提高叶轮出口的速度，因为叶轮出口速度还需要在其后的固定元件中进一步转化为静压能，而气体在固定元件中的流动效率较低，这样不利于获得较高的整级效率。故具有后弯叶片工作轮的压气机，其气体压力的提高主要在叶轮中获得的，故其效率较高，径向叶片工作轮做功能力与效率介于上述两者之间。考虑到工作效率是小型无人机动力系统的关键考虑内容，故本文选择后弯式叶轮进行研究。扩压器的主要功用则是使从叶轮出口流出的气流减速增压，由于环形通道的截面面积随着半径增加而增大，所以气体由内而外流动时气流速度逐渐降低，压力逐渐升高。扩压器通常由两种结构形式，分别是无叶扩压器、叶片扩压器，无叶扩压器通常由两片平行壁面构成环形通道构成，称为等宽度无叶扩压器，其主要通过增加直径实现气流速度降低、压力上升，没有叶片，因此没有冲击损失，也没有喉部界面，变工况性能较好，工况范围宽，性能曲线平坦，稳定的工作范围大，能够适应气流马赫数较大的情况，保持较好的工作效率；叶片扩压器相对无叶扩压器多了叶片附在壁面，通常情况下，与无叶扩压器相比，叶片扩压器的扩压能力更强，气体在叶片扩压器中受到叶片外形的引导，流动轨迹大致与叶片的几何关系一致，由于其流程较短，因而有比较好的效率，缺点在于叶片的存在，其流动损失除了摩擦损失、分离损失外，还增加了叶片引起的冲击损失、尾迹损失和二次流损失，容易使得效率下降，在冲角增大到一定值后，易发生强烈分离，导致压气机发生旋转脱离和喘振，出现不稳定现象，叶片进口处形成了喉部截面，对来流马赫数的提出了较高的要求，也限制了压缩机的最大流量。本文设计的微型离心压气机面向高空高原环境，用于小流量高转速的变工况情况下，因此仅选用无叶扩压器作为其扩压段的部件。蜗壳的主要作用为收集从叶轮或者扩压器中流出的气体，将其送入后面的输气管道或冷却器装置等中，也可以直接排入大气，蜗壳是离心压气机中效率最低的通流元件。故针对蜗壳的设计，其效率高低作为本设计的主要考虑点。用于活塞发动机增压器的蜗壳通常分为变截面蜗壳与等截面蜗壳，由于气体从叶轮或扩压器出口圆周流出并具有较大的周向分速度，所以在蜗壳通道内不同周向位置处的通流截面上气体流量将不一样，等截面的蜗壳结构不能很好地适应流量分布的实际情况，因此效率较低，实际中应用较少；变截面蜗壳也是目前比较常用的蜗壳类型，其通流截面沿着气流旋绕方向逐渐增大，从回转面方向看，蜗壳主要由圆周方向的螺旋形通道和其后出口处的一段扩压管组成，蜗壳