气动系统能量转换回收装置的研究与开发

论文摘要

气动技术的应用遍及国民生产的各个领域，但气动系统的效率比较低，这也是制约其发展的一个重要因素。在气动系统中，气缸工作腔的压缩气体在做完功以后，通常没有经过任何利用就直接排空，造成巨大的浪费，因此，对气缸排气腔压缩气体能量的转换回收具有很重要的研究意义。传统的研究方法是利用蓄能气罐回收排气腔中的部分压缩气体，但其对原来系统中气缸速度特性的影响较大，而且系统组成比较复杂。针对这些不足，论文研究采用一种新的技术途径，以实现既回收节能，又简化系统构成的目的，该研究将有效促进气缸排气节能技术的广泛应用。为此，对涉及的技术问题进行了深入的理论和实验研究。 论文首次提出了通过研制一种小型排气能量转换装置，将气缸排气能量转换为电能再利用的节能研究方法，作为气动系统的一个节能附件使用，实现对气缸排气能量的转换回收。围绕这一创新构想，首先分析了常见压缩能转换为机械能再转换为电能的转换装置的结构，根据对能量转换装置的功能需求分析，确定了能量转换装置主要由旋转驱动组件和微型直流发电机组成的总体结构。并重点研究了实现气体从压缩能转换为机械能的旋转驱动组件结构形式，设计了冲击式和径流式两种类型的旋转驱动组件。 为了精确测定排气能量转换装置中由压缩能转换为机械能的转换率，为优化其结构参数奠定基础，需要测量旋转驱动组件输出的机械特性，为此，研制了一套新颖的小转矩动态测量装置。同时，构建了发电特性实验装置，对两种结构形式的排气能量转换装置的发电性能进行了实验研究。实验结果表明，在启动性能、输出机械特性和发电性能等方面，冲击式能量转换装置都比径流式能量转换装置好。 在对旋转驱动组件进行优化改进前，必须清楚认识气体在旋转驱动组件内的流场分布，分析局部结构参数的变化对流场的影响。由于其流场是复杂的三维流场，而且其结构尺寸较小，常见的一维分析方法难以实现。为此，应用计算流体动力学方法，对冲击式旋转驱动组件内部三维流场和输出机械特性进行了数值模拟，并通过实验对计算模型进行了验证，计算结果与实验结果基本吻合，表明计算模型是正确的，计算结果为旋转驱动组件结构的进一步改进提供了理论依据。 理论分析结果表明，旋转驱动组件的性能主要与喷嘴出口角度、叶片出口角度、叶片高度、叶片数和叶轮的转动惯量等相关，并应用数值模拟和实验研究对这些主要结构参数进行了优化。同时，通过实验研究了影响微型直流发电机性能的主要因素，提出了优化选择微型直流发电机工作参数的指导性方法。并对改进后的排气能

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 注释表
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 气动系统的效率及气缸排气节能研究现状分析
• 1.2.1 气动系统的效率及能量损失环节分析
• 1.2.2 气缸排气节能研究现状分析
• 1.3 气（汽）流驱动发电的能量转换装置研究现状
• 1.3.1 汽轮发电机的发展及研究现状
• 1.3.2 风力发电机的发展及研究现状
• 1.4 有待研究解决的问题
• 1.4.1 排气能量转换装置的总体结构形式研究
• 1.4.2 旋转驱动组件的结构优化
• 1.4.3 排气能量转换装置转换效率的评价方法分析
• 1.5 论文的主要研究内容
• 2 气缸排气能量转换装置的结构形式研究
• 2.1 总体结构
• 2.1.1 气缸工作过程及排气能量特点分析
• 2.1.2 能量转换装置的功能需求分析
• 2.1.3 能量转换装置的总体结构
• 2.2 旋转驱动组件的结构形式研究
• 2.2.1 常见结构特点的分析比较
• 2.2.2 旋转驱动组件的方案选择
• 2.2.3 冲击式旋转驱动组件的结构
• 2.2.4 径流式旋转驱动组件的结构
• 2.3 本章小结
• 3 气缸排气能量转换装置的性能研究
• 3.1 实验装置的构建
• 3.1.1 旋转驱动组件输出机械特性实验装置
• 3.1.2 发电性能实验装置
• 3.2 旋转驱动组件基本特性实验研究
• 3.2.1 启动性能研究
• 3.2.2 输出机械特性研究
• 3.3 能量转换装置发电性能实验研究
• 3.3.1 恒定气流驱动发电性能
• 3.3.2 气缸排气驱动发电性能
• 3.4 冲击式和径流式能量转换装置的性能比较
• 3.5 能量转换装置对气缸速度特性的影响研究
• 3.6 本章小结
• 4 旋转驱动组件内部三维流场的数值模拟分析
• 4.1 控制方程及湍流数学模型
• 4.1.1 控制方程
• 4.1.2 湍流数学模型
• 4.2 动网格模型
• 4.3 三维流场的数值模拟
• 4.3.1 FLUENT软件平台
• 4.3.2 喷嘴内部流场数值模拟
• 4.3.3 冲击式旋转驱动组件内部流场数值模拟
• 4.4 实验验证
• 4.5 本章小结
• 5 排气能量转换装置的改进及实验研究
• 5.1 旋转驱动组件的改进
• 5.1.1 主要结构参数对旋转驱动组件性能的影响分析
• 5.1.2 喷嘴结构尺寸的改进
• 5.1.3 叶轮结构尺寸的改进
• 5.1.4 改进后的旋转驱动组件整体结构
• 5.2 微型直流发电机结构参数的优化选择
• 5.2.1 发电机结构参数对其发电性能的影响
• 5.2.2 主要参数的优化选择
• 5.3 改进后的能量转换装置的性能实验验研究
• 5.3.1 旋转驱动组件的基本特性实验研究
• 5.3.2 能量转换装置的发电性能实验研究
• 5.4 本章小结
• 6 气缸排气能量转换装置的效率评价方法研究
• 6.1 能量转换装置中的能量转换过程分析
• 6.2 输入能量分析
• 6.3 输出能量分析
• 6.4 能量转换效率评价方法
• 6.5 气缸排气能量转换装置的理想转换效率分析
• 6.5.1 目前研制出来的实验样机的效率测定
• 6.5.2 气缸排气能量转换装置的理想效率分析
• 6.6 本章小结
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文