[发明专利]一种超高速离心式空气压缩机高空特性分析方法

说明书

技术领域

本发明属于离心式空气压缩机的研究方法，涉及一种超高速离心式空气压缩机高空特性分析方法，特别是航空用超高速离心式空气压缩机在高空状态下的特性研究方法。

背景技术

能源与环境问题给航空技术提出了更高的要求，氢燃料电池利用氢气与氧气的电化学反应，产生电子在外回路的流动，从而产生电能。氢燃料电池动力飞机具有噪音小、运行温度低、易于维护、绿色环保等优点，在军用与民用航空领域都有广阔的运用空间，是航空工业发展的一个重要方向。

空气压缩机是氢燃料电池系统中最大的能量消耗设备，在最严重的情况下，可消耗约20％燃料电池所产生的能量。相对于容积式空气压缩机，离心式空气压缩机具有体积小、重量轻、流量输出连续、噪音小、效率高等优点，从重量与气体流量方面考虑，离心式空气压缩机更适合于航空用燃料电池系统。

离心式空气压缩机的工作特性一般用转速、流量、压力三者之间的关系来描述，高空环境下，离心式空气压缩机的进口空气压力远低于标准大气压，由于进口压力的改变，输出的压力、流量、转速三者的关系随之改变。建立高空条件下离心空气压缩机的模型，分析转速、流量、压力三者之间的耦合关系，有助于研究离心式空气压缩机高空环境下的工作特性。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种超高速离心式空气压缩机高空特性分析方法，该方法考虑了在运行高度不断变化的情况下，离心式空气压缩机压力、流量及转速的动态特性关系。

技术方案

一种超高速离心式空气压缩机高空特性分析方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：查询得到某一高度范围内的空气压力和空气密度，随高度的变化关系数据；

以空气压力作为压缩机入口空气压力，与高度数据进行拟合，得到空气压力与高度关系表达式p₀(h)＝0.9864-8×10^-5h

以空气密度作为压缩机入口空气密度，与高度数据进行拟合，得到空气密度与高度关系表达式ρ_air(h)＝1.25-0.0001h

所述高度范围0～20000米，变化阶梯为1000米；

步骤2：建立高空条件下离心式压缩机静态模型

p＝ψ_c(ω,m,h,T₀)·p₀(h)

其中，

式中，ω为转轴的旋转速度，m为压缩机输出气体质量流量，h为压缩机运行高度，T₀为入口停滞温度，r₁为平均引导半径，r₂为叶片半径，k_f为流体摩擦因子，c_p为恒压下的特定温度，c_v为恒体积下的特定温度，比热容比K＝c_p/c_v，β_1b为叶片入口角度，β_2b为转子叶片角度，ρ_air(h)为入口流体密度，A₁为流通面积，σ为滑移因子；

步骤3：建立高空条件下离心式压缩机动态模型

式中，p为气体压力，V_p为容腔的体积，m为压缩机输出气体质量流量，m_t(p)为节流阀出口处的气体质量流量，A₁为流通面积，L_c为管道长度，p₀为入口压力，ω为转轴的旋转速度，J为压缩机惯性指数，τ_d为驱动转矩，τ_c为压缩机负载转矩所述

k_t是与节流阀开度成正比的参数，查压缩机性能表得到；

步骤4、超高速离心式空气压缩机高空特性分析：条件：在固定高度下，在0～28万转/分的转速范围，以阶梯3万转/分改变压缩机转速；

仿真计算步骤2压缩机静态模型，得到表达某一高度下的离心式压缩机静态工作特性的系列数据，以系列数据得到离心式压缩机工作特性曲线；

仿真计算步骤3压缩机动态模型，得到表达某一高度下的离心式压缩机动态工作特性的下列系列数据，以系列数据得到下列离心式压缩机工作特性曲线：

压缩机输出压力动态特性以及曲线；

压缩机转速变化以及曲线；

压缩机输出流量动态特性以及曲线。

有益效果