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        基于流體力學(xué)的尾氣能源再利用技術(shù)淺析

        2018-05-25 06:54:54李智周禮豪李杭鍵梁壯陳禹州
        發(fā)明與創(chuàng)新 2018年9期
        關(guān)鍵詞:機(jī)械能傳動(dòng)軸尾氣

        李智 周禮豪 李杭鍵 梁壯 陳禹州

        四川大學(xué)錦江學(xué)院 四川 眉山 620860

        引言

        機(jī)動(dòng)車的尾氣排放過程中,大部分的機(jī)動(dòng)車沒有利用尾氣中蘊(yùn)含的高壓高溫能量,燃油在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒后產(chǎn)生的氣體被直接排出。目前市場(chǎng)上的尾氣處理裝置一般是對(duì)有害氣體進(jìn)行化學(xué)催化反應(yīng),將其轉(zhuǎn)化為無(wú)害氣體,然而其蘊(yùn)含的物理能量并沒有得到利用。針對(duì)這個(gè)問題,本文介紹了一種將尾氣蘊(yùn)含的壓力轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備,在機(jī)動(dòng)車現(xiàn)有的排氣管銜接處加裝渦輪、電機(jī)等設(shè)備完成能量轉(zhuǎn)換,配合鋰電池進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存。

        一、渦輪機(jī)構(gòu)

        渦輪是一種將流動(dòng)工質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械。渦輪工作輪由均勻分部的七只葉片組成,在整個(gè)機(jī)構(gòu)中作為原動(dòng)機(jī)構(gòu)提供機(jī)械能,軸作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)接渦輪與電機(jī),將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。因渦輪受到較強(qiáng)沖擊載荷,需耐高溫,一般采用中等淬透性鋼作為原材料[1]。

        二、整體結(jié)構(gòu)

        設(shè)備整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。渦輪與軸的聯(lián)接處需承受較大轉(zhuǎn)矩,整體結(jié)構(gòu)在軸向上嚴(yán)格限制移動(dòng)距離,為增加機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性,鍵與鍵槽之間的配合采用過盈配合,該機(jī)構(gòu)中的鍵聯(lián)接需承受沖擊載荷,聯(lián)接在高速轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)等情況下不受影響,并要求準(zhǔn)確定心。因此機(jī)構(gòu)聯(lián)接方式采用平鍵聯(lián)接。

        在傳動(dòng)軸的末端聯(lián)接齒輪與電機(jī)軸上齒輪嚙合,利用齒輪傳動(dòng)的方式進(jìn)行機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換。本機(jī)構(gòu)中的齒輪供內(nèi)燃機(jī)車使用,精度等級(jí)為6級(jí),動(dòng)力齒輪傳動(dòng)的最大圓周速度不超過15m/s,因采用直齒輪傳動(dòng),分度圓螺旋角為0度,壓力角a=20度,分度圓直徑d=mz。主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n1,與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n2之比即為傳動(dòng)比,用i表示。

        整體結(jié)構(gòu)的工作流程如圖2:利用出缸尾氣蘊(yùn)含的壓強(qiáng)能量,推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn),傳動(dòng)軸將渦輪產(chǎn)生的動(dòng)能傳導(dǎo)在齒輪機(jī)構(gòu)上,齒輪機(jī)構(gòu)與電機(jī)傳動(dòng)軸進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存在蓄電池中,在機(jī)動(dòng)車處于惡劣工況的情況下可使用電能節(jié)省燃油[2]。

        圖2 工作流程圖

        三、機(jī)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算

        在尾氣管中渦輪葉片在周向和軸向上受到?jīng)_擊力用Pu、Pa表示,計(jì)算式如下:

        上式中r1表示燃?xì)饷芏?,Ψ表示氣流速比,?、β2為葉片進(jìn)、出氣角。對(duì)于給定的燃?xì)廨啓C(jī),Ψ、β1、β2都是定值,變化的只有 F,故關(guān)鍵求 F。F表示垂直于透平軸的氣流截面積。

        為渦輪葉片轉(zhuǎn)過的周期, 為單個(gè)靜葉的角節(jié)距,為氣流截向的高度變化。

        傳動(dòng)軸與電機(jī)軸的傳動(dòng)采用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的方式,齒輪在傳動(dòng)過程中受圓周力、徑向力、軸向力。

        渦輪葉片在受到?jīng)_擊時(shí)旋轉(zhuǎn)做功,機(jī)械能傳導(dǎo)在電機(jī)上,電機(jī)開始發(fā)電,通過正負(fù)極導(dǎo)線將電能引出,儲(chǔ)存在蓄電池中。渦輪葉片的半徑、寬度、機(jī)械效率為恒定不變的值,其產(chǎn)生的機(jī)械能由進(jìn)出口壓差決定。在能量轉(zhuǎn)化過程中,能量損耗組成為電熱、機(jī)械損耗、齒輪損耗、電機(jī)損耗[3]。

        四、結(jié)語(yǔ)

        通過以上的機(jī)構(gòu)組合,可達(dá)到尾氣壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電能的目的。渦輪機(jī)構(gòu)受壓強(qiáng)的推動(dòng)而旋轉(zhuǎn),傳動(dòng)軸機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、機(jī)械能傳導(dǎo)在電機(jī)軸上,電機(jī)旋轉(zhuǎn)切割磁感線產(chǎn)生電能,通過導(dǎo)線將電能儲(chǔ)存在蓄電池中,在機(jī)動(dòng)車處于惡劣工況時(shí)為其提供電能,為用電器供電,實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的作用?!?/p>

        參考文獻(xiàn):

        [1]邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì)(第四版)[M].北京:高等教育出版社,1997.

        [2]孫桓,陳作模,葛文杰.機(jī)械原理(第八版)[M].北京:高等教育出版社,2013.

        [3]周憶,于今.流體傳動(dòng)與控制[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

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