機(jī)械專業(yè)外文文獻(xiàn)翻譯-外文翻譯--一個(gè)用來提供恒定空氣壓力的無人值守的智能化控制系統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)的研究

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一個(gè)用來提供恒定空氣壓力的無人值守的智能化控制系統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)的研究 u 摘要 對(duì)多級(jí)壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，本文假設(shè) 固定的流道形狀 以入口和出口的動(dòng)葉絕對(duì)角度，靜葉的絕對(duì)角度和靜葉及每一級(jí)的入口和出口的相對(duì)氣體密度作為設(shè)計(jì)變量，得到壓縮機(jī)基元級(jí)的基本方程和多級(jí)壓縮機(jī)的解析關(guān)系。用數(shù)值實(shí)例來說明多級(jí)壓縮機(jī)的各種參數(shù)對(duì)最優(yōu)性能的影響。 關(guān)鍵詞 軸流壓縮機(jī) 效率 分析關(guān)系 優(yōu)化 1 引言 軸流 式 壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)是 工藝技術(shù)的一部分，如果 缺乏準(zhǔn)確的預(yù)測 將 影響設(shè)計(jì)過程。至 今 還 沒有 公認(rèn)的 方法 可使新的設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá) 到一個(gè)足夠精 確的值， 通過應(yīng)用一些 已經(jīng)取得新 進(jìn)展 的 數(shù)值優(yōu)化技術(shù) ， 以 完成 單 級(jí) 和多級(jí)軸流式壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（ 和 許多更準(zhǔn)確的方法特別是發(fā)展計(jì)算的 已經(jīng)應(yīng)用到許多軸流式壓縮機(jī)的 平面和 三維優(yōu)化設(shè)計(jì)。它仍然是使用一維流 體力學(xué) 理論 用數(shù)值實(shí)例 來計(jì)算壓縮機(jī)的最佳 設(shè)計(jì)。 設(shè)提出了詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型 用以 優(yōu)化設(shè)計(jì)單 級(jí) 和多級(jí)軸流渦輪 ： （ 1）固定的軸 向 均勻 速度 分布（ 2）固定流動(dòng)路徑的形狀分布，并獲得了 理想 的優(yōu)化結(jié)果 。 陳林根 等人也采 用了類似的想法 ，通過 假設(shè)一個(gè)固定的軸向速度分布的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了 設(shè)計(jì) 單級(jí)軸流式壓縮機(jī)一種數(shù)學(xué)模型。在本文 中為優(yōu)化設(shè)計(jì)多級(jí)軸流壓縮機(jī)的模型，提出了假設(shè)一個(gè)固定的流道形狀，以入口和出口的動(dòng)葉絕對(duì)角度，靜葉的絕對(duì)角度和靜葉及每一級(jí)的入口和出口的相對(duì)氣體密度作為設(shè)計(jì)變量，分析 壓縮機(jī)的 每個(gè) 階段之間的 關(guān)系 ， 用數(shù)值實(shí)例來說明多級(jí)壓縮機(jī)的各種參數(shù)對(duì)最優(yōu)性能的影響。 2 基元級(jí)的基本方程 考慮圖 1所示由 其某一壓縮過程焓熵 圖和中間級(jí)的速度三角形見圖 2和圖 3， 相應(yīng)的 中間級(jí)的 具體焓熵圖如圖 4，按一維理論作級(jí)的性能計(jì)算。按一般情況列出軸流壓縮機(jī)中氣體流動(dòng)的能量方程和連續(xù)方程 ,工作流體和 葉 輪的速度 。在不同 級(jí) 的軸向流速不為常數(shù) ，即考慮) 時(shí)的能量和流量方程。在下列假定下分析軸流壓縮機(jī)的工作 : ·相對(duì)于穩(wěn)定回轉(zhuǎn)的動(dòng)葉、靜葉和導(dǎo)向葉片機(jī)構(gòu) , 氣體流動(dòng)是穩(wěn)定的； ·流體是 可壓縮、無黏性和不導(dǎo)熱的； ·通過級(jí)的流體質(zhì)量流量為定值； ·在實(shí)際工質(zhì)的情況下 , 壓縮過程是均勻的； ·本級(jí)出口絕對(duì)氣流角為下一級(jí)進(jìn)口角絕對(duì)氣流角； ·忽略進(jìn)出口管道的影響。 在每一級(jí)的具體焓如下： j*22 j i 2 1 /2i i h c? ? ??（ 1） j*22 j + 1 1 i 2 j + 12i i h c?? ? ??（ 2） 第 j 階段的動(dòng)葉和靜葉的焓值損失總額計(jì)算如下： ? ? ? ?? 222r j r j 2 j - 1 2 j - 1 2 j 1 2 j - 1 2 j - 1 2 j - 1 2 j - 1 r j / 2/ 2 / /h w G F u G c t g F? ? ? ? ?? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? （ 3） ? ? ? ?222r j s j 2 j 2 j 2 j 2 j s j/ 2 / 1 / 2h c G F c t g? ? ? ???? ? ? ????? （ 4） 其中第 j 階段動(dòng)葉葉片輪廓總損失系數(shù)，第 j 階段靜葉葉片輪廓總損 失的系數(shù)。 圖 1 葉片輪廓損失系數(shù) 工作流體和 葉 片 的 幾何 功能參數(shù) 。 它 們可以使用各種方法 及視作 常量 來 計(jì)算。當(dāng)做工 作 流體 和葉片的幾何 功能 參數(shù) 時(shí) ，可以使用計(jì)算損失 系數(shù) 。使用迭代方法解決 計(jì)算損失系數(shù) ： （ 1）選擇 始值，然后計(jì)算 各級(jí)的 參數(shù)。 （ 2）計(jì)算的，重復(fù)第一步，直到 計(jì)算值和原值 之間的差異足夠小。 第 j 階段理論 所需 計(jì)算得： j 2 j u , 2 j 2 j - 1 u , 2 j - 1 2 j 2 j 2 j - 1 2 j - 12 j 2 j 2 j - 1 2 j - 1u c u c u c t g u c t ??? ? ? ?（ 5） 第 j 階段實(shí)際所需計(jì)算得： 圖 2 圖 3 中間級(jí)的速度三角形 圖 4 中間級(jí)的焓熵圖 2 2 2 22 j - 1 2 j 2 j 2 j - 12w w u ??? （ 6） 基元級(jí)反應(yīng)度定義為rj j/。因此有： ? ? ? ?? ?u , 2 2a , 2 j 2 j 2 j - 1 2 j 2 j 2 j - 11112k c t g c t gk k c t g c t g? ? ?????? ? ???? ? ? ? （ 7） 在這里u,? ?a,i 12k i n??視作速度系數(shù) ,它們的計(jì)算為 : a , i a , i a , 1 1 1 i i//k c c F F????和u,i i 1/k u u?? ? ? ?j 2*22 j - 1 1 2 j i 2 j 2 j 2 1/ 1 / 2 0A i i h G F c t g????? ? ? ? ? ???? （ 8） ? ? ? ?j 22 j 1 2 j + 1 i 2 j + 1 2 j 1 2 j + 11 / 2 0A i i h G F c t g??????? ? ? ? ? ???? （ 9） 3 級(jí)組的數(shù)學(xué)模型 壓縮機(jī)各級(jí)的比壓縮功為 ? ?j 1h j n??則總的比耗功為 ?， 各級(jí)的滯止等熵能量頭為 *s,級(jí)組各級(jí)滯止等熵比壓縮功總和為 n *s,h?，級(jí)組等熵比壓縮功為 *則 n **s , j z s 1 (1 )??為壓縮機(jī)的重?zé)嵯禂?shù)。根據(jù)定義 ,多級(jí)壓縮機(jī)通流部分滯止等熵效率為： n* * *s c s c c s c 1//h h h h? ?? ?求解確定各級(jí)能量頭的分配： ? ?n n n*2 n + 1 j Z s c j r s 1 j 1 j 110A h h h h???? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? （ 11） 方程式（ 11）同樣可以寫作： ? ?1 2 21 : , 0j A c t g???? ? ?2 2 3 2 3, , , 0A c t g c t g? ? ? ? ? … . ? ?2 j - 1 2 2 j 2 2 j. . . , . . . 0A c t g c t g? ? ? ? ? ? ?2 j 2 2 j 1 2 2 j 1. . . , . . . 0A c t g c t g? ? ? ??? ? (12) ? ?2 n 2 2 n 1 2 2 n 1: . . . , . . . 0j n A c t g c t g? ? ? ????? ? ?*2 n 1 2 2 n 1 2 2 n + 1 s c. . . , . . . , 0A c t g c t g h? ? ? ??? ? 出于方便，一些參數(shù)簡化約束計(jì)算做了如下定義： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?2 * 2 2 2 2 2j 1 1 1 j j j 1/ 2 1 1 / 1c i c t g y f c t g? ? ? ? ? ?? ? ? ????? （ 13） ? ? ? ? ? ?*2u j 1 1 1 u j j j j 1/ 2 1 / 1ju c i k c t g y f c t g? ? ? ? ? ? ???? ? ????? ?? （ 14） ? ? ? ? ? ?2 * 2 2 2j 1 1 u j 1/ 2 1 / 1u i k c t g? ? ? ???? ? ????? ?? （ 15） ? ? ? ? ? ?2 * 2 * * 2 *j 1 j 1 j u j 1 j 1/ 2 / 2 / / 2w i c i u c i u i? ? ? （ 16） 這里1()??1()??是氣動(dòng)力函數(shù)， *11/?在這里的 *a 是滯止聲速相對(duì)應(yīng)的* 2 *12 ( 1 ) / ( 1 )a i k k? ? ?，且 j j 1 1 u j j/ / ( )f F F l k l?? 是相對(duì)面積， *j j 1/y ??? 是相對(duì)密度， l 是葉片高a,1 1/?是流量系數(shù)。 通過 等熵線系數(shù)，一個(gè)是： 1x ?????????? ?（ 17） 這里 ? ? ? ?k / k is i/?（ 18） 因此約束條件也可寫作 ? ? ? ?? ? u , 2 i 2 i u , 2 i - 1 2 i - 1k - 1 1 - k2 j - 1 2 j 2 j - 1 2i = 1 2 i 2 i 2 i - 1 2 i - 112111k c t g k c t f y fc t g? ? ? ? ???????? ????? ? ? ???? ???? ? ? ? 2 2 2 22 j 2 j 111101c t gy f c t g?? ? ? ???? ? ??????（ 19） ? ? ? ?? ? u , 2 i 2 i u , 2 i - 1 2 i - 1k - 1 1 - k2 j 2 j + 1 2 j 2 i 2 i 2 i - 1 2 i 112111k c t g k c t f y fc t g? ? ? ? ????? ? ???? ????? ? ? ???? ???? ? ? ? 2 2 j 1211 2 2 22 j + 1 2 j + 1 111101c t gy f c t g?? ? ? ????? ? ??????（ 20） ? ? ? ?n u , 2 i 2 i u , 2 i - 1 2 i - 12 n + 1 1 z S i 2 i 2 i 1 2 i 11k c t g k c t gA y f y f??? ? ? ? ?? ????? ? ? ??????? ? ? ?1 222n 1 2 i 1u , 2 i - 1 r i - 1 2 i - 1 2 i - 1 2 i - 112c t f y f? ? ? ? ? ? ? ?????????? ? ????????? ? ? ?122n 22 i s 12 i 2 02 c t ? ? ??? ? ?? （ 21） 在這里多級(jí)軸流式壓縮機(jī)滯止等 熵線的效率計(jì)算如下： ? ? ? ? ? ?n*s c s c 1 u , 2 i 2 i 2 i 2 i u , 2 i - 1 2 i 1 2 i 1 2 i 1i = 1/ / /k c t g y f k c t g y f? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????????????? （ 22） 這里 *2sc ? ?是多級(jí)壓縮機(jī)的等熵工作系數(shù)，每一級(jí)的等熵工作系數(shù)是*2si ? 。 現(xiàn)在的優(yōu)化問題是尋找來找出在方程 （ 19~21)約束下的目標(biāo)函數(shù)*的最 大值 。 4 結(jié)論 一旦這些系統(tǒng)和定義的常數(shù)按目標(biāo)實(shí)現(xiàn)自己系統(tǒng)功能，在他最理想的環(huán)境下達(dá)到預(yù)計(jì)函數(shù)最大的程度。其呈現(xiàn)的并非是一個(gè)線性的而是一階梯函數(shù)。 本優(yōu)化模型是（ 2n +1）約束功能和一個(gè) 4n + 1）變量的非線性規(guī)劃程序。 例如 改善外部 法或 于這樣的問題 們已 經(jīng)發(fā)現(xiàn)是 非常有作用的。 表 1 各級(jí)相對(duì)面積 級(jí) (i ) 1 2 3 4 5 6 7 相對(duì)面積 2 原始數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)計(jì)劃 參數(shù) 上限 下限 原始數(shù)據(jù) 最佳數(shù)據(jù) s?=s?=s?=s?= = = = =? ()?54 90 ? ()?35 90 ? ()?54 90 ? ()?35 90 ? ()?54 90 ? ()?35 90 ? ()?54 90 ,。 4198 數(shù)值 計(jì)算 例子 在計(jì)算中， 做u,i 1k ?，1 330m/， *1 288， ， 3n? ， 2 8 6 . 9 6 J / ( k g k )R ? ,z?則為 * 設(shè)置。表 1 列出了在每個(gè) 級(jí) 的相對(duì) 面積 。應(yīng)當(dāng)指出會(huì)有一些優(yōu) 化目標(biāo)的關(guān)系與這些量綱的影響是工作流體參數(shù)的功能和流動(dòng)路徑的幾何參數(shù) 設(shè)置 。然而，得到的關(guān)系不會(huì)改變 流體 性 質(zhì) 。對(duì)于 3 級(jí)壓縮機(jī)中，有 13 個(gè)設(shè)計(jì)變量和 7 個(gè)約束條件。此外，較低上限約束的 13 個(gè)設(shè)計(jì)變量的值也應(yīng)考慮在計(jì)算中。優(yōu)化變量的上限和下限，原來的設(shè)計(jì)方案 中 優(yōu)化不同流量系數(shù)和工作系數(shù)的結(jié)果列于表 2。由此可以看出，優(yōu)化程序是有效和實(shí)用 的。 計(jì)算結(jié)果表明，最佳停滯等熵效率是 隨 工作系數(shù)和流量系數(shù)的遞減 而遞減的 函數(shù)。工作系數(shù)影響最佳停滯等熵效率 的作用 大于流量系數(shù)。各值流量系數(shù)和工作系數(shù)，最優(yōu)的最后 一級(jí)輸出絕對(duì) 角度總是 接近 90? 。 6 結(jié)論 在本文中在研究固定流形的多級(jí)軸流壓縮機(jī)的效率優(yōu)化中使用一維流體理論研究。根據(jù)壓縮機(jī)普遍特性和特征間關(guān)系。由展示的數(shù)值量其結(jié)果可以為多級(jí)壓縮機(jī)的性能分析和優(yōu)化提供一些指導(dǎo)。這是一個(gè)初步的研究將其不可避免的使用多目標(biāo)數(shù)值優(yōu)化技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法用于分析壓縮機(jī)優(yōu)化。 參考文獻(xiàn)（見原文） 術(shù)語 a 聲音速度 (m/s) c 絕對(duì)速度 (m/s) F 過 流面積 2(m) f 相對(duì)面積 2(m) G 空氣質(zhì)量流量 (kg/s) h 焓 (J/ i 焓比 (J/ k 速度系數(shù) l 葉片升度 (m) n 級(jí)數(shù) p 壓力 ( R 理想氣體常數(shù) s 特定 熵 (J/(kg/k)) T 溫度 (k) u 輪線速度 (m/s) W 相對(duì)速度 (m/s) y 相對(duì)密度 希臘符號(hào) ? 絕對(duì)氣流角 ,()? ? 相對(duì)氣流解 , ()? ? 氣動(dòng)力系數(shù) ? 效率 ? 流量系數(shù) ? 熱率 參數(shù) ? 量綱速度 ? 氣體密度 , 3(kg/m ) ? 反動(dòng)度 ? 氣動(dòng)力系數(shù) ? 能量頭系數(shù) ? 損失系數(shù) 下標(biāo) a 軸向 z? 重?zé)嵯禂?shù) 臨界 i 第 i 級(jí) j 第 j 階段 理想的 r 動(dòng)葉 s 靜葉 's 等熵過程 u 切 向速度 1 動(dòng)葉 入口 點(diǎn) 2 動(dòng)葉 的出口 點(diǎn) 3 靜葉出口 點(diǎn) * 滯止參數(shù) of an of u 430033, 8 007 of a a of is of of at of of as of to of on of 2007 . he of is an of no of of to a a of to 1–22]of of in in FD to of 17–20]. it is of to of 23] a of by i) a of a a et [22] a of a by a of a of a by a is of of at of of as of to of on of . a 1. 2 of a 2n + 1) of an is 3. is 4. of is of at in as ), i j in as to at a ? is ? of is ? is in ? of in is to of j+1)th ? of at as j*22 j i 2 1 /2i i h c? ? ??（ 1） j*22 j + 1 1 i 2 j + 12i i h c?? ? ??（ 2） of as ? ? ? ?? 222r j r j 2 j - 1 2 j - 1 2 j 1 2 j - 1 2 j - 1 2 j - 1 2 j - 1 r j / 2/ 2 / /h w G F u G c t g F? ? ? ? ?? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? （ 3） ? ? ? ?222r j s j 2 j 2 j 2 j 2 j s j/ 2 / 1 / 2h c G F c t g? ? ? ???? ? ? ????? （ 4） is of sj?is of 1. of a 2. of a 3. of an 4. of an ri?sj?of of be to be ri?of of be [24], [21]. be (1) of ri?of (2) of ri? by is j 2 j u , 2 j 2 j - 1 u , 2 j - 1 2 j 2 j 2 j - 1 2 j - 12 j 2 j 2 j - 1 2 j - 1u c u c u c t g u c t ??? ? ? ?（ 5） by 2 2 2 22 j - 1 2 j 2 j 2 j - 12w w u ??? （ 6） of of is as rj j/ . ? ? ?? ?u , 2 2a , 2 j 2 j 2 j - 1 2 j 2 j 2 j - 11112k c t g c t gk k c t g c t g? ? ?????? ? ???? ? ? ? （ 7） ? ?a,i 12k i n??a , i a , i a , 1 1 1 i i//k c c F F????i i 1/k u u?be ? ? ?j 2*22 j - 1 1 2 j i 2 j 2 j 2 1/ 1 / 2 0A i i h G F c t g????? ? ? ? ? ???? （ 8） ? ? ? ?j 22 j 1 2 j + 1 i 2 j + 1 2 j 1 2 j + 11 / 2 0A i i h G F c t g??????? ? ? ? ? ???? （ 9） 3. of he by ?j 1h j n??. by is ?. of s,of of is n *s,h?, of n **s , j z s 1 (1 )?? ,of is n* * *s c s c c s c 1//h h h h? ?? ?（ 10） of a ? ?n n n*2 n + 1 j Z s c j r s 1 j 1 j 110A h h h h???? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? （ 11） (11) be ?1 2 21 : , 0j A c t g???? ? ?2 2 3 2 3, , , 0A c t g c t g? ? ? ? ? … . ? ?2 j - 1 2 2 j 2 2 j. . . , . . . 0A c t g c t g? ? ? ? ? ? ?2 j 2 2 j 1 2 2 j 1. . . , . . . 0A c t g c t g? ? ? ??? ? (12) ? ?2 n 2 2 n 1 2 2 n 1: . . . , . . . 0j n A c t g c t g? ? ? ????? ? ?*2 n 1 2 2 n 1 2 2 n + 1 s c. . . , . . . , 0A c t g c t g h? ? ? ??? ? in to ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?2 * 2 2 2 2 2j 1 1 1 j j j 1/ 2 1 1 / 1c i c t g y f c t g? ? ? ? ? ?? ? ? ????? （ 13） ? ? ? ? ? ?*2u j 1 1 1 u j j j j 1/ 2 1 / 1ju c i k c t g y f c t g? ? ? ? ? ? ???? ? ????? ?? （ 14） ? ? ? ? ? ?2 * 2 2 2j 1 1 u j 1/ 2 1 / 1u i k c t g? ? ? ???? ? ????? ?? （ 15） ? ? ? ? ? ?2 * 2 * * 2 *j 1 j 1 j u j 1 j 1/ 2 / 2 / / 2w i c i u c i u i? ? ? （ 16） ()??1()??11/?, a is 2 *12 ( 1 ) / ( 1 )a i k k? ? ?，j j 1 1 u j j/ / ( )f F F l k l??is *j j 1/y ??? is l is of a,1 1/? is 23], x ?????????? ?（ 17） ? ? ?k / k is i/?（ 18） be ? ? ? ?? ? u , 2 i 2 i u , 2 i - 1 2 i - 1k - 1 1 - k2 j - 1 2 j 2 j - 1 2i = 1 2 i 2 i 2 i - 1 2 i - 112111k c t g k c t f y fc t g? ? ? ? ???????? ????? ? ? ???? ???? ? ? ? 2 2 2 22 j 2 j 111101c t gy f c t g?? ? ? ???? ? ??????（ 19） ? ? ? ?? ? u , 2 i 2 i u , 2 i - 1 2 i - 1k - 1 1 - k2 j 2 j + 1 2 j 2 i 2 i 2 i - 1 2 i 112111k c t g k c t f y fc t g? ? ? ? ????? ? ???? ????? ? ? ???? ???? ? ? ? 2 2 j 1211 2 2 22 j + 1 2 j + 1 111101c t gy f c t g?? ? ? ?? ??? ? ??????（ 20） ? ? ? ?n u , 2 i 2 i u , 2 i - 1 2 i - 12 n + 1 1 z S i 2 i 2 i 1 2 i 11k c t g k c t gA y f y f??? ? ? ? ?? ????? ? ? ??????? ? ? ?1 222n 1 2 i 1u , 2 i - 1 r i - 1 2 i - 1 2 i - 1 2 i - 112c t f y f? ? ? ? ? ? ? ?????????? ? ????????? ? ? ?122n 22 i s 12 i 2 02 c t ? ? ??? ? ?? （ 21） of be ? ? ? ? ?n*s c s c 1 u , 2 i 2 i 2 i 2 i u , 2 i - 1 2 i 1 2 i 1 2 i 1i = 1/ / /k c t g y f k c t g y f? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????????????? （ 22） 2sc ? ?is of of is 2si ?is to of of sc?(19)~(21). 4. a to be to of is a i ) 1 2 3 4 5 6 7 1 數(shù) 上限 下限 原始數(shù)據(jù) 最佳數(shù)據(jù) s?=s?=s?=s?= = = = =? ()?54 90 ? ()?35 90 ? ()?54 90 ? ()?35 90 ? ()?54 90 ? ()?35 90 ? ()?54 90 ,。 4198