平流层飞艇氦气压缩机设计与性能研究

发布时间：2020-06-09 03:54

【摘要】：平流层飞艇平台广阔的应用前景吸引了世界越来越多的关注。飞艇长期驻留在平流层时,会反复经历昼夜变化,白天温度升高时需要利用高空压缩机构将主气囊内适量的氦气压缩至超压氦气囊中,实现对艇囊内外的压差调节。平流层氦气压缩机设计技术是实现飞艇长期驻留高空的关键技术之一。本论文依据飞艇定点停留时压缩机入口的设计参数和设计指标,对平流层氦气压缩机进行了设计与性能研究。首先介绍了压缩机的主要分类和设计方案的选定,通过编写C++程序,对设计压缩机进行热力计算,最终确定了设计采用双级离心压缩机。根据热力计算得到压缩机各截面上的气动参数和结构参数,采用BladeGen软件进行叶片造型,利用UG完成各部件的三维建模。叶轮作为压缩机的主要部件,需要对其进行流动特性分析和结构强度分析。本文利用ANSYS-CFX对叶轮进行数值模拟,结果表明叶轮的流场和压力场分布合理,初步满足设计要求;文中运用Workbench平台中的Static Structural模块对叶轮进行了结构静力分析,运用Modal模块对叶轮进行了模态分析,结果表明叶轮的结构强度满足要求。
【图文】：

飞艇,调压系统,副气囊,氦气

背景气静力学，传统软式氦气飞艇的压力调节一般是由主气囊（氦气）及副气旨是保持艇囊内外压力平衡，维持飞艇艇囊的形状。飞艇依靠氦气与空静升力，依靠副气囊充放空气实现升降。飞艇升空前，主气囊充满氦气飞艇上升过程中，，副气囊的排气阀自动打开，随着大气压力下降，氦气副气囊将空气放出，维持囊体外形基本不变。当副气囊中空气排空时，，如果继续往上升，艇囊会胀破。此时可以利用风机等机构向副气囊中受力平衡，并且停留在此极限高度。如果飞艇需要下降，则需要向副气加飞艇重量，或者释放一定量的氦气减小升力。假设传统飞艇可以长期历昼夜温差变化，只能通过不断向副气囊充放空气实现，然而，平流层程中，空气中的水蒸气极易凝结在阀门处，所以传统的调压机制无法实驻留。飞艇新型调压系统包含三个气囊：主气囊、副气囊和超压氦气囊，以及入超压氦气囊的压缩机，系统如图 2.1 所示。

可变容积,容积式压缩机,压缩机,中气

（1）高度 h=20000m ；（2）温度 T=216.65K；（3）进出口压差 ΔP=7000Pa；（4）氦气流量 G=0.308m3/s（0.00342kg/s）；2.3.3 压缩机增压比确定在平流层（11km<h<20km），大气压力随高度计算公式：P=22631.8 exp [-（h-11000）/6340] （2.1）取气囊工作压差为 500Pa，则进口压力 P=(5.473+0.05)≈5.53 kPa；增压比 π=（ΔP+P）/P≈2.16 （2.2）2.4 压缩机分类及对比压缩机是一种将气体压缩同时提升气体压力的机械[40]，其广泛应用在暖通空调、冷冻循环、供工业驱动动力、石油化工、天然气输送等多种领域。按照压缩气体的原理不同，压缩机通分为容积型和速度型两大类，如图 2.2 所示：
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V274

【参考文献】