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装甲车辆增压柴油机与空气制冷系统联合循环研究

李云龙  
【摘要】:装甲车辆是地面战争的主要作战装备,随着现代工业和军事技术的进步,促使新型坦克装甲车辆在火力、防护和机动性能等方面获得了突飞猛进的发展。但是如何保障乘员劳作的舒适性和电子设备的工作环境方面重视不够,尤其是以柴油机为动力的主战坦克乘员舱内至今还没有空气调节系统。 本文以柴油机为动力的装甲车辆作为研究对象,从系统能量损耗、转换与利用的角度进行分析,提出了采用旁通补燃系统,综合利用柴油机排气废热能量驱动动力涡轮为空气制冷系统提供动力的联合循环系统方案。在方案中,加装旁通补燃系统和动力涡轮的复合增压柴油机(以下简称旁通补燃复合增压柴油机)与空气制冷系统的耦合点仅在于动力涡轮的输出轴功,以此作为联合循环系统分析的解耦点,围绕解耦与耦合条件下系统参数影响规律和控制规律、空气制冷原理样机以及关键部件设计和试验等方面开展研究,论文主要研究工作如下: 1.基于热力学第一定律分析了空气制冷系统正升压、逆升压1和逆升压2等3种方案的能量流传递和转换过程,推导出制冷系数COP与循环主要参数的函数关系式。以制冷系数COP最高为目标,优选出最佳空气制冷系统方案。针对装甲车辆地面作战条件,提出了既减小制冷系统功耗,又改善乘员工作环境的微环境个体制冷模式。以某装甲车辆为例,确定了乘员舱微环境制冷量,并考虑实际工程应用,确定了动力涡轮输出的目标功率。 2.利用灰箱分析模型分析方法对并联、串联和串联补燃等3种旁通补燃复合增压柴油机方案进行流分析,获得了基于热力学第二定律的优选方案。 3.以动力涡轮作为联合循环系统分析的解耦点,计算分析了旁通补燃复合增压柴油机和空气制冷系统的参数影响规律。基于串联和并联方案的参数影响规律,在发动机全工况范围内,划分了串联方案联合工作区,对并联方案的补燃区与非补燃区加以限定。 4.获得了串联方案联合工作区内放气阀开度的参数控制规律;总结出了全工况范围内并联方案参数控制规律的确定流程,并以发动机外特性为例,获得了并联方案在全转速范围内补燃油量、旁通阀开度、分流阀开度的参数控制规律。 5.通过CFD仿真研究和试验手段对动力涡轮、膨胀涡轮、制冷系统压气机等关键部件进行三维设计与流场仿真计算,并在燃气性能试验台上进行了性能测试。设计了适合以柴油机为主动力的装甲车辆空气制冷原理样机,搭建了空气制冷原理样机试验平台,对其参数影响规律及制冷效果进行了试验验证。 6.建立了联合循环系统耦合仿真模型,从系统层面研究了两个子系统间的相互影响,获得了耦合条件下的系统参数影响规律,为实际工程应用中,系统参数控制规律的环境适应性调节提供了参考。 本文从理论分析、仿真计算和试验研究等方面,对联合循环系统的参数影响规律和控制规律进行了深入研究,研究结果为空气制冷系统在装甲车辆上的应用提供了支撑,填补了以增压柴油机为主动力的装甲车辆在空调领域研究的空白。


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