高速电动涡轮-压气机组件试验方法

2009-04-14 肖晓劲北京航空航天大学

压气机和涡轮是空气循环制冷系统（ACRS，Air Cycle Refrigeration System）的重要部件，广泛应用在飞机和车辆空调、矿井通风、温室降温和食品速冻等领域。传统ACRS 方案需要引入高压空气驱动涡轮－压气机组件来产生制冷空气，不但浪费能量，而且还会造成噪音污染。高速电机（HSEM，High Speed Electric Motor）驱动及制造技术的发展，使HSEM 成为一种适合在ACRS 中使用的能量输入装置。HSEM 与涡轮－压气机组件的运行方式同为高速旋转，容易实现能量输入，而且具有节能、可控性好、结构简单和尺寸小等优点。

国外在20 世纪80 年代初期已经公布了HSEM 驱动的ACRS 方案研究报告，目前仅有少数几个国家掌握了此项技术。北京航空航天大学在国内首次研制开发出用于制冷系统的高速电动压气机组件，并取得了一定的研究成果。在此基础上，又设计开发出了一种新型高速电动涡轮-压气机组件，即电动空气循环机（ACM，Air Cycle Machine），进而在飞机吊舱逆升压式制冷系统中进行了相应模拟试验研究。

待试验组件如图1所示。本试验组件针对飞机吊舱ACRS 开发，在设定工作状态时主要考虑满足了以下条件：

（1）压气机和涡轮工作在小增压比πc 和膨胀比πt 的负压状态，绝热效率ηc 和ηt 偏低；

（2）由于严格的尺寸限制，压气机轮周速度低，难以同时提供较高πc 和流量Gc，也限制了理想πt 和温降，同时实现涡轮和压气机的最佳性能设计相当困难；

（3）涡轮输出功小，使原可忽略的轴承摩擦损失相对增大，导致ACM机械效率下降。这些因素都使得本试验组件设计难度大。具体设计开发中采取了如下技术对策。

1、HSEM

试验HSEM 为国产星型鼠笼式三相异步交流电机，设计输出功率2kW，额定电压为115V，设计转速24000r/min。HSEM 选用了油脂润滑并可承受40000r/min 转速的航空单向高速推力球轴承。HSEM采用自然通风冷却，通过壳体上的肋片增强冷却效果。

2、压气机

试验压气机属于小流量、高增压比压气机，设计时使用专用叶轮机械设计软件NREC，利用PREDIG 模块对压气机进行性能预测，再利用COMIG 模块详细设计叶轮叶型，然后修正后生成MAX-5 数控加工数据，最后经过VERCUT 模块的刀具检查后铣削加工出外径Dc。为200mm、设计转速nc 为24 000 r/min、πc 为1.41的叶轮，并据此开发出配套的压气机涡壳。图2、图3分别为计算出的压气机效率曲线和压比曲线。