電氣工程及其自動化畢業(yè)設計-壓縮空氣動力的發(fā)展現狀及展望綜述(含外文翻譯)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　壓縮空氣動力的發(fā)展現狀及展望綜述</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自

2、動化 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p>　　壓縮空氣動力的發(fā)展現狀及展望綜述</p>

3、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文介紹了空氣壓縮動力的發(fā)展趨勢，作用和特點。并且建立了空氣壓縮動力發(fā)動機工作過程數學模型，分析了其主要性能指標。同時也通過數學模型對壓縮空氣-燃油混合動力的工作過程進行了仿真分析。分析表明，這種混合動力能有效提高內燃機燃料燃燒產生能量的轉化效率以及氣動發(fā)動機的輸出功率。</p><p>　　壓縮空氣不僅

4、可以作為工作介質，而且可以儲存能量作為一種動力源。壓縮空氣動力在資源和環(huán)境問題日益突出的情況下，它與傳統(tǒng)的動力系統(tǒng)相比具有諸多優(yōu)點，因此在車輛、發(fā)電裝置等方面得到了越來越多的應用。在國外壓縮空氣動力已經成為節(jié)約能源和治理環(huán)境污染的重要途徑之一。</p><p>　　本文還對壓縮空氣儲能發(fā)電和壓縮空氣動力汽車進行了綜述。分別介紹了它們的原理、優(yōu)點和特性。認為它們是一種真正“零污染”的、有廣闊市場的技術。指出了這兩種

5、壓縮空氣動力方面的應用是未來發(fā)展的一個重要方向。同時展望其良好的發(fā)展前景。</p><p>　　關鍵詞：壓縮空氣儲能發(fā)電；壓縮空氣發(fā)動機；壓縮空氣-燃油混合動力發(fā)動機；壓縮空氣動力汽車</p><p>　　Viewing on Applications and Developments of the Compressed Air Power</p><p><

6、b>　　Abstract</b></p><p>　　This article describes the development trends, the effect and characteristics of compressed air power. And established the mathematical model of a compressed air powered en

7、gine work process, analysis of its key performance indicators. Also established math modelling of compressed air-fuel hybrid working process, the energy saving effect was analyzed. Simulation results indicated the hybrid

8、 can improve energy transform efficiency of internal combustion engine fuel and air-power engine output powe</p><p>　　Compressed air is not only a work medium, but a kind of power source stored pressure ener

9、gy. While facing the problem of resource shortage and environmental pollution, the compressed air power has a lot of advantages compared with traditional power, which has been widely used in vehicle, electrical machine a

10、nd other aspects. It has become an important way to conservation and pollution control at broad.</p><p>　　The article also make reviewed for compressed air energy storage power generation and compressed air

11、powered vehicle. Introduced the principles, advantages and features. That they are a technology of a true "zero pollution" and a broad market. Both the application of compressed air power is an important direct

12、ion for future development. Outlook of its good prospects for development.</p><p>　　Keywords: compressed air energy storage power generation; compressed-air engine; air-power and fuel engine; compressed air

13、powered vehicle</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 壓縮空氣

14、動力研究的意義1</p><p>　　1.2 壓縮空氣動力系統(tǒng)的組成2</p><p>　　1.3 壓縮空氣的發(fā)展2</p><p>　　第二章 壓縮空氣儲能發(fā)電4</p><p>　　2.1壓縮空氣儲能（CAES）電站相關概念4</p><p>　　2.1.1 CAES電站工作原理4</p>

15、<p>　　2.1.2 壓縮空氣儲存空間的選取5</p><p>　　2.2 壓縮空氣儲能發(fā)電過程中的能量轉換5</p><p>　　2.2.1 理想轉換過程5</p><p>　　2.2.2 實際轉化過程以及轉化率[5]6</p><p>　　2.3 各種能量存儲技術的性能對比7</p><p>

16、;　　2.4 壓縮空氣蓄能電站的現狀和發(fā)展趨勢8</p><p>　　2.4.1 改進燃氣輪機循環(huán)8</p><p>　　2.4.2 應用聯合循環(huán)技術8</p><p>　　2.4.3 機組和電站的大型化、自動化9</p><p>　　2.4.4 用于分布式能量系統(tǒng)及熱、電、冷聯供9</p><p>　　2.

17、4.5 儲存空間方面發(fā)展9</p><p>　　2.4.6 各國CAES電站的研究和發(fā)展情況10</p><p>　　2.5 壓縮空氣蓄能發(fā)電的優(yōu)點10</p><p><b>　　2.6 小結11</b></p><p>　　第三章 壓縮空氣發(fā)動機12</p><p>　　3.1 往復

18、式壓縮空氣發(fā)動機12</p><p>　　3.2 葉片式壓縮空氣發(fā)動機15</p><p>　　3.3 旋轉式壓縮空氣發(fā)動機15</p><p>　　3.4 新型旋轉式壓縮空氣發(fā)動機16</p><p>　　3.5 三角轉子壓縮空氣發(fā)動機基本結構和工作原理17</p><p>　　3.5.1 三角轉子壓縮空氣

19、發(fā)動機幾何原理17</p><p>　　3.5.2 三角轉子壓縮空氣發(fā)動機的原理和配氣系統(tǒng)特點17</p><p>　　3.5.3 三角轉子壓縮空氣發(fā)動機的工作原理18</p><p>　　3.5.4 三角轉子壓縮空氣發(fā)動機的工作過程19</p><p>　　3.5.5 配氣系統(tǒng)的特點20</p><p>　

20、　3.6 三角轉子壓縮空氣發(fā)動機的工作過程數學模型21</p><p>　　3.7 三角轉子壓縮空氣發(fā)動機主要性能指標24</p><p><b>　　3.8 結語25</b></p><p>　　第四章 壓縮空氣-燃油混合動力發(fā)動機27</p><p>　　4.1 混合動力整體方案27</p>

21、<p>　　4.1.1 空氣利用的串聯方式27</p><p>　　4.1.2 空氣利用的并聯方式28</p><p>　　4.1.3 空氣利用的混聯方式28</p><p>　　4.2 熱力學模型29</p><p>　　4.2.1 壓縮空氣動力發(fā)動機的熱力學模型29</p><p>　　4.2.

22、2 內燃機的熱力學模型31</p><p>　　4.3 仿真結果【37】33</p><p><b>　　4.4 小結34</b></p><p>　　第五章 壓縮空氣動力汽車35</p><p>　　5.1 壓縮空氣動力汽車的原理35</p><p>　　5.2 壓縮空氣儲存37&l

23、t;/p><p>　　5.3 動力系統(tǒng)37</p><p>　　5.3.1 壓縮空氣動力發(fā)動機及傳動系統(tǒng)37</p><p>　　5.3.2 動力系統(tǒng)38</p><p>　　5.4 輔助設備40</p><p>　　5.5 壓縮空氣動力汽車的特點40</p><p>　　5.6 國內外研

24、究工作綜述41</p><p>　　5.7 汽車特性對比分析42</p><p>　　5.8 能量分析43</p><p><b>　　5.9 小結44</b></p><p><b>　　結論45</b></p><p><b>　　致謝46</

25、b></p><p><b>　　參考文獻47</b></p><p><b>　　附錄50</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 壓縮空氣動力研究的意義</p><p>　　當前，我國經濟社會發(fā)

26、展與資源環(huán)境約束的矛盾日益突出，環(huán)境保護面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。下大力氣解決危害人民群眾健康和影響經濟社會可持續(xù)發(fā)展的突出環(huán)境和能源問題，努力建設環(huán)境友好型社會成為“十一五”規(guī)劃的發(fā)展重要目標之一。</p><p>　　在現代文明的今天，科技的飛快發(fā)展給人們帶來了非常多的便利，人們從中得到了許多利益。但是當人們享受著這些科技帶來好處的同時，我們周圍的環(huán)境卻遭受著不同程度的破壞。工廠排出的廢氣、汽車排放的尾氣無時無刻不在污

27、染著環(huán)境。然而這些還不算最近可拍的，因為人們想要享受科技的便利必須要消耗大量的能源。但是人們現在所使用的能源大多數是石油，煤炭等，而這些能源卻不是取之不盡的。拿石油舉個例子，目前全球每日石油消耗量約為五千萬桶，但是世界石油總可采儲量僅為1434億噸，儲采比（是指年末剩余儲量除以當年產量得出剩余儲量按當前生產水平尚可開采的年數）為41年，中國則為38億噸和24年。另外，對于石油儲量相對偏少的國家而言，如中國、日本等，需要大量進口石油。可想

28、而知，當石油等不可再生的能源耗盡時，科技的發(fā)展可能會出現斷層，經濟會崩潰。因此，調整能源消費結構，大力開發(fā)使用清潔能源，已經成為全世界包括我國節(jié)約寶貴不可再生能源、加強環(huán)境保護的一項緊迫任務。 </p><p>　　正是在“環(huán)境污染”與“能源危機”的雙重壓力下。多種代用能源相繼出現，如天然氣能源、醇類能源、氫燃料能源、電動能源等。</p><p>　　天然氣能源：它在治理大氣污染、緩解能源

29、危機能方面具有一定優(yōu)勢，是一種很有前景的代替能源。但是天然氣能源成本高并且與汽油一樣，都是礦物燃料，都是不可再生資源，不是取之不盡的。</p><p>　　醇類能源：主要分為甲醇燃料和乙醇燃料。甲醇燃料的使用對生態(tài)環(huán)境和人體健康具有較大的影響。乙醇燃料由于是從農作物制取，屬于可再生能源，在生態(tài)循環(huán)中可減少大氣中的CO和溫室效應，受到許多國家重視。但目前存在的問題是乙醇制取能耗較大、成本較高，約為汽油的兩倍，要在生

30、產技術上尋求突破，降低能耗和成本。</p><p>　　氫燃料能源：氫是一種無機燃料，燃燒發(fā)熱量大，為相同質量石油的3倍，他可以用各種一次性能源，特別是核能和太陽能將水直接分解來獲得。因此氫是一種可以再生的、低污染的理想替代燃料。但是現在國際氫燃料實用化的關鍵仍面臨儲存、運輸、生產成本昂貴、以及安全操作等難題。其一，燃料價格過高，按市場價氫比汽油高6- 10倍，其二，設備復雜。直接燒氫需高壓或低溫，技術難度大，易

31、泄漏，有嚴重的安全隱患。其三，燃料供應系統(tǒng)復雜。直接燒氫需新建加氫站，不能利用現有石油網路組合或替代，必須新建投資巨大。</p><p>　　電動能源：目前電動能源因為蓄電池的制造成本很高、周期壽命短、使用成本高、電池充電時間長、本身的二次污染，一時難以達到大規(guī)模的使用程度。</p><p>　　以上一些清潔能源仍然有污染和熱效應，有些燃料還有毒性，于是人們期待一種沒有污染、用之不竭、經濟

32、實用的新型能源。壓縮空氣動力就是其中之一，它是以壓縮空氣為動力。壓縮空氣是繼水力、電力、石油及天然氣之后的第四大資源。</p><p>　　1.2 壓縮空氣動力系統(tǒng)的組成</p><p>　　壓縮空氣是無污染的動力源，以壓縮為動力源的啟動動力系統(tǒng)可被稱為綠色氣動力系統(tǒng)，其特點是以壓縮空氣的生產到最終的排放，對環(huán)境都不產生污染。綠色氣動力系統(tǒng)的組成和能量路線見圖（1-1），其中綠色能源可以是

33、太陽能。風能、水能、地熱能等一次能源，或有它們產生的電能。轉換裝置主要包括將一次能源轉換為機械能的裝置和空氣壓縮機，通過它們生產潔凈的壓縮空氣。高壓氣體單元是空氣壓縮機生產的存入儲氣罐中的高壓壓縮空氣，作為氣動動力系統(tǒng)的直接動力源。減壓控制單元是設備上或系統(tǒng)中儲存的高壓壓縮空氣的能量傳遞和轉換的控制環(huán)節(jié)，其作用是將高壓氣體減低為驅動氣動發(fā)動機所需的中低壓氣體。氣動發(fā)動機是氣動動力系統(tǒng)的動力輸出裝置，以壓縮空氣為能源對外做功。輔助裝置包括

34、系統(tǒng)監(jiān)控、能量補償和能量回收裝置，對系統(tǒng)能量的高效利用起到重要的作用。負載試制動力系統(tǒng)運行過程中所完成的各種工作和克服的各種阻力。</p><p>　　圖1-1 氣動動力系統(tǒng)組成與能量控制流程方框圖</p><p>　　1.3 壓縮空氣的發(fā)展</p><p>　　壓縮空氣技術越來越多地應用于各個行業(yè)的自動裝配和自動加工小件、特殊物品的設備上，原有傳統(tǒng)的氣動元件性能正

35、在不斷提高，同時陸續(xù)開發(fā)出適應市場要求的新產品，使其各品種日益增加。其發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：</p><p>　?。?）機電一體化、智能化</p><p>　　與電子技術結合，大量使用傳感器，氣動元件智能化帶開關的氣缸國內已經普遍使用，開關體積將更小，性能更高。隨著工業(yè)的發(fā)展，所需的各種高效、多功能、自動化設備和生產線，都迫切需要配套氣電一體化產品。因此，氣動機電一體化與智能化技術的

36、開發(fā)和應用是國際氣動技術發(fā)展的一大趨勢。</p><p>　?。?）精密化、高速化、小型化</p><p>　　為了使氣缸的定位更準確，使用了傳感器、比例閥等實現反饋控制。執(zhí)行元件的定位精度提高，剛度增加，使用更方便。為了提高生產率，自動化的節(jié)拍正在加快，高速化是必然趨勢。有限的空間要求氣動元件的外形尺寸盡量小，小型化是主要發(fā)展趨勢。</p><p>　?。?）高壽

37、命、高可靠性</p><p>　　氣動元件大多用于自動生產線上，元件的故障往往會影響全線的運行，為此，對氣動元件的工作壽命和可靠性有了更高的指標。</p><p>　?。?）節(jié)能、環(huán)保、低功耗</p><p>　　這是永久的課題，并將規(guī)定在建立ISO14000環(huán)保體系標準中。進入21世紀以來，節(jié)能環(huán)保事業(yè)越開越得到重視，一系列的節(jié)能政策和節(jié)能措施不斷頒布實施。所以把

38、握氣動的節(jié)能策略，制定行之有效的氣動節(jié)能措施，對今后深入發(fā)展氣動活動具有重要意義。</p><p>　　壓縮空氣動力的應用其實離我們的生活并不遠。往大了說，許多飛機上的發(fā)動機就是運用了壓縮空氣動力。往小了說，我們裝修房子時所用的氣釘槍同樣運用了壓縮空氣。往新穎了說，機器人身上的關節(jié)有些也是用了壓縮空氣動力。還有電站、汽車等等方面都有用到壓縮空氣動力。總而言之，我們的周圍總是可以看到它的身影。本文見著重介紹壓縮空氣

39、動力中的一些應用：壓縮空氣儲能發(fā)電、壓縮空氣發(fā)動機、壓縮空氣汽車。</p><p>　　第二章 壓縮空氣儲能發(fā)電</p><p>　　氣動動力系統(tǒng)應用的范例之一是壓縮空氣儲能系統(tǒng)。壓縮空氣儲能（CAES）是一種新型電能儲存技術，其它的儲能技術還有抽水儲能、蓄電池、超導蓄能、儲熱蓄能等。CAES是50年代發(fā)展起來的，第一個壓縮空氣儲能電站1978年在德國建造，儲能容量為290MW。1991年

40、，美國建成了儲能容量為110MW的壓縮空氣儲能裝置，其主要部分是一臺兩級汽輪機，一臺壓縮機，一臺發(fā)動機和一臺回收裝置，此外還有換熱系統(tǒng)、低壓膨脹器等，發(fā)電時可是燃料消耗降低30%[1]。日本能源廳和電源開發(fā)公司已研制出兩種壓縮空氣儲能系統(tǒng)：一種是變壓式，隨著壓縮空氣充入洞室和從洞室中釋放的過程，儲存的壓縮空氣壓力發(fā)生變化：另一種是定壓式，它選擇有色金屬廢礦洞，利用地下水的壓力對壓縮空氣進行水封[2]。其它一些國家正在計劃建造壓縮空氣儲能

41、系統(tǒng)。</p><p>　　2.1壓縮空氣儲能（CAES）電站相關概念</p><p>　　2.1.1 CAES電站工作原理</p><p>　　CAES電站是上世紀50年代發(fā)展起來的行星能量儲存系統(tǒng)，在20世紀90年代開始隨著相關科技的逐步完善，以及各國對能源電力質量、環(huán)境保護的更高要求，一些國家開始重視CAES的研究工作[3]。</p><p

42、>　　CAES電站包括壓氣機、電動機/發(fā)電機、地下儲氣室、換熱器、燃燒室、燃氣輪機等常用設備，可分為儲能子系統(tǒng)和發(fā)電子系統(tǒng)。如圖（2-1）。壓氣機、電動機、儲氣室等組成的儲能子系統(tǒng)中將電站低谷的低價電能通過壓縮空氣儲存在巖穴、廢棄礦井等儲存室中，儲能是通過聯軸器將電動機/發(fā)電機和壓氣機耦合，與燃氣輪機解耦合；電力系統(tǒng)峰荷時，利用壓縮空氣燃燒驅動燃氣輪機發(fā)電，燃氣輪機、燃燒室以及加熱器等即發(fā)電子系統(tǒng)，發(fā)電是電動機/發(fā)電機與燃氣輪機耦

43、合，與壓氣機解耦合。</p><p>　　圖 2-1 CESA系統(tǒng)概念圖</p><p>　　2.1.2 壓縮空氣儲存空間的選取</p><p>　　由于氣體容易壓縮,因此存儲彈性能的存儲介質首選氣體。壓縮空間的選取主要考慮空間體積以及所能承受的壓力。</p><p>　　對于用壓縮空氣存儲少量能量,存儲空間可以選擇管道、大型罐子等壓力容器

44、,這樣可以組合成小型壓縮空氣蓄能電站甚至微型壓縮空氣蓄能電站。大型的壓縮空氣蓄能電站,大量的壓縮空氣貯存于地下,對于大量的壓縮空氣的存貯地點的研究,迄今為止集中在三種方式上[4],即地下鹽巖礦內的巖洞、現存礦洞或挖掘成的巖石洞和地下含水的巖石層。鹽巖洞可以由水沖刷鹽巖石形成,沖刷形成的洞穴逐漸向地表擴展,其深度一般是中等深度,其花費的代價較小,但需具備一定地質條件。巖石洞既有自然形成的,也可以人工挖掘而成,這種洞穴需要對洞穴四周的墻壁進

45、行密封保證氣密性。如果由人工挖掘而成則其花費要比巖洞昂貴的多。含水的巖石層是地下水具有很高穿透率的巖石層,含水巖石層水位的高度可以變化,可以利用地下水位高度的變化存儲空氣,同時直接就由水起密封作用。</p><p>　　2.2 壓縮空氣儲能發(fā)電過程中的能量轉換</p><p>　　2.2.1 理想轉換過程</p><p>　　壓氣機壓縮空氣蓄能過程若當作絕熱過程,空

46、氣當作理想氣體,過程可逆,則過程遵循可逆絕熱過程關系式:</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　其中,為空氣壓縮后及壓縮前絕對壓力，為空氣壓縮后及壓縮前的體積，單位為為空氣的絕熱指數，環(huán)境溫度和壓力時，，其值隨溫度和壓力的增大而減小。但在壓縮空氣存儲過程中，其值變化不超過10%。</p><p>　　則可計算出存儲

47、能量為:</p><p><b>　　（2-2）</b></p><p><b>　　或 </b></p><p>　　上式實際上是絕對壓縮過稱消耗的功。</p><p>　　因為其體積是固定的,因此存儲能量數量由壓縮空氣的壓力和溫度決定,如果把氣體當作理想氣體,則符合理想氣體狀態(tài)方程

48、。和絕熱過程方程聯立,可得。</p><p>　　因為在實際應用中,壓比高達一倍以上,因此,最大溫度高達1000V以上,這對于存儲空間來說是不可接受的,因此必須把進入存儲空間之前的高壓、高溫氣體降溫,假設氣體被等壓冷卻到,所釋放的熱量為,所釋放熱量可以被熱能存儲設備保存起來,在利用壓縮空氣發(fā)電時用來加熱壓縮空氣。圖（2-2）是氣體在理想過程中的曲線。</p><p>　　圖 2-2 壓縮空

49、氣蓄能系統(tǒng)等熵過程曲線</p><p>　　2.2.2 實際轉化過程以及轉化率[5]</p><p>　　實際上，壓縮機存在能量損失（約5%—10%），高溫氣體冷卻過程釋放熱量也不能完全被利用來加熱壓縮空氣，在燃氣輪機內膨脹做功是也有10%以上能量損失。因此，整個系統(tǒng)的儲存效率在65%左右，最高可到70%。因此考慮到壓縮機效率，實際上壓縮空氣所能存儲能量：</p><p

50、><b>　　（2-3）</b></p><p>　　在燃氣輪機內做功為：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　其中分別為壓氣機和燃氣輪機內效率。</p><p>　　綜合以上分析:如果壓縮空氣蓄能系統(tǒng)只包含一級壓縮,一級膨脹,則整個循環(huán)能量轉換系數為。<

51、/p><p>　　德國CAES電站是41%,但是若用壓縮空氣消耗熱量來代替壓縮空氣耗功,則可以得到燃料利用效率:</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　如果，則德國CAES電站燃料利用效率為25%，也就意味著所存儲的能量有71%左右轉化率。</p><p>　　2.3 各種能量存儲技術的性能對比

52、</p><p>　　對于電能的存儲,可以采取以下方式,如抽水蓄能電站（PHS） 、壓縮空氣蓄能（Compressed Air Energy Storage’CAES）電站、高效電池蓄能(BES)電站、超導磁蓄能(SMES)、飛輪蓄能(Flywheels)、電磁蓄能(SMES)等方式。其中只有抽水蓄能電站和壓縮空氣蓄能(CAES)電站可以大量的存儲電能而其它蓄能電站則最大功率只能到幾個MW,CAES電站單機功率可

53、達350MW以上,抽水蓄能電站則最大容量已到2.1GW,因此只有這兩者才可以真正起到調節(jié)電網負荷、提高供電質量的作用。但抽水蓄能電站因為電站選址、造價等問題受到限制,而壓縮空氣蓄能(CAES)電站則沒有上述限制,可以建在城市附近。</p><p>　　表（2-1）是根據某研究機構的數據[6]整理的抽水蓄能,壓縮空氣蓄能,超導電磁蓄能,飛輪蓄能,高效電池蓄能,燃料電池蓄能等能量存儲技術的投資、容量和效率等的對比數據

54、。從表中數據可以看出,壓縮空氣蓄能電站具有投資少,運行維護費用低,負荷范圍大等優(yōu)點。</p><p>　　表 2-1 不同蓄能方式的性能對比</p><p>　　2.4 壓縮空氣蓄能電站的現狀和發(fā)展趨勢</p><p>　　世界上第一個CAES電站是在1978年的德國Huntdorf CAES電站,機組容量290MW,其冷態(tài)啟動至滿負荷僅需6分鐘,在25%負荷時的

55、熱耗僅比滿負荷高,211kJ其排放量僅是同容量燃氣輪機機組的三分之一,自從世界上第一個CAES電站德國Huntdorf CAES電站投產,CAES電站主要出現了以下一些發(fā)展趨勢。</p><p>　　2.4.1 改進燃氣輪機循環(huán)</p><p>　　貯氣室出來的壓縮空氣壓力較高,一般發(fā)電子系統(tǒng)都應用高壓膨脹機排氣進行再熱循環(huán),可使功率大幅度提高。應用回熱技術,美國阿拉巴瑪州的麥克莫扎什在1

56、991年5月投入商業(yè)運行的機組容量為110MW的CAES電站應用了回熱,其經濟性有很大程度的提高,熱效率相對于德國Huntdorf CAES電站熱效率提高了25%,以高位發(fā)熱量計算其發(fā)電熱耗僅為5565kJ/kWh,綜合投資費用為450美元/kW。美國建設的300MW機組,其系統(tǒng)圖如圖4,根據相關文獻數據,應用Alstom 11NM燃氣輪機,若是常規(guī)的燃氣輪機電站,其功率為87MW,若改為聯合循環(huán)則功率為130MW,圖（2-3）所示CA

57、ES電站,功率可達300MW。我國華北電力大學也在這方面進行了系統(tǒng)集成及性能優(yōu)化[7]。</p><p>　　圖2-3 3300MW壓縮空氣發(fā)電電站</p><p>　　2.4.2 應用聯合循環(huán)技術</p><p>　　利用燃機排氣余熱的燃氣—蒸汽聯合循環(huán)技術及其動力裝置,燃煤的燃機聯合循環(huán)技術，如IGCC（整體氣化聯合循環(huán)）和PFBC_CC(增壓流化床燃燒_聯合循

58、環(huán))技術,都在研究應用于CAES機組的可行性[8]。一些裝置的熱效率已達到50%-60%。</p><p>　　瑞士ABB公司(現已并入阿爾斯通公司)正在開發(fā)聯合循環(huán)壓縮空氣蓄能發(fā)電系統(tǒng),此時發(fā)電機用同軸的燃氣輪機—蒸汽輪機驅動。蓄能發(fā)電功率為442MW,空氣壓力為33ata,壓氣運行時間為8h, 濕度60%,貯氣空洞為硬巖地質,采用水封方式,發(fā)電機輸出功率時貯氣效率高達95%。</p><p

59、>　　2.4.3 機組和電站的大型化、自動化</p><p>　　隨著燃氣輪機技術的提高,CAES電站機組也出現了大型化趨勢,當前在韓國、以色列等國所發(fā)展的機組等針對的是300MW以上機組,而Morocco在建400MW機組。最近美國GE公司開發(fā)的一種超高壓雙軸系、雙機式的聯合循環(huán)CAES系統(tǒng)。其高壓部分包括高壓壓氣機、高壓燃燒室、高壓燃氣輪機和電動/發(fā)電機單獨構成一個軸系,機器之間還通過齒輪嚙合,而不限于

60、采用聯軸器,其功率可達829MW。</p><p>　　美國在建的Ohio州CAES電站則總容量達到2700MW,該電站由9臺300MW機組成。其壓縮空氣貯存于地下的地下巖鹽層洞穴內,存貯洞穴容積為9.57*,洞穴內可保持氣體壓力103.42bar,其設計數據:發(fā)電熱耗為4320Btu/(kWh).綜合投資費用在275-600美元/kW。隨著機組容量的擴大,自動化程度也在提高,現在所建機組都已實現遠距離自動控制。

61、</p><p>　　2.4.4 用于分布式能量系統(tǒng)及熱、電、冷聯供</p><p>　　分布式能量系統(tǒng)是是建立在自動控制系統(tǒng)、先進技術材料、靈活的制造工藝等新技術的基礎上,具有低污染排放、靈活方便、高可靠性和高效率的電能生產系統(tǒng)。其容量一般在15kW—10000kW左右,容量較小,靠近負荷中心。應用微型、小型燃氣輪機組成的小型或微型CAES電站,可以在投入較少的情況下,調節(jié)峰谷差,保證供

62、電質量。應用Allison501KM7航空燃氣輪機的小型CAES機組,可以提供5MW—15MW的發(fā)電功率。其包括存儲空氣系統(tǒng)的單位造價已經低于常規(guī)燃氣輪機電站的單位造價,但是其調節(jié)峰谷差、提高供電質量的能力卻相當于常規(guī)燃氣輪機電站的2倍以上。</p><p>　　壓縮空氣蓄能電站用于分布式能量系統(tǒng),往往存在發(fā)電時燃氣輪機乏氣熱量以及壓縮空氣的熱量利用問題,而一般分布式能量系統(tǒng)又有對于熱量、冷量等的需求,因此如何利

63、用余熱以及實現壓縮空氣蓄能電站的熱、電、冷聯供也成為一個研究方向。</p><p>　　2.4.5 儲存空間方面發(fā)展</p><p>　　目前,國外對CAES部件和性能在做其它方面改進,如將蒸汽注入燃氣輪機的膨脹室內,加大儲氣室空氣濕度和采用地面式壓縮空氣儲能罐等。對于地下鹽巖礦內的巖洞(Salt domes)、現存礦洞或挖掘成的巖石洞(rock cavities)和地下含水的巖石層(aq

64、uifers)三種壓縮空氣存儲空間的選擇是相當復雜的程序,因此這也成了限制壓縮空氣蓄能電站發(fā)展的主要原因。但相關文獻表明美國有80%以上的州存在可以用做貯氣室的地質。因此可以想象,我國也大量存在可以用做貯氣室的地質,尤其是煤礦、氣田比較多的地方,利用廢棄的煤礦或氣田必然可以大大減少投資。在存儲空間選擇上除上述三種方式之外,我國哈爾濱電力部門也在進行利用現有的地道作為貯氣室的研究;還有在進行海底式氣缸研究的,因為海水越深,壓力越高,根據壓

65、力要求,在相應的壓力下設置氣缸,即可存貯壓縮空氣,缸殼體可以采用不銹鋼板等制成。</p><p>　　2.4.6 各國CAES電站的研究和發(fā)展情況</p><p>　　世界上第一座CAES電站1978年始建于德國,目前仍在運行中。繼德國之后,美國于1991年投運了一座CAES電站,日本從90年代開始致力于一座35MW 的試驗電站開發(fā)計劃,以色列和芬蘭也在從事可行性研究。</p>

66、<p>　　德國Huntorf CAES電站l978年投運后至l991年的十多年運行證明,CAES是一項靈活而可靠的技術,可迅速滿足各種變負荷要求,具有快速啟動能力,在緊急情況下僅需6min即可完成冷態(tài)啟動到滿負荷過程,有良好的負荷跟蹤和頻率控制特性,能實現遠距離自動控制。該電站在1979年1月1日至1991年12月31日期問共啟動并網5000次(發(fā)電方式2342次,其它方式2684次),成功5026次,只有119次失敗,

67、平均啟動可靠性97.6%,平均可用率86.3% ,容量系數平均為33.0%~46.9%。</p><p>　　美國第一座于1991年5月投入商業(yè)運行的CAES電站位于阿拉巴瑪州的麥克莫扎什,機組凈功率11OMW ,曾順利完成了26h發(fā)電和41h壓縮試驗,機組從緊急啟動到滿負荷只需9min該電站由阿拉巴瑪州電力公司豹能源控制中心進行遠距離自動控制,1992年儲能耗電46745 MWh,凈發(fā)電量39255MWh,平均

68、負荷因數4.l,以高位發(fā)熱量計的發(fā)電熱耗為5565 kJ/(kW ·h)[9]。在政府的資助下,日本國內的新能源基金會和電力開發(fā)公司等單位從90年代開始,研究建造一座35MW試驗電站.試驗裝置規(guī)模是未來商業(yè)化設備的1/10,發(fā)電和儲能過程分別對應于用戶峰荷需求和峰谷電耗。在電站設計時,借鑒了德國和美國經驗,采用變壓設計,為提高教率和獲得最大空氣壓力,分別使用了再熱燃氣輪機及3級壓縮機。在當地水源缺乏的條件下,采用空氣冷卻系統(tǒng)。

69、</p><p>　　2.5 壓縮空氣蓄能發(fā)電的優(yōu)點</p><p>　　CAES的優(yōu)點有3個主要方面,即負荷平衡、戰(zhàn)略規(guī)劃及動態(tài)運行。其中負荷平衡優(yōu)點與抽水蓄能電站機相似,允許電力公司削峰填谷,增加基本負荷機組的負荷系數,減少峰荷期間的燃油和燃氣量,并允許增加大量電力銷售機會;戰(zhàn)略規(guī)劃優(yōu)點是減少排放量,由于CAES只有同容量燃氣輪機排放量的1/3,排放量大大降低,CAES 電站所儲能量由

70、低污染的電力如水電、核電及天然氣發(fā)電來滿足,可減少系統(tǒng)總排放量,另外通過仔細選擇廠址,可靈活安排排放量分布,當新的CAES投運后,基本負荷機組利用率提高了,可推遲新容量機組投產;動態(tài)優(yōu)點包括通過減少隨負荷流動產生的較大電力輸送波動,改善供電穩(wěn)定性和供電質量。</p><p>　　由于在CAES中應用了燃氣輪機技術,因而CAES還具有啟動時間短和增減負荷速度快等優(yōu)點,在25負荷時的熱耗僅比滿負荷時高211kJ,可作

71、為旋轉備用容量,所以CAES是一種可承擔部分負荷運行的理想電站該電站總基建投資與類似規(guī)模的簡單循環(huán)燃氣輪機比略高,而其運行成本、部分負荷熱耗及排放量等幾項指標明顯優(yōu)于燃氣輪機[10]。在蓄能發(fā)電方式上也有一定優(yōu)勢,抽水蓄能電站造價較昂貴,需較長時間和合適的場地,且建設工程量較大,CAES可在較短時間內以模塊方式建成,且成本較低。燃氣輪機需燃燒較貴的天然氣或石油,CAES則使用廉價的非峰荷電力壓縮空氣,僅使用少量的天然氣或石油加熱空氣,運

72、行成本比同容量燃氣輪機低1/3 CAES投運后,在非峰荷期間,燃煤機組可帶滿負荷而無需降負荷或停機,可提高燃煤機組可靠性和效率,改善機組熱耗,減少運行成本,同時可降低硫化物、氮氧化物及二氧化碳的排放量。</p><p><b>　　2.6 小結</b></p><p>　　CAES是一種日趨成熟的新技術。組成CAES電站的設備都是常用的,并有幾十年的使用歷史,其中壓縮

73、機在燃氣工業(yè)中是標準設備,透平膨脹機和電動機/發(fā)電機在電力公司中也屆標準設備;將這些設備組合到一起構成了一種前所未有的蓄能方式,在德國和美國都是第一次采用。此外,地下儲氣室的建設需要一定的地質結構,如能利用廢棄煤礦或氣田,就可節(jié)約基建費用。德國和美國CAES電站的運行證明,這項技術的概念設計和合理規(guī)模是可以接受的。</p><p>　　壓縮空氣蓄能電站正在向大型化聯合循環(huán)和微型化方向發(fā)展,聯合循環(huán)以及熱、電、冷多

74、聯供都可以大幅度提高能源利用效率,是未來研究的發(fā)展趨勢。</p><p>　　隨著我國電網的不斷發(fā)展,我國主要電網峰谷差越來越大。2003年起,我國新的電力體制開始運作,分時電價開始引入電力市場,這就為能量存儲系統(tǒng)的發(fā)展提供了需要和經濟條件。由于我國火力發(fā)電中,過去不提倡用天然氣作為燃料,因此對于壓縮空氣蓄能系統(tǒng)的研究比較少,但是現在也逐漸被大學和一些科研機構所重視。隨著CAES技術的不斷發(fā)展和完善,預計它將在若

75、干方面優(yōu)于抽水蓄能電站,成為另一種經濟可行的儲能技術。</p><p>　　第三章 壓縮空氣發(fā)動機</p><p>　　壓縮空氣發(fā)動機在資源和環(huán)境問題日益突出的情況下,與傳統(tǒng)的發(fā)動機相比具有諸多優(yōu)點, 在國外已成為節(jié)約能源和治理環(huán)境污染的重要途徑。它是利用高壓壓縮空氣工作,將高壓空氣中儲存的壓縮能轉換其它的機械能的一種動力裝置。此外,以液態(tài)氮氣、液態(tài)空氣吸熱后膨脹做功為動力的裝置也屬于壓縮

76、空氣發(fā)動機的范疇[9-11]。它不消耗燃料,以壓縮空氣做功為介質,通過工質的膨脹過程對外輸出功率。排放出來的尾氣比大氣中的空氣還干凈,是真正意義上的“零排放的發(fā)動機”，“綠色的發(fā)動機”。與傳統(tǒng)的內燃機相比,壓縮空氣發(fā)動機沒有燃燒過程和大幅度的熱力工況變化,機體不承受高溫,結構簡單,重量輕,制造及使用維護成本低。它可廣泛的應用在車輛、發(fā)電裝置、航空、航天等其它動力裝置中以及易燃易爆的場合。以無污染、低噪音、無熱輻射等優(yōu)點的壓縮空氣發(fā)動機具

77、有巨大的商業(yè)市場前景,目前多個國家均在進行研究,并取得一定的成果。其中以壓縮空氣發(fā)動機為動力裝置的氣動汽車有了一定小規(guī)模的商業(yè)生產，已經帶來了良好的經濟效應和社會效應。</p><p>　　壓縮空氣發(fā)動機因其獨特的優(yōu)點而引起人們的廣泛關注和研究，主要有往復活塞式[12-16]、葉片式[17]和旋轉活塞式[18]等結構形式。各種基于氣動汽車探索性，概念性的新型壓縮空氣發(fā)動機技術也在積極的研究之中[19]。下面分別介

78、紹這三類壓縮空氣發(fā)動機的工作原理、國內外發(fā)展現狀、現階段主要存在的問題以及將來研究重點。</p><p>　　3.1 往復式壓縮空氣發(fā)動機</p><p>　　為了解決日益嚴重的汽車污染，往復活塞式壓縮空氣發(fā)動機在氣動汽車上得到了快熟的發(fā)展，除了動力來源不同，氣動汽車工作原理與普通的汽車基本相同，工作循環(huán)過程有三個過程組成，即：進氣過程、膨脹做功過程和排氣過程。同時壓縮空氣發(fā)動機還是兩沖程

79、的發(fā)動機，即在曾哥工作過程由軸旋轉一周完成，它在活塞下行時完成進氣和做功，活塞上行時排除缸內氣體。高壓的空氣在氣缸里膨脹推動活塞移動，再經過連桿傳遞到曲軸使其旋轉做功，和傳統(tǒng)往復活塞式內燃機工作比較相似，因此往復式空氣發(fā)動機可以借鑒現有的成熟的內燃機技術，在原有內燃機結構上和汽車傳動裝置上不需要太大的改動，所以現在研制的氣動汽車上的發(fā)動機上大部分采用這種往復活塞式壓縮空氣發(fā)動機。</p><p>　　國外，往復活

80、塞式壓縮空氣發(fā)動機這方面的研究法國處于世界領先水平，如法國的MDI ( Moteur Development International)公司已經生產了多款純氣動汽車并在此基礎上研制開發(fā)了其它燃料、壓縮空氣復合型汽車，并獲得相關專利20多項，其中圖（3-1）為他們設計的四缸單軸壓縮空氣發(fā)動機。到2007年底，已經設計制造出Family, Van，Taxi, Pick-Up, Mini Cat's 等多種型號的氣動汽車，主要用于出

81、租車、家庭用車、小型貨車、公交車等。其中一款安裝有Guy Negre 的壓縮空氣發(fā)動機的氣動汽車以一罐300L,300 bar 壓力的壓縮空氣可以行200-300km，最高時速110 km/h，接電自充氣時間在4個小時左右，而在加氣站充氣時間只需3分鐘。</p><p>　　受到MDI公司的啟發(fā)，在能源部的資助下，美國多個大學開展了以液態(tài)氮氣在受熱膨脹對外做功的壓縮空氣發(fā)動機研究，取得了一定的成果，如圖（3-2）

82、所示。它是由一臺舊五缸直列式活塞發(fā)動機改裝的，并且對壓縮空氣發(fā)動機過程進行了仿真分析，指出高壓氣體在缸內等溫膨脹是提高發(fā)動機效率的有效途徑，小缸徑大沖程以及低轉速有利于使發(fā)動機的工作過程接近準等溫膨脹過程。</p><p>　　圖3-1 MD工公司生產的往復式壓縮空氣發(fā)動機</p><p>　　圖3-2 華盛頓大學研制的壓縮空氣發(fā)動機</p><p>　　國內，浙江

83、大學在國家自然科學、“十五”國家科技攻關計劃項目等多項基金的資助下，開展了對氣動汽車相關研究。浙江大學壓縮空氣發(fā)動機采用往復活塞式四沖程汽油型內燃機結構進行改裝，如圖(3-3)所示，其中把改裝后的462A壓縮空氣發(fā)動機安裝在某微型汽車上，進行了國內首次氣動汽車試驗，如圖(3-4)所示。試驗表明，以200 L,12 MPa 的壓縮空氣可以行駛1.87 km，最高時速達到3 5 km/h，最大爬坡度20%。試驗驗證了氣動汽車是可行的，無污染

84、的，低速性能比較好，但是高速勝能較差，整體效率較低，離實際應用還有一段距離，還需要找出影響效率的一些關鍵因素，并對其改進。此外浙江大學也在進行液氮發(fā)動機和壓縮空氣-燃油混合動力方面的研究[20-23]。</p><p>　　在清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室開放的基金資助下，合肥工業(yè)大學以R175型柴油機為母機，對其設計改裝制作成壓縮空氣發(fā)動機，并對其臺架試驗[24-25]。試驗包括氣瓶連接方式試驗、潤滑油試

85、驗、換熱試驗、配氣相位對比試驗、缸內壓力曲線與供氣管壓力曲線測定、發(fā)動機循環(huán)波動測定及轉速維持試驗。試驗以45L及15MPa 的為氣源,在轉速700 r/min情況下，輸出功率2.205kW，機械效率為74.31%，發(fā)動機能持續(xù)運轉時間為10 min左右。結果表明:改裝后的發(fā)動機運轉時管路中的部件(如接頭、排氣管)在外壁面有結霜現象，總能量效率偏低，耗氣量較大，但壓縮空氣發(fā)動機是可行的。</p><p>　　圖3

86、-3 462A壓縮空氣發(fā)動機</p><p>　　圖3-4 浙江大學研制的氣動汽車</p><p>　　雖然往復活塞式壓縮空氣發(fā)動機可以從成熟的往復活塞式內燃機技術中移植過來，研發(fā)周期短，設計和制造容易，得到更快的發(fā)展，但目前往復活塞式壓縮空氣發(fā)動機還存在一些問題:</p><p>　　(1) 由于往復活塞式壓縮空氣發(fā)動機的動力直接來自于物理方法儲存的高壓空氣能量，

87、對氣缸的密封性要求高，活塞與汽缸之間的摩擦屬于動摩擦，不利于兩者之間的密封，在實際應用中，氣缸漏氣比較嚴重，造成發(fā)動機效率低;</p><p>　　(2) 往復活塞式壓縮空氣發(fā)動機低速性好，但隨著轉速升高輸出扭矩減小、功率減小、耗氣量增大、能量利用率下降;</p><p>　　(3) 由于往復活塞式壓縮空氣發(fā)動機氣缸容積以及車上有限能量的限制，發(fā)動機功率小;</p><

88、p>　　(4) 往復活塞式壓縮空氣發(fā)動機配氣機構和減壓控制機構的設計還需要進一步完善，減少在輸送過程中高壓空氣能量的的損失。</p><p>　　往復活塞式壓縮空氣發(fā)動機只適用于小功率，低轉速的環(huán)保型機器動力裝置。未來在大功率，高轉速的環(huán)保型機器領域內尤其是汽車領域，對往復活塞式壓縮空氣發(fā)動機的需求必將擴大，而增大功率，提高效率，減輕重量，將成為往復活塞式壓縮空氣發(fā)動機的發(fā)展趨勢。</p>&

89、lt;p>　　3.2 葉片式壓縮空氣發(fā)動機 </p><p>　　葉片式壓縮空氣發(fā)動機的前身是葉片氣動式馬達，利用壓力作用在不等高的葉片上，產生大小方向不同的轉矩，在轉矩差的作用下驅動轉子轉動，輸出機械動力。但馬達工作壓力較低，輸出功率小，滿足不了氣動汽車上的動力裝置，需要對其重新設計。英國倫敦威斯敏斯特大學(University of Westm-roster)的c.j.marquand 教授設計了一臺試

90、驗型的兩級偏心葉片式壓縮空氣發(fā)動機，如圖(3-5)所示。并進行了臺架試驗，采用兩級各12個葉片的偏心轉子，工作壓力為4.5MPa，在1000 r/min 時可以輸出25kw的功率。該發(fā)動機特點是:回收了制動系統(tǒng)在剎車時產生的熱能，利用流動的空氣在冷卻剎車片的同時將熱量引導熱交換器中去，熱交換面積大，吸熱效率高。葉片式壓縮空氣發(fā)動機具有較高的起動力矩，可以直接帶載荷起動，起動、停止均迅速，結構簡單，操縱方便，維護較容易，但也存在一些缺點:

91、</p><p>　　(1) 轉子、定子、葉片之間的接觸面積大，密封起來比較困難，所以氣體泄露大，造成效率低;</p><p>　　(2) 在工作過程中，葉片在彈簧力和離心力的作用下，把高壓氣體封閉在工作腔，隨著轉速升高，葉片與定子之間的摩擦越大，所以葉片式壓縮空氣發(fā)動機的葉片磨損較快;</p><p>　　(3) 葉片式壓縮空氣發(fā)動機的噪聲大且潤滑材料消耗量大。&

92、lt;/p><p>　　圖3-5 葉片式壓縮空氣發(fā)動機</p><p>　　未來大功率、密封性能良好、高效率是葉片式壓縮空氣發(fā)動機研究的重點。</p><p>　　3.3 旋轉式壓縮空氣發(fā)動機</p><p>　　旋轉式壓縮空氣發(fā)動機主要是由定子和轉子構成。高壓的氣體直接或者間接的膨脹推動轉子旋轉，輸出動力。這種發(fā)動機結構簡單、緊湊、效率高。澳洲

93、的Engineair 公司發(fā)明的偏心旋轉式發(fā)動機如圖(3-6)所示，只有兩個運動件驅動發(fā)動機，取締了傳統(tǒng)的活塞裝置。重量只有13kg,功率卻相當于5LV8汽油機。它工作是靠6個氣室依次輪流膨脹推動轉子旋轉 ，輸出連續(xù)的扭矩。特點是摩擦力小 ，漏氣比較嚴重。裝備這種發(fā)動機的機動車在墨爾本進行試駕時如圖(3-7)所示 ，最高時速達50公里，比電池推動的高爾夫球用車更有效率。</p><p>　　圖3-6 旋轉式壓縮空

94、氣發(fā)動機原理圖</p><p>　　圖3-7 Engineair 公司生產的氣動汽車</p><p>　　3.4 新型旋轉式壓縮空氣發(fā)動機</p><p>　　由于旋轉式發(fā)動機裝置具有零件數少 、結構緊湊、噪音和振動小 、比功率大、比體積小和高速性能好等優(yōu)點 ，新的旋轉式壓縮空氣發(fā)動機技術越來越受到人們的關注 ，出現了許多相關的研究 ，三角轉子壓縮空氣發(fā)動機就是其中

95、的一種[26,27]。</p><p>　　三角轉子壓縮空氣發(fā)動機主要由前后端蓋 、轉子、主軸、缸體 、內外齒輪等組成，缸體內表面是雙弧圓外旋輪線 ，轉子的三邊是圓外旋輪線的內包絡線，氣缸中心與轉子中心之間存在偏心距 e，氣缸靜止不動，沿其內表面滑動的轉子 ，一邊繞自身中心自轉，又一邊繞氣缸中心公轉 。外齒輪固定在氣缸端蓋上，壓縮空氣發(fā)動機主軸頸穿過外齒輪并與之同心，內齒輪固定在轉子上，主軸的偏心軸頸穿在轉子的軸

96、承孔內。內、外齒輪始終保持嚙合，其齒數比為 3：2。工作時，主軸帶動偏心軸頸來推動轉子沿氣缸內表面滑動 ，從而完成了進氣、膨脹 、排氣工作過程[28] ，工作原理簡圖如圖(3-8) 所示。</p><p>　　圖3-8 三角轉子壓縮空氣發(fā)動機原理</p><p>　　新型旋轉式壓縮空氣發(fā)動機關鍵技術問題有 ；</p><p>　　(1)壓縮空氣發(fā)動機工作過程的數學模

97、型的建立 ；</p><p>　　(2)轉子腔體設計以及優(yōu)化 ，使發(fā)動機達到最佳狀態(tài)；</p><p>　　(3)配氣系統(tǒng)的研究，使高壓氣體能充分膨脹并獲得最大的效率 ，捉高能量利用率。</p><p>　　由于三角轉子特殊結構，決定了它具有某些特殊的優(yōu)點。代表著未來高速、安靜、環(huán)保的動力技術的發(fā)展方向。</p><p>　　3.5 三角轉子

98、壓縮空氣發(fā)動機基本結構和工作原理</p><p>　　3.5.1 三角轉子壓縮空氣發(fā)動機幾何原理</p><p>　　缸體內表面型線即圓外旋輪線可用下列方程表示：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　式中：R圓外旋輪線的創(chuàng)成半徑</p><p>　　e氣缸中心與轉子

99、中心之間的距離，即偏心距</p><p><b>　　a主軸轉角</b></p><p>　　三角轉子的型線是氣缸內壁圓外旋輪線的內包絡線，其型線的方程可解析如下：</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　式中u和v是兩個不獨立的變量，其關系為：</p>&

100、lt;p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　3.5.2 三角轉子壓縮空氣發(fā)動機的原理和配氣系統(tǒng)特點</p><p>　　如圖(3-9)所示為三角轉子壓縮空氣發(fā)動機主機構（行星齒輪機構）的傳動簡圖。三角轉子發(fā)動機的主機構是一個行星齒輪機構。偏心軸簡化為一系桿，其中心線O即為主軸頸的中心線，即相位外齒輪的中心線：中心線Or 即為偏心盤的中心線，即相

101、位內齒輪的中心線。這兩中心線的距離為偏心軸的偏心距e。 相位外齒輪固定不動，其節(jié)圓半徑為k，系桿（偏心軸）繞中心線O轉動。內齒輪繞中心線Or轉動并繞中心線O作周轉運動，其節(jié)圓半徑為r。</p><p>　　圖3-9 三角轉子壓縮空氣發(fā)動機主結構</p><p>　　內齒輪的節(jié)圓半徑為3e，外齒輪的節(jié)圓半徑為2e。由此可知，內齒輪和外齒輪的齒數比決定了轉子公轉和自轉的角速度之比，而其節(jié)圓半徑

102、均為偏心距e的倍數。</p><p>　　3.5.3 三角轉子壓縮空氣發(fā)動機的工作原理</p><p>　　三角轉子壓縮空氣發(fā)動機是利用高壓壓縮空氣為動力源，將壓縮空氣存儲的壓力能轉化為機械能的動力裝置。在運動過程中三角轉子頂點的運動軌跡始終與氣缸內壁相重合，缸體內部空間被轉子分成三個獨立工作室，隨著轉子轉動，三個工作室的容積不斷的變化，其中轉子AB型面和缸體封閉的工作容積變化曲線,如圖(

103、3-10)所示，工作室的容積由小變大過程中,高壓氣體進入工作室膨脹對外做功輸出動力，當工作室的容積由大變小的過程中，膨脹后的氣體開始向外排氣直到工作室容積最小，從而完成一個循環(huán)周期。另外其它兩個工作室同時在進行工作，容積變化規(guī)律與其相同，只是存在一個時間位置差。因此三角轉子自轉一周，輸出軸旋轉了三周,三個工作室分別完成了兩次循環(huán)，壓縮空氣發(fā)動機共做功六次。當三角轉子壓縮空氣發(fā)動機單個工作室容積與往復式壓縮空氣發(fā)動機相同時，功率相當于它兩

104、倍。</p><p>　　圖3-10 單個工作容積隨主軸轉角變化情況</p><p>　　3.5.4 三角轉子壓縮空氣發(fā)動機的工作過程</p><p>　　三角轉子壓縮空氣發(fā)動機工作過程由進氣、膨脹和排氣三個沖程組成，當轉子頂角轉過進氣口時，腔體開始吸入高壓氣體并開始膨脹做功，轉子繼續(xù)旋轉，接著下一個轉子頂角關掉進氣口，然后由排氣口把氣體排出。</p>

105、<p>　　三角轉子壓縮空氣發(fā)動機的工作過程是高壓空氣體積膨脹對外做功的熱力過程。圖(3-11)所示為三角轉子在氣缸內旋轉一周的工作過程示意圖。圖中A. B和C表示轉子三個頂角的徑向密封片。以轉子AB面，BC面、CA面與氣缸形成封閉的工作容積分別作為第一、第二、第三個工作腔(工作室)?，F在就三角轉子在氣缸內旋轉一周說明工作情況。</p><p>　　圖3-11 三角轉子壓縮空氣發(fā)動機的工作過程<

106、/p><p>　　當曲轉轉角從00轉到900。進氣口1打開，高壓氣體開始進入第一個工作腔，第一個工作腔的容積從最小的狀態(tài)圖(3-11 a)所處的位置)開始進氣膨脹做功，排氣口1一直處在關閉狀態(tài)，隔斷進氣口1與外界大氣相通，防止進氣與排氣一直重疊。在這個轉角范圍內第二個工作腔容積不斷減小處于排氣沖程的狀態(tài)，所以排氣口2打開，排出殘余的高壓氣體。第三個工作腔容積不斷增大處十進氣膨脹做功階段，進氣口2打開。</p&g

107、t;<p>　　當轉角達到900曲軸轉角時(圖(3-11 b)所處的位置)，第二個工作腔容積處于最大狀態(tài)，停止膨脹做功沖程，進入排氣沖程階段，所以進氣口2關閉，排氣口1打開。這個時候排氣口1與進氣口1被轉子頂角A隔開，但進氣口2與排氣口1處于同一個工作容積中，由于進氣口2的關閉，防止了在第三個工作腔的進氣與排氣重疊。</p><p>　　當曲轉轉角轉到1800時(圖(3-11 c)所處的位置)，第二