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基于流体力学的尾气能源再利用技术
摘 要：本文介绍了一种将尾气蕴含的压力转化为电能的设备,在机动车现有的排气管衔接处加装涡轮、电机等设备完成能量转换,配合锂电池进行能量储存.
关键词：涡轮；尾气压强；齿轮机构
机动车的尾气排放过程中,大部分的机动车没有利用尾气中蕴含的高压高温能量,燃油在发动机中燃烧后产生的气体被直接排出.目前市场上的尾气处理装置一般是对有害气体进行化学催化反应,将其转化为无害气体,然而其蕴含的物理能量并没有得到利用.针对这个问题,本文介绍了一种将尾气蕴含的压力转化为电能的设备,在机动车现有的排气管衔接处加装涡轮、电机等设备完成能量转换,配合锂电池进行能量储存.
涡轮是一种将流动工质的能量转换为机械功的旋转式动力机械.涡轮工作轮由均匀分部的七只叶片组成,在整个机构中作为原动机构提供机械能,轴作为传动机构联接涡轮与电机,将机械能转化为电能.因涡轮受到较强冲击载荷,需耐高温,一般采用中等淬透性钢作为原材料[1].
设备整体结构简图如图1.涡轮与轴的联接处需承受较大转矩,整体结构在轴向上严格限制移动距离,为增加机构的稳定性,键与键槽之间的配合采用过盈配合,该机构中的键联接需承受冲击载荷,联接在高速转动、振动等情况下不受影响,并要求准确定心.因此机构联接方式采用平键联接.
在传动轴的末端联接齿轮与电机轴上齿轮啮合,利用齿轮传动的方式进行机械能与电能的转换.本机构中的齿轮供内燃机车使用,精度等级为6级,动力齿轮传动的最大圆周速度不超过15m/s,因采用直齿轮传动,分度圆螺旋角为0度,压力角a等于20度,分度圆直径d等于mz.主动轮转速n1,与从动轮转速n2之比即为传动比,用i表示.
整体结构的工作流程如图2：利用出缸尾气蕴含的压强能量,推动涡轮旋转,传动轴将涡轮产生的动能传导在齿轮机构上,齿轮机构与电机传动轴进行的能量转换产生的电能储存在蓄电池中,在机动车处于恶劣工况的情况下可使用电能节省燃油[2].
在尾气管中涡轮叶片在周向和轴向上受到冲击力用Pu、Pa表示,计算式如下：
上式中r1表示燃气密度,Ψ表示气流速比,β1、β2为叶片进、出气角.对于给定的燃气轮机,Ψ、β1、β2都是定值,变化的只有F,故关键求F.F表示垂直于透平轴的气流截面积.
为涡轮叶片转过的周期,为单个静叶的角节距,为气流截向的高度变化.
传动轴与电机轴的传动采用直齿圆柱齿轮传动的方式,齿轮在传动过程中受圆周力、径向力、轴向力.
涡轮叶片在受到冲击时旋转做功,机械能传导在电机上,电机开始发电,通过正负极导线将电能引出,储存在蓄电池中.涡轮叶片的半径、宽度、机械效率为恒定不变的值,其产生的机械能由进出口压差决定.在能量转化过程中,能量损耗组成为电热、机械损耗、齿轮损耗、电机损耗[3].
通过以上的机构组合,可达到尾气压强转化为电能的目的.涡轮机构受压强的推动而旋转,传动轴机构、齿轮机构、机械能传导在电机轴上,电机旋转切割磁感线产生电能,通过导线将电能储存在蓄电池中,在机动车处于恶劣工况时为其提供电能,为用电器供电,实现节约电能的作用.※
参考文献：
[1]邱宣怀.机械设计（第四版）[M].北京：高等教育出版社,1997.
[2]孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理（第八版）[M].北京：高等教育出版社,2013.
[3]周忆,于今.流体传动与控制[M].北京：科学出版社,2008.
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1、工程流体力学论文