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關(guān)鍵詞：大功率 激光清洗設(shè)備

一、引言

激光清洗是一種新型激光表面處理技術(shù)。它是利用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、銹斑或涂層發(fā)生瞬間蒸發(fā)或剝離，高速有效地清除對(duì)象表面附著物或表面涂層，從而達(dá)到清潔材料表面的工藝過(guò)程[1]。其不需要清潔液或其它化學(xué)溶液，清除污物的范圍和適用的基材范圍廣泛，清洗的過(guò)程不損傷基材表面，因此它與傳統(tǒng)的化學(xué)清洗、機(jī)械刷磨、流體顆粒沖刷、超聲波清洗等相比具有獨(dú)特的優(yōu)越性，所以在許多領(lǐng)域成為不可替代的技術(shù)。是一種“綠色”的清洗技術(shù)[2-3]。

現(xiàn)階段大功率激光清洗設(shè)備主要由國(guó)外廠商生產(chǎn)，如德國(guó)CleanLaser公司，美國(guó)USHIO公司等，他們主要采用光纖耦合技術(shù)獲得大功率激光輸出。由于國(guó)內(nèi)光纖耦合技術(shù)的限制，使得國(guó)內(nèi)激光清洗設(shè)備的輸出功率一般在100W以下，無(wú)法滿足工業(yè)加工的需要。本文根據(jù)市場(chǎng)對(duì)大功率激光清洗設(shè)備的實(shí)際需求，選用半導(dǎo)體激光泵浦模塊，采用單程放大技術(shù)，研制了一臺(tái)輸出功率大于200W，清洗速度達(dá)到50cm2/秒的大功率激光清洗設(shè)備。填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大功率工業(yè)級(jí)激光清洗設(shè)備的空白，該設(shè)備可應(yīng)用于輪胎模具、銹蝕金屬板等工業(yè)清洗領(lǐng)域。

二、大功率激光清洗設(shè)備組成

大功率清洗設(shè)備主要包括電氣控制機(jī)柜、激光器組件和加工頭三部分，電氣控制機(jī)柜包括：冷卻系統(tǒng)、控制機(jī)箱、半導(dǎo)體泵浦電源、聲光Q驅(qū)動(dòng)電源；激光器組件包括：激光諧振腔、聲光Q開(kāi)關(guān)、半導(dǎo)體泵浦模塊、擴(kuò)束鏡等；加工頭包括：掃描振鏡、振鏡驅(qū)動(dòng)電路。加工頭通過(guò)導(dǎo)光臂安裝在激光器上。設(shè)備組成實(shí)物圖如圖1。

激光器組件采用半導(dǎo)體泵浦模塊作為泵浦源，由聲光Q開(kāi)關(guān)調(diào)Q實(shí)現(xiàn)高頻脈沖激光輸出，脈沖激光束通過(guò)高速掃描振鏡的掃描，并由聚焦鏡聚焦，使激光束形成一定寬度的線狀光斑，光斑實(shí)際上是由高頻脈沖光點(diǎn)掃描形成。此線狀光斑作用在待加工工件表面，表面附著的污垢被高能激光沖擊脫落并通過(guò)吸塵器收集產(chǎn)生的粉塵，從而達(dá)到去除污染物的目的。

其功能組成框圖如圖2。

系統(tǒng)供電采用三相380V供電，分別給低壓供電單元、泵浦模塊電源（一）、泵浦模塊電源（二）、冷卻系統(tǒng)以及聲光Q驅(qū)動(dòng)供電，綜合控制系統(tǒng)控制泵浦模塊電源（一）、（二）的輸出電流、激光調(diào)制頻率以及振鏡掃描參數(shù)，同時(shí)提供系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及顯示。冷卻系統(tǒng)為激光器提供冷卻循環(huán)水，對(duì)激光器泵浦模塊和聲光Q開(kāi)關(guān)進(jìn)行制冷。設(shè)備保護(hù)氣采用工業(yè)壓縮空氣，通過(guò)油水分離，去除雜質(zhì)并進(jìn)行干燥對(duì)加工頭激光鏡片進(jìn)行吹氣保護(hù)。

三、激光器組件方案設(shè)計(jì)

激光器組件是設(shè)備的核心部件，為了獲得大功率激光輸出，本文采用本振加放大的光路設(shè)計(jì)來(lái)提高激光輸出功率。激光器組件組成部分包括兩個(gè)半導(dǎo)體泵浦模塊、兩個(gè)單頭聲光Q開(kāi)關(guān)、全反鏡、輸出鏡擴(kuò)束鏡等，激光器通水冷卻。激光光路示意圖如圖3。

圖中全反鏡M1和輸出鏡M2組成本振級(jí)激光諧振腔，為了提高激光輸出功率，我們采用單程放大技術(shù)，在本振激光器中本振激光經(jīng)過(guò)放大級(jí)放大輸出，光路中的兩個(gè)聲光Q開(kāi)關(guān)對(duì)半導(dǎo)體模塊產(chǎn)生的連續(xù)激光進(jìn)行調(diào)制，輸出高峰值功率脈沖激光，采用兩個(gè)Q開(kāi)關(guān)能大大提高鎖光能力，因此能得到更高單脈沖能量激光。為方便觀察，在激光器光路上增加紅光指示，紅光指示與激光輸出光路同軸。由于半導(dǎo)體泵浦模塊容易結(jié)露導(dǎo)致Bar條端面損壞，因此激光器需要放置在干燥的環(huán)境中，設(shè)計(jì)中將激光器部分進(jìn)行氣密設(shè)計(jì)，并放入干燥劑。激光器輸出窗口加裝保護(hù)玻璃。激光束通過(guò)聚焦鏡聚焦入射到振鏡，振鏡高速掃描使激光束作用于待加工對(duì)象，實(shí)現(xiàn)激光清洗。

四、電氣控制方案設(shè)計(jì)

激光清洗設(shè)備電氣采用模塊化設(shè)計(jì)，各部分模塊包括：激光冷水機(jī)、泵浦模塊電源、聲光Q開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電源以及綜合控制單元。綜合控制單元對(duì)各部分模塊進(jìn)行控制，同時(shí)綜合控制單元還控制掃描振鏡工作。

激光冷水機(jī)供電要求為AC220V，清洗設(shè)備輸入電源為三相電，用其中一相為冷水機(jī)提供電源。

泵浦模塊電源有兩個(gè)，供電均為AC220V，控制接口包括電源輸出控制、電流大小設(shè)置以及電源故障狀態(tài)。

聲光Q開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電源提供兩路射頻輸出和一個(gè)控制接口，射頻輸出分別接Q開(kāi)關(guān)，控制接口由綜合控制單元I/O控制射頻輸出使能和射頻信號(hào)調(diào)制頻率。

綜合控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦電源、聲光Q開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)、掃描振鏡控制信號(hào)、冷卻系統(tǒng)等各單元的綜合控制，并提供工業(yè)控制接口和人機(jī)操控界面。

采用單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要功能是控制系統(tǒng)加電順序，調(diào)節(jié)模塊泵浦電源電流輸出，以此控制激光器輸出功率，同時(shí)還需要控制高速掃描振鏡的掃描速度和角度。實(shí)現(xiàn)用戶輸入輸出接口等功能，。系統(tǒng)包括參數(shù)設(shè)置、鍵盤(pán)輸入、顯示界面等。監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，包括水流監(jiān)控、Q開(kāi)關(guān)溫度監(jiān)控、電源狀態(tài)等。同時(shí)提供對(duì)外控制接口，接口控制采用RS-422串口設(shè)計(jì)。

綜合控制單元功能框圖如圖4所示。

五、調(diào)試及性能測(cè)試

首先對(duì)單個(gè)泵浦模塊加激光諧振腔組成的本振激光器進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，測(cè)量輸入電流和激光輸出功率關(guān)系，測(cè)試表明激光輸出功率與輸入電流成正比關(guān)系。

在本振激光光路中全反鏡與泵浦模塊之間放入一個(gè)聲光Q開(kāi)關(guān)進(jìn)行關(guān)門(mén)調(diào)試，調(diào)整好聲光Q開(kāi)關(guān)與光路的準(zhǔn)直后，在仔細(xì)微調(diào)聲光Q開(kāi)關(guān)，并在Q開(kāi)關(guān)加上射頻信號(hào)，激光器內(nèi)由于聲光晶體在超聲波衍射效應(yīng)下腔內(nèi)損耗增大，激光器處于關(guān)門(mén)狀態(tài)，測(cè)得在單個(gè)Q開(kāi)關(guān)最大關(guān)門(mén)電流時(shí)，插入聲光Q開(kāi)光后激光器的連續(xù)輸出功率為85W，即單個(gè)聲光Q可以關(guān)住85W的連續(xù)激光。

同樣，在輸出鏡和泵浦模塊之間放入一個(gè)聲光Q開(kāi)關(guān)，以類似的調(diào)試方法測(cè)試一個(gè)聲光Q開(kāi)關(guān)關(guān)門(mén)效果，測(cè)試結(jié)果與前一個(gè)關(guān)門(mén)效果相當(dāng)。

當(dāng)兩個(gè)聲光Q開(kāi)關(guān)同時(shí)放入本振激光器光路中，且按特定角度放置，仔細(xì)調(diào)整Q開(kāi)光在光路中的位置，使其達(dá)到最好的關(guān)門(mén)效果時(shí)，激光器連續(xù)輸出功率為205W，可見(jiàn)，采用兩個(gè)聲光Q開(kāi)關(guān)按特定角度放置進(jìn)行關(guān)門(mén)比一個(gè)Q開(kāi)關(guān)提高一倍多。

設(shè)備部件調(diào)試完成后，進(jìn)行了三天約20小時(shí)連續(xù)工作拷機(jī)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前測(cè)得輸出激光功率為245W，拷機(jī)完成后對(duì)激光輸出功率復(fù)測(cè)，為248W，考慮到激光功率計(jì)測(cè)量誤差，可以看出激光器輸出功率基本沒(méi)有下降。隨后進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，主要針對(duì)激光器輸出功率、調(diào)制頻率、激光加工時(shí)掃描角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終性能測(cè)試結(jié)果如表1。

六、結(jié)論

本文針對(duì)市場(chǎng)對(duì)大功率激光清洗設(shè)備的需求，采用本振激光加一級(jí)放大來(lái)實(shí)現(xiàn)高功率靜態(tài)激光輸出，同時(shí)采用雙聲光調(diào)Q設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高峰值功率脈沖激光輸出。最終研制了一臺(tái)輸出功率大于200W，清除速度達(dá)到50cm2/秒的大功率激光清洗設(shè)備。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高強(qiáng)度連續(xù)拷機(jī)驗(yàn)證，設(shè)備完全滿足工業(yè)級(jí)生產(chǎn)需要。改型設(shè)備填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大功率工業(yè)級(jí)激光清洗設(shè)備的空白，同時(shí)該型設(shè)備還可廣泛應(yīng)用于石材、金屬等物體表面的污垢、銹跡、油漆以及溶劑殘留物的清洗。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋峰，鄒萬(wàn)芳，劉淑靜等。激光清洗微電子元件[J].清洗時(shí)間，2006，22（1）：38-25.

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直接使用220伏交流電，并且功率大于1200W的用電器稱之為大功率電器。家用常見(jiàn)大功率電器：空調(diào)、電熱水器、電暖氣、電磁爐、微波爐、電吹風(fēng)。電飯煲不屬于大功率用電器。

大功率插座，從插孔結(jié)構(gòu)到配線、插頭都嚴(yán)格滿足16安培（功率4000瓦）配置，能夠全面滿足大功率電器使用的承載要求。同時(shí)，其采用的熱動(dòng)能防過(guò)載技術(shù)，將過(guò)載保護(hù)與電源開(kāi)關(guān)合二為一，反應(yīng)高度靈敏，當(dāng)電流負(fù)載不超過(guò)插座額定負(fù)載時(shí)，過(guò)載保護(hù)器不啟動(dòng)，當(dāng)電流負(fù)載超過(guò)插座額定負(fù)載時(shí)，過(guò)載保護(hù)器會(huì)發(fā)出警示并在一定時(shí)間bai切斷電源，負(fù)載越高電源切斷越快。

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全方位突破

與大多數(shù)以中小功率UPS產(chǎn)品為主導(dǎo)的國(guó)內(nèi)廠商不同,科華從10年前就開(kāi)始瞄準(zhǔn)大功率UPS市場(chǎng)進(jìn)行布局,并從行業(yè)細(xì)分市場(chǎng)入手,不斷積累經(jīng)驗(yàn)。2004~2005年,科華加快了向大功率UPS市場(chǎng)進(jìn)軍的步伐,此后數(shù)年大功率產(chǎn)品銷(xiāo)售額一直保持高速增長(zhǎng)的勢(shì)頭。

2007年,科華公司10kVA以上中大功率UPS產(chǎn)品市場(chǎng)份額超過(guò)10%,進(jìn)入中國(guó)UPS市場(chǎng)三甲,位居國(guó)產(chǎn)品牌第一。2008年,科華30kVA以上大功率UPS產(chǎn)品銷(xiāo)售額增長(zhǎng)遠(yuǎn)超過(guò)公司整體業(yè)績(jī)的平均增長(zhǎng)。

從一開(kāi)始只能生產(chǎn)20kVA~30kVA的UPS產(chǎn)品,到如今能夠生產(chǎn)數(shù)百kVA的大功率UPS產(chǎn)品,技術(shù)創(chuàng)新成了科華立足于大功率UPS市場(chǎng)的根本?，F(xiàn)在,科華公司200kVA、400kVA的UPS產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)、批量應(yīng)用,同時(shí)達(dá)到了單機(jī)1200kVA的生產(chǎn)能力。科華曾先后參與國(guó)家7項(xiàng)UPS電源標(biāo)準(zhǔn)的制定。2008年,科華有4個(gè)自主研發(fā)項(xiàng)目被列入國(guó)家級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目。

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,金融、保險(xiǎn)、稅務(wù)、交通、制造等多個(gè)行業(yè)在過(guò)去幾年中對(duì)大功率UPS產(chǎn)品的需求一直呈上升趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)不懈的努力,上述這些行業(yè)已經(jīng)成為科華大功率UPS產(chǎn)品穩(wěn)固的根據(jù)地。由大功率UPS產(chǎn)品的技術(shù)高度、應(yīng)用特點(diǎn)所決定,科華以前一直以直接面向終端用戶的方式為主,拓展高端市場(chǎng),建立了許多高端樣板工程。近兩三年,UPS產(chǎn)品渠道扁平化趨勢(shì)日益明顯,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更加激烈,科華也在嘗試銷(xiāo)售模式的創(chuàng)新,積極尋找行業(yè)合作伙伴和產(chǎn)品配套商,開(kāi)拓新的市場(chǎng)?！皬?006年開(kāi)始,科華進(jìn)行了大刀闊斧的改革,進(jìn)行項(xiàng)目制試點(diǎn)。”林清民介紹說(shuō),“比如,針對(duì)工業(yè)與制造業(yè)、高速公路等特殊行業(yè)應(yīng)用需求,科華成立了相應(yīng)的事業(yè)部,并將銷(xiāo)售與提供解決方案有機(jī)地結(jié)合在一起?！边@種創(chuàng)新的復(fù)合型銷(xiāo)售模式為科華進(jìn)一步開(kāi)拓大功率UPS市場(chǎng)奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵在自己

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1光伏電池輸出特性及等效模型

光伏電池單體是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的最小單元，將光伏電池單體進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)后分裝就組成了光伏電池組件，把若干個(gè)光伏電池組件進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)后裝在支架上就形成了光伏電池陣列［1］。光伏陣列是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其輸出特性受外界環(huán)境影響很大，只有深入了解其輸出特性，才能為研究光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1.1光伏電池輸出特性光伏電池受外界環(huán)境如光照強(qiáng)度、溫度的影響很大，其輸出特性具有高度非線性。分別是利用PVsyst軟件［2］仿真的光伏電池在不同光照及溫度條件下的輸出特性。從圖中可以看出，隨著光照的增強(qiáng)輸出功率增大，隨著溫度的升高輸出功率減小，但在某一特定光照及溫度下存在一個(gè)最大功率點(diǎn)。

1.2光伏電池等效模型光伏電池本身就是一個(gè)P-N結(jié)，其基本特性與二極管相似。當(dāng)光伏電池受到陽(yáng)光照射時(shí)，在PN結(jié)兩端便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，即電壓。這時(shí)如果在P型層和N型層焊接上金屬導(dǎo)線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過(guò)，把這樣的光伏電池單體串聯(lián)、并聯(lián)起來(lái)，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，并輸出功率。光伏電池等效電路可由1個(gè)電流源并聯(lián)1個(gè)理想二極管及一系列電阻組成，如圖3所示。串聯(lián)電阻Rs包括電池柵極電阻、基體材料電阻和上下電基與基體材料的接觸電阻、擴(kuò)散層橫向電阻。其中，擴(kuò)散層橫向電阻是Rs的主要組成。

2MPPT控制算法

由圖1、圖2可以看出，光伏陣列的輸出特性受電池表面溫度和光照強(qiáng)度的影響很大，不同的光照及電池溫度都可導(dǎo)致輸出特性發(fā)生較大的變化，其輸出功率也發(fā)生相應(yīng)的變化，但是只有在某一輸出電壓值時(shí)，光伏陣列的輸出功率才能達(dá)到最大值。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏陣列的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近［4］。在MPPT系統(tǒng)中，確定優(yōu)良的算法是關(guān)鍵，本文采用電導(dǎo)增量算法。電導(dǎo)增量法是根據(jù)光伏陣列P-U曲線一階連續(xù)可導(dǎo)單峰曲線的特點(diǎn)，利用一階導(dǎo)數(shù)求極值的方法，即對(duì)P=UI求全導(dǎo)數(shù)。從光伏電池的P-U曲線可以看出，在某一特定光照及溫度下存在唯一最大功率點(diǎn)，且在該最大功率點(diǎn)處，功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)為零，即dP/dU=0。其中，U（k）、（Ik）分別為光伏電池當(dāng)前電壓和電流，U（k-1）、（Ik-1）為前一周期的采樣值。為了使光伏電池輸出發(fā)生任何變化時(shí)，算法能夠涵蓋所有可能出現(xiàn)的狀況，需要用U（k-1）、I（k-1）的值進(jìn)行判斷。如果U（k）-U（k-1）=0，則相比于前一周期，該時(shí)刻的電壓是恒定的，輸出沒(méi)有發(fā)生變化。在這種情況下，需要對(duì)輸出電流做進(jìn)一步判斷，如果（Ik）-（Ik-1）=0，則光伏電池的輸出也沒(méi)有發(fā)生改變，不需要調(diào)整BoostDC/DC（升壓）變換器的占空比；若（Ik）-I（k-1）<0，表明工作點(diǎn)是向最大功率點(diǎn)方向靠近，需要對(duì)BoostDC/DC變換器的占空比加一個(gè)正的調(diào)節(jié)量U，使輸出達(dá)到最大功率點(diǎn)；若I（k）-I（k-1）>0，需對(duì)BoostDC/DC變換器的占空比加一個(gè)負(fù)的調(diào)節(jié)量-ΔU，使輸出朝向最大功率點(diǎn)靠近。

3MPPT控制仿真研究

3.1帶有MPPT功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)基本組成由于光伏電池的電氣特性受光照、溫度的影響很大，當(dāng)環(huán)境條件穩(wěn)定時(shí)，存在唯一的最大功率點(diǎn)；當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，即使負(fù)載保持不變，最大功率點(diǎn)仍將發(fā)生漂移。為了使負(fù)載在任何環(huán)境條件下都能獲得最大功率，本文在光伏陣列與負(fù)載之間加入MPPT控制裝置，帶有MPPT功能的光伏系統(tǒng)如圖5所示。該系統(tǒng)主要由光伏電池陣列、MPPT控制裝置、BoostDC/DC變換器組成，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制模塊（PulseWidthModulation，PWM）控制，調(diào)整BoostDC/DC變換器的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)MPPT［7］。

3.2MPPT控制仿真研究

3.2.1帶MPPT的系統(tǒng)仿真模型根據(jù)帶有MPPT功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)建立matlab/simulink仿真模型如圖6所示。仿真模型主要由光伏電池陣列模型、MPPT、PWM、BoostDC/DC變換器以及負(fù)載等組成。圖6中，Subsystem是光伏電池陣列模型，L為儲(chǔ)能電感，Diode為快恢復(fù)二極管，C1為濾波電容，R為負(fù)載，IGBT為絕緣柵雙極型晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）。Subsystem內(nèi)部封裝的參數(shù)有電壓、電流溫度系數(shù)、串聯(lián)電阻、參考溫度（25℃）、參考太陽(yáng)輻射（1000W/m2）、最大功率點(diǎn)電壓、最大功率點(diǎn)電流、開(kāi)路電壓、短路電流。輸入?yún)?shù)有光照S、溫度T、光伏電池工作電壓U，輸出參數(shù)有光伏電池工作電流I、輸出功率P。其中，輸入端可以輸入任意光照和溫度，輸出端P即顯示MPPT輸出。PWM的輸入信號(hào)為帶有MPPT功能的光伏模塊的輸出電壓，即最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓值，將該電壓作為指令信號(hào)，與光伏模塊的實(shí)際輸出電壓共同作用在BoostDC/DC變換器的IGBT上，通過(guò)改變IGBT的占空比，從而使光伏模塊的實(shí)際輸出電壓很好地跟蹤指令信號(hào)，即最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓值。BoostDC/DC變換器利用儲(chǔ)能電感儲(chǔ)存的能量和電源一起向負(fù)載供電，達(dá)到升壓的目的。選擇HAMC制造的太陽(yáng)能電池板進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其技術(shù)指標(biāo)為：Um=16.5V，Im=0.73A，Uov=22.50V，Isc=0.97A，Pm=12W。仿真時(shí)采用的步長(zhǎng)為0.01，系統(tǒng)采樣時(shí)間為0.5μs。圖7是電池溫度不變，光照強(qiáng)度t=0.05s時(shí)，突然由1kW/m2增加到1.5kW/m2時(shí)的仿真結(jié)果，圖8是光照強(qiáng)度不變，電池溫度t=0.05s時(shí)，突然由25℃變?yōu)?0℃時(shí)的仿真結(jié)果。

3.2.2仿真結(jié)果分析從圖7仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)電池溫度不變，光照由1kW/m2增加到1.5kW/m2，在t=0.05s時(shí)，光伏陣列輸出功率也隨之由12kW增加到15kW，增加幅度為+3kW，光伏陣列輸出功率曲線會(huì)發(fā)生較小的突變，但是在新的功率點(diǎn)能快速趨于平穩(wěn)，使光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)。從圖8仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)光照強(qiáng)度不變，電池溫度由25℃變?yōu)?0℃，在t=0.05s時(shí)，光伏陣列輸出功率也隨之由12kW降低到10kW，降低幅度為-2kW，經(jīng)過(guò)較小的突變后，系統(tǒng)也能及時(shí)地跟蹤到最大功率點(diǎn)，使光伏陣列輸出功率達(dá)到最大值。從圖1、圖2中得出，光伏電池在某一特定光照及溫度條件下，存在一個(gè)最大功率點(diǎn)，并且在最大功率點(diǎn)以后，光伏電池輸出功率急劇下降，最后下降為0。本文在光伏陣列與負(fù)載之間加入基于電導(dǎo)增量法的MPPT控制裝置以后，從圖7、圖8的仿真結(jié)果可以看出，在光照、溫度其中任何一個(gè)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)都能夠?qū)崟r(shí)地跟蹤其變化，能使系統(tǒng)始終工作在最大功率點(diǎn)的范圍內(nèi)，穩(wěn)定性高，從而有效提高了太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率。

4實(shí)用化應(yīng)用探討

在實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)中，在輸出參數(shù)實(shí)時(shí)變化的光伏陣列與負(fù)載之間接入MPPT控制裝置時(shí)，需要進(jìn)一步做以下工作：（1）采用單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器（DigitalSignalProcessors，DSP）實(shí)現(xiàn)對(duì)電導(dǎo)增量算法的編程，并進(jìn)行MPPT控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)。通過(guò)檢測(cè)光伏陣列的輸出電壓、輸出電流變化，利用軟件的精確算法來(lái)控制BoostDC/DC變換器的占空比，實(shí)現(xiàn)MPPT。（2）從光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體出發(fā)，綜合考慮安全性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等方面的要求，設(shè)計(jì)MPPT控制系統(tǒng)的輸入、輸出接口電路，對(duì)其可靠性、穩(wěn)定性做并網(wǎng)測(cè)試。（3）綜合考慮光伏陣列的光電轉(zhuǎn)化效率、溫度范圍、電氣參數(shù)（輸出功率、峰值電壓、峰值電流、短路電流、開(kāi)路電壓、系統(tǒng)電壓）等技術(shù)參數(shù)，對(duì)光伏電池充放電策略及充放電控制器做進(jìn)一步研究。

5結(jié)論

篇5

關(guān)鍵詞：LED；散熱技術(shù)；散熱性能

Abstract: combining with high power LED package structure and heat packaging technology, the development situation of high power LED to the package structure of heat transfer model establishment, and the high power LED to the heat dissipation design, through the simulation analysis of the cooling method and the design of the cooling radiator LED lamps and meet the requirements.

Keywords: LED; Cooling technology; Radiating performance

中圖分類號(hào)：TN305.94文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

如何控制大功率LED的熱能量，保持LED結(jié)溫在允許的范圍內(nèi)，是LED器件封裝和應(yīng)用設(shè)計(jì)必須著重解決的核心問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外器件研究者和制造者已經(jīng)對(duì)大功率LED的散熱問(wèn)題做出了很多的努力，通過(guò)對(duì)芯片外延結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用表面粗化技術(shù)提高內(nèi)量子效率；優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)，減少LED封裝的內(nèi)部熱沉數(shù)量、減薄熱沉厚度、優(yōu)化局部熱沉尺寸等來(lái)改善大功率LED封裝散熱性能；除了對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)外，同時(shí)有相當(dāng)多的研究精力集中在尋找高熱導(dǎo)率封裝材料上，材料的熱導(dǎo)率越高，散熱性能越好?；诂F(xiàn)有這些研究，本文以目前3種典型LED封裝結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬比較，系統(tǒng)地分析封裝結(jié)構(gòu)對(duì)LED散熱的影響。

1模型的建立

LED輸入功率為1W，電光轉(zhuǎn)換效率為15%，芯片尺寸為0.001m×0.001m，基板和金屬線路板的尺寸為0.03m×0.03m，周?chē)h(huán)境溫度為298K，器件與外界的自然熱對(duì)流系數(shù)為15W/（m2?K）。由于封裝透鏡采用的是環(huán)氧樹(shù)脂材料，其熱導(dǎo)率只有0.2W/（m?K），因此芯片通過(guò)透鏡的散熱量基本上可以忽略，芯片產(chǎn)生的熱量，主要是先傳給金屬基板和散熱器，再通過(guò)對(duì)流向空氣散熱。為了簡(jiǎn)化模型，不考慮封裝過(guò)程各層之間的附加接觸熱阻，分析溫度場(chǎng)時(shí)采用穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)分析，LED施加的載荷是體載荷，即將8.5×10－9W/m3的熱生成率施加在芯片上。以O(shè)SRAM公司的GoldenDragon1W白光LED器件（型號(hào)LWW5SG）安裝在0.03m×0.03m金屬線路板進(jìn)行仿真測(cè)試，結(jié)溫為359.14K，其熱阻計(jì)算式：

Rth=（Tpn－T環(huán)境）/p=（359。14－298）/1×0.85=71.93（K/W）

式中：Tpn為結(jié)溫；T環(huán)境為環(huán)境溫度；p為流經(jīng)介質(zhì)的熱功率。

所得數(shù)值和文獻(xiàn)[1]中提到的66.12（K/W）很接近，說(shuō)明了本文ANSYS仿真的精確性和模型建立的合理性。

2封裝結(jié)構(gòu)對(duì)LED散熱的影響

2.1三種典型的封裝結(jié)構(gòu)

目前，LED有3種典型的封裝結(jié)構(gòu)：

1）基于金屬線路板的封裝結(jié)構(gòu)。該封裝結(jié)構(gòu)是將器件直接組裝在金屬線路板上，形成功率密度LED，金屬線路板是采用鋁或銅金屬作為電路板底材，可作為散熱熱沉使用，在基板上覆一層幾毫米厚的銅箔作線路。由于鋁本身為導(dǎo)體，鋁基板與銅箔之間必須采用一介質(zhì)作絕緣，由于低熱導(dǎo)率介質(zhì)絕緣層的存在使得金屬線路板熱導(dǎo)率有效值約為178W/m?K，模擬結(jié)構(gòu)圖如圖1（a）所示。

2）傳統(tǒng)的正裝結(jié)構(gòu)，如Norlux系列。該結(jié)構(gòu)以鋁板作為底座，發(fā)光區(qū)位于其中心部位，鋁板同時(shí)作為熱沉，模擬結(jié)構(gòu)圖如圖1（b）所示。

3）倒裝結(jié)構(gòu)，如LUXEON系列。該結(jié)構(gòu)將芯片倒裝管芯倒裝焊接在具有焊料凸點(diǎn)的硅基座上，然后把完成倒裝焊接的硅基座裝入熱沉與管殼中，鍵合引線封裝，模擬結(jié)構(gòu)圖如圖1（c）所示。

圖1三種典型的LED封裝結(jié)構(gòu)模擬圖

表1為L(zhǎng)ED單芯片封裝結(jié)構(gòu)所用材料及其參數(shù)。

2.2結(jié)果分析

運(yùn)用ANSYS軟件計(jì)算得到3種LED封裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布圖。SMN為器件中最低溫度值，SMX為器件中最高溫度值，用灰度變化表示溫度變化。為了能看清楚結(jié)溫區(qū)，圖中只給出芯片附近溫度分布情況，如圖2所示。從溫度場(chǎng)分布可以看出，3個(gè)圖的溫度最高點(diǎn)都出現(xiàn)在芯片即有源區(qū)。

圖2 三種封裝結(jié)構(gòu)芯片附近的溫度場(chǎng)分布圖

圖2（a）結(jié)構(gòu)是將芯片器件直接封裝在金屬線路板上，達(dá)到減少封裝內(nèi)部熱沉數(shù)量，從而改善大功率LED封裝散熱性能。本文主要考慮芯片―粘結(jié)材料―金屬線路板這一熱傳導(dǎo)路徑，跟其他兩個(gè)結(jié)構(gòu)比起來(lái)，該結(jié)構(gòu)熱沉最少、傳熱最快、結(jié)溫最低，結(jié)溫為355.58K，熱阻為67.75K/W，該結(jié)構(gòu)所用金屬線路板的熱導(dǎo)率（178W/m?K）比其他兩種結(jié)構(gòu)Al基板的小的多（230W/m?K）?？梢?jiàn)，減少熱沉的個(gè)數(shù)可以有效地加快LED散熱，降低結(jié)溫。

圖2（b）結(jié)構(gòu)以鋁板作為底座，發(fā)光區(qū)位于其中心部位，鋁板同時(shí)作為熱沉。本文考慮的傳熱路徑為芯片―襯底―粘結(jié)材料―基板，比結(jié)構(gòu)（a）多了一層熱阻（即藍(lán)寶石襯底），模擬出來(lái)的結(jié)溫為357.32K，比結(jié)構(gòu)（a）高了1.74K，在所研究的3種封裝結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)（b）傳熱最慢，結(jié)溫最高，熱阻為69.78K/W。

圖2（c）倒裝結(jié)構(gòu)中，為了使熱量不必經(jīng)熱導(dǎo)率低的芯片襯底藍(lán)寶石，2001年，Lumileds公司研制的AlGaInN功率型倒裝芯片結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)芯片倒裝連接在硅基座上，熱量可以直接傳向熱導(dǎo)率高的硅基座，再傳向基板和散熱器，即通過(guò)降低內(nèi)部熱沉熱阻提高大功率LED的封裝散熱性能。由于芯片和硅基座通過(guò)凸點(diǎn)連接，所以模擬該結(jié)構(gòu)時(shí)的傳熱路徑為芯片―焊料―硅基座―粘結(jié)材料―基板，雖然比結(jié)構(gòu)（b）多一層熱阻，即芯片和Si基座之間的焊料產(chǎn)生的熱阻，但是倒裝結(jié)構(gòu)的結(jié)溫比正裝結(jié)構(gòu)更低，倒裝結(jié)構(gòu)的結(jié)溫為356.91K，比正裝結(jié)構(gòu)（b）低0.41K，熱阻為69.31K/W。在無(wú)法減少熱沉個(gè)數(shù)的情況下，倒裝結(jié)構(gòu)的總熱阻更小，同時(shí)與傳統(tǒng)的正裝結(jié)構(gòu)相比，采用倒裝結(jié)構(gòu)，LED的光提取效率更高。

由上可知，優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)可以有效地提高LED散熱性能，途徑最佳的是減少熱沉數(shù)量，次之降低熱沉熱阻，即提高熱沉材料的熱導(dǎo)率。只是通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)降低結(jié)溫的幅度不是很大，僅幾個(gè)K的效果。綜上可知，基于金屬線路板封裝結(jié)構(gòu)（結(jié)溫355.58K）＜倒裝結(jié)構(gòu)（結(jié)溫356.91K）＜正裝結(jié)構(gòu)（結(jié)溫357.32K）。

3對(duì)流條件對(duì)LED散熱的影響

常見(jiàn)對(duì)流散熱方式有自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩種。對(duì)于小功率器件依靠其自身封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行自然對(duì)流散熱一般可以滿足散熱要求，比如可以直接以金屬線路板作為熱沉向環(huán)境散熱，或者選擇熱導(dǎo)率較高、成本相對(duì)較低的金屬鋁作為L(zhǎng)ED的散熱基板。值得注意的是，金屬線路板和鋁基板的面積和厚度并不是越大越好。

圖3 LED結(jié)溫與對(duì)流系數(shù)的關(guān)系曲線圖

針對(duì)大功率器件、多芯片集成封裝的LED模組時(shí)，自然對(duì)流不能滿足要求，需要設(shè)計(jì)各種散熱器來(lái)加速流體流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)流，如鋁散熱鰭片、風(fēng)扇等，散熱器的形狀和尺寸直接影響強(qiáng)制對(duì)流的強(qiáng)度，本文以倒裝結(jié)構(gòu)為例，用不同空氣對(duì)流系數(shù)來(lái)近似代替不同散熱器的作用效果，系統(tǒng)地分析不同的對(duì)流系數(shù)對(duì)LED結(jié)溫的影響，其他條件與前面一致，結(jié)果如圖3所示，橫坐標(biāo)為基板底面的對(duì)流系數(shù)，從15W/（m2?K）開(kāi)始，步長(zhǎng)為5W/（m2?K），空氣流體強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)范圍為20～100W/（m2?K），縱坐標(biāo)為L(zhǎng)ED的結(jié)溫。由圖3可知，強(qiáng)制對(duì)流在一定的速度范圍內(nèi)能改善LED的散熱效果。當(dāng)對(duì)流系數(shù)從自然對(duì)流15W/（m2?K）增加為強(qiáng)制對(duì)流的20W/（m2?K），結(jié)溫為345.5K，驟降11.4K，效果比文中前半部分通過(guò)優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)來(lái)改善散熱的效果要明顯得多。然而，隨著對(duì)流系數(shù)的逐步增加，結(jié)溫降低的速度慢慢減緩，當(dāng)對(duì)流系數(shù)達(dá)到某一個(gè)值（如100W/（m2?K））時(shí)，結(jié)溫趨于一穩(wěn)定值，為313.0K。由此可以看出，當(dāng)熱量從器件內(nèi)部靠熱傳導(dǎo)傳到器件表面時(shí)，要是能把傳導(dǎo)出來(lái)的熱量盡快散走，則可加速器件散熱、降低結(jié)溫。空氣本身傳熱性能很差，而強(qiáng)制對(duì)流是強(qiáng)制空氣流動(dòng)，通過(guò)冷熱空氣交換散走熱量，空氣流動(dòng)越快，散熱效果越好。

4結(jié)論

總之，提高大功率LED的散熱能力，是LED器件封裝和器件應(yīng)用設(shè)計(jì)要解決的重要問(wèn)題。文章通過(guò)對(duì)三種典型封裝結(jié)構(gòu)LED器件的溫度云圖，比較得出：減少封裝熱沉能有效散熱；直接把芯片封裝在金屬線路板上結(jié)構(gòu)的結(jié)溫（355.58K）為3種封裝結(jié)構(gòu)中最低；倒裝結(jié)構(gòu)在提高外量子效應(yīng)和散熱方面比傳統(tǒng)正裝結(jié)構(gòu)更具有優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

［1］余彬海，王浩.結(jié)溫與熱阻制約大功率LED發(fā)展［J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，2005，26（6）：761-766.

篇6

關(guān)鍵詞：大功率LED；散熱；封裝

1　引言

發(fā)光二極管（LED）誕生至今，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全彩化和高亮度化，并在藍(lán)光LED和紫光LED的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了白光LED，它為人類照明史又帶來(lái)了一次飛躍。發(fā)光二極管（LED）具有低耗能、省電、壽命長(zhǎng)、耐用等優(yōu)點(diǎn),因而被各方看好將取代傳統(tǒng)照明成為未來(lái)照明光源。

而大功率LED作為第四代電光源，賦有“綠色照明光源”之稱，具有體積小、安全低電壓、壽命長(zhǎng)、電光轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)良特性，必將取代傳統(tǒng)的白熾燈、鹵鎢燈和熒光燈而成為21世紀(jì)的新一代光源。普通LED功率一般為0.05W，工作電流為20mA，大功率LED可以達(dá)到1W,2W,甚至數(shù)十瓦！工作電流可以是幾十毫安到幾百毫安不等。其特點(diǎn)具有體積小、耗電小、發(fā)熱小、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、安全低電壓、耐候性好、方向性好等優(yōu)點(diǎn)。 外罩可用PC管制作，耐高溫達(dá)135度.，低溫-45度。廣泛應(yīng)用在油田、石化、鐵路、礦山、部隊(duì)等特殊行業(yè)、舞臺(tái)裝飾、城市景觀照明、顯示屏以及體育場(chǎng)館等，特種工作燈具中的具有廣泛的應(yīng)用前景。但由于目前大功率白光LED的轉(zhuǎn)換效率還較低，光通量較小，成本較高等方面因素的制約，因此大功率白光LED短期內(nèi)的應(yīng)用主要是一些特殊領(lǐng)域的特種工作燈具，中長(zhǎng)期目標(biāo)才能是通用照明領(lǐng)域。然而,隨著功率增加,LED所產(chǎn)生電熱流之廢熱無(wú)法有效散出,導(dǎo)致發(fā)光效率嚴(yán)重下降。LED發(fā)光效率會(huì)隨著使用時(shí)間及次數(shù)而降低,而過(guò)高的接面溫度則會(huì)加速LED發(fā)光效率衰減,故散熱成LED器件封裝和器件應(yīng)用設(shè)計(jì)要解決的核心問(wèn)題。

2　熱效應(yīng)對(duì)大功率LED的影響

對(duì)于單個(gè)LED而言．如果熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi)而不能有效散出．則會(huì)導(dǎo)致芯片的溫度升高．引起熱應(yīng)力的非均勻分布、芯片發(fā)光效率和熒光粉激射效率下降。研究表明，當(dāng)溫度超過(guò)一定值時(shí)．器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀升．元件溫度每上升2℃，可靠性將下降l0％。為了保證器件的壽命，一般要求pn結(jié)的結(jié)溫在110℃以下。隨著pn結(jié)的溫升．白光LED器件的發(fā)光波長(zhǎng)將發(fā)生紅移據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明．在100℃的溫度下．波長(zhǎng)可以紅移4～9?nm．從而導(dǎo)致YAG熒光粉吸收率下降，總的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)減少，白光色度變差。在室溫附近，溫度每升高l℃．LED的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)減少l％左右．當(dāng)器件從環(huán)境溫度上升到l20℃時(shí)．亮度下降多達(dá)35％。當(dāng)多個(gè)LED密集排列組成白光照明系統(tǒng)時(shí)．熱量的耗散問(wèn)題更嚴(yán)重。因此解決散熱問(wèn)題已成為功率型LED應(yīng)用的先決條件。

3　國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展

散熱的基本途徑主要有以下三種：熱傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射。與其它固體半導(dǎo)體器件相比，LED器件對(duì)溫度的敏感性更強(qiáng)。由于受到芯片工作溫度的限制，芯片只能在125℃以下工作，因此器件的熱輻射效應(yīng)基本可以忽略不計(jì)，熱傳導(dǎo)和對(duì)流是LED散熱的主要方式。在散熱設(shè)計(jì)時(shí)先從熱傳導(dǎo)方面考慮，因?yàn)闊崃渴紫葟腖ED封裝模塊中傳導(dǎo)到散熱器。

針對(duì)高功率LED的封裝散熱難題國(guó)內(nèi)外器件的設(shè)計(jì)者和制造者提出許多方法?，F(xiàn)在傳統(tǒng)散熱方法有：鰭片散熱、風(fēng)冷、液冷、熱管散熱、半導(dǎo)體制冷等。現(xiàn)在有些新方法也被陸續(xù)提出來(lái)，比如超聲制冷、超導(dǎo)制冷以及將多種散熱方法有效集成在一個(gè)器件之中。下面簡(jiǎn)單介紹幾種常見(jiàn)散熱方法。

3.1被動(dòng)鰭片法

散熱鰭片擔(dān)負(fù)著將發(fā)熱物體產(chǎn)生的熱量散發(fā)到周?chē)諝庵械氖姑Ｉ崞ㄟ^(guò)和芯片表面的緊密接觸使芯片的熱量傳導(dǎo)到散熱片，散熱片通常是一塊帶有很多葉片的熱的良導(dǎo)體。散熱片性能主要和材料的導(dǎo)熱系數(shù)、總散熱面積及形狀設(shè)計(jì)有關(guān)。材料導(dǎo)熱系數(shù)越高，傳熱能力越強(qiáng)，一般金屬的傳熱性能順序?yàn)椋恒y，銅，金，鋁。散熱鰭片形狀可設(shè)計(jì)成多種陣列，如條形陣列、圓柱針狀陣列等，如圖1所示鰭片法是目前經(jīng)常用的方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；它的缺點(diǎn)就是散熱效率低，散熱能力有限，易受積塵等影響使散熱效率降低。

3.2傳統(tǒng)的主動(dòng)式散熱法

主動(dòng)式散熱法包括風(fēng)冷和夜冷，但主要使用風(fēng)冷。風(fēng)冷主要是使用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制的對(duì)流使熱量散發(fā)。因其安裝簡(jiǎn)便、成本較低、散熱效果明顯、適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)品更新?lián)Q代靈活等特點(diǎn)成為當(dāng)今散熱技術(shù)的主流。通常使用散熱片和風(fēng)扇結(jié)合的方式，散熱片充分?jǐn)U展的表面使熱對(duì)流面積大大增加，同時(shí)風(fēng)扇增加對(duì)流系數(shù)從而散發(fā)更多的熱量。如圖2所示。但是它的缺點(diǎn)就是會(huì)需要額外的一個(gè)功耗，要增加它的能耗，系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性就好下降，而且它受惡劣環(huán)境的影響，它的性能也會(huì)發(fā)生變異。

3.3傳統(tǒng)的熱管技術(shù)

熱管利用蒸發(fā)散熱，使得熱管兩端溫度差很大，熱量傳導(dǎo)迅速，利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過(guò)熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力超過(guò)任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內(nèi)部被抽成負(fù)壓狀態(tài)，充入適當(dāng)?shù)囊后w，這種液體沸點(diǎn)低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成。熱管一端為蒸發(fā)端，另外一端為冷凝端，當(dāng)熱管一端受熱時(shí)，毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)端，如此循環(huán)不止，熱量由熱管一端傳至另外一端，如圖3所示。但其需結(jié)合其他散熱方式導(dǎo)致它的成本增加。

3.4 小結(jié)

目前,隨著功率型LED的亮度提升,驅(qū)動(dòng)電流的日益增大,解決散熱問(wèn)題已成為大功率LED

實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的先決條件?？偟膩?lái)說(shuō)，具有低熱阻、良好散熱能力以及低機(jī)械應(yīng)力的新式封裝結(jié)構(gòu)是封裝體的技術(shù)關(guān)鍵。

4  發(fā)展趨勢(shì)

大功率白光LED具有很多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用面不斷擴(kuò)大，可預(yù)見(jiàn)未來(lái)將進(jìn)入普通照明領(lǐng)域，具有強(qiáng)大的市場(chǎng)潛力。對(duì)于LED的研究和開(kāi)發(fā)，國(guó)際著名的照明公司均給予了其足夠的重視，并斥巨資投究與開(kāi)發(fā)，研究的焦點(diǎn)主要集中在新發(fā)光材料、封裝材料等：Philips照明公司與HP公司合資的Lumileds Lighting公司；美國(guó)Cree、德國(guó)Siemens和Osram聯(lián)合；美國(guó)GE公司與Emcore公司合資的Gelcore公司；日本的日亞（Nichia）、Toshiba和Honda聯(lián)合等均投入大量人力、物力、財(cái)力進(jìn)行研究，以期在這一新世紀(jì)光源領(lǐng)域占領(lǐng)制高點(diǎn)，如表1所示。我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)從上世紀(jì)七十年代開(kāi)始，一直緊跟世界LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的步伐。特別是近幾年來(lái)， 由于國(guó)家的重視，863光電子項(xiàng)目的投入，大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)加大研發(fā)力度，各地方政府及企業(yè)投入增加，LED發(fā)展已具有一定的規(guī)模，并形成LED的產(chǎn)業(yè)鏈。

表1國(guó)外具有超高亮度LED領(lǐng)先水平的廠家

尤其最近幾年在大功率高亮度LED封裝技術(shù)上的突破和材料加工技術(shù)的實(shí)用化，連帶創(chuàng)造了很多應(yīng)用產(chǎn)品：顯示屏、照明、交通信號(hào)燈、汽車(chē)用燈、背光源等?？偠灾壳暗拇蠊β矢吡炼萀ED已經(jīng)在背光源、顯示屏、特種照明、信號(hào)燈等領(lǐng)域得到很好的推廣，普通照明和汽車(chē)前照燈等領(lǐng)域還處于剛剛起步的階段。但是隨著大功率高亮度LED技術(shù)的飛速發(fā)展，一旦解決了在技術(shù)和成本上的問(wèn)題，將會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的照明光源提出挑戰(zhàn)，LED成為普通照明光源的時(shí)日會(huì)越來(lái)越近。

參考文獻(xiàn):

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[2] 李岳林.工程熱力學(xué)與傳熱學(xué).第一版.北京：人民交通出版社，1999.124～169

篇7

關(guān)鍵詞變頻技術(shù)；能耗；通風(fēng)機(jī)

機(jī)械通風(fēng)是利用自然風(fēng)降低糧食水分和溫度，從而達(dá)到糧食安全度夏，實(shí)現(xiàn)安全保糧目的的最為常用的一種技術(shù)手段。在倉(cāng)庫(kù)使用的通風(fēng)機(jī)中，從幾百瓦的風(fēng)機(jī)到幾千瓦的風(fēng)機(jī)均在使用。但是糧食水分、溫度、雜質(zhì)等不同，通風(fēng)條件不斷變化，而使用的風(fēng)機(jī)卻沒(méi)有改變，無(wú)形中造成了能耗的極大浪費(fèi)。在實(shí)際使用中梅河口直屬庫(kù)探索了采用變頻技術(shù)，改變風(fēng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)整電機(jī)的輸出功率，在降低儲(chǔ)糧溫度的同時(shí)降低風(fēng)機(jī)的使用能耗。梅河口地處我國(guó)東北，春季時(shí)，氣溫最低－12℃，最高10℃，空氣相對(duì)濕度40％～65％，很適合進(jìn)行通風(fēng)降溫。在降溫過(guò)程中使用的是11kW的離心風(fēng)機(jī)。每年單貨位的通風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗達(dá)到7500元，本著節(jié)能減排的原則，我?guī)焯剿鞑捎米冾l技術(shù)，在降水、降溫的同時(shí)，降低能耗。

1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

采用變頻技術(shù)對(duì)大功率通風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造后，檢驗(yàn)是否能夠節(jié)省能耗，同時(shí)測(cè)算節(jié)省能耗的比例。

2試驗(yàn)材料

2．1倉(cāng)房情況（表1）選用梅河口直屬庫(kù)17號(hào)倉(cāng)作為對(duì)照倉(cāng)，選用梅河口直屬庫(kù)22號(hào)倉(cāng)作為試驗(yàn)倉(cāng)。兩倉(cāng)均為高大平房倉(cāng)，均鋪設(shè)有地上籠通風(fēng)道系統(tǒng)，安裝有糧情測(cè)控系統(tǒng)。對(duì)照倉(cāng)：長(zhǎng)59．76m，寬23．10m，裝糧高度5．9m，儲(chǔ)存2016年生產(chǎn)玉米6077t；通風(fēng)系統(tǒng)為地上籠通風(fēng)，3組，1機(jī)4道。裝有測(cè)溫電纜78根，每根電纜自下而上設(shè)4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。試驗(yàn)倉(cāng)：長(zhǎng)47．76m，寬23．10m，裝糧高度5．9m，儲(chǔ)存2016年生產(chǎn)玉米4584t，通風(fēng)系統(tǒng)為地上籠通風(fēng)，2組，1機(jī)4道。裝有測(cè)溫電纜66根，每根電纜自下而上設(shè)4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。2．2通風(fēng)設(shè)備離心風(fēng)機(jī)參數(shù)：風(fēng)機(jī)型號(hào)4－72－8C，額定功率11kW，風(fēng)量18600m3／h，全壓1096．25Pa。試驗(yàn)倉(cāng)采用2臺(tái)風(fēng)機(jī)。對(duì)照倉(cāng)采用3臺(tái)風(fēng)機(jī)。2．3糧食情況對(duì)照倉(cāng)：2016年產(chǎn)烘后玉米，于2017年1月初裝倉(cāng)結(jié)束，平均水分14．0％，通風(fēng)前糧溫最高5．3℃，最低－8．1℃，平均糧溫－1．9℃，糧堆層間溫度差2．6℃左右。試驗(yàn)倉(cāng)：2016年產(chǎn)烘后玉米，于2017年2月底裝倉(cāng)結(jié)束，平均水分14．0％，通風(fēng)前糧溫最高9．9℃，最低－3．4℃，平均糧溫1．9℃，糧堆層間溫度差3℃左右。2．4變頻設(shè)備設(shè)備型號(hào)：西諾樂(lè)DSI變頻器。

3試驗(yàn)方法

3．1對(duì)試驗(yàn)倉(cāng)使用的2臺(tái)離心通風(fēng)機(jī)安裝變頻器。在不同變頻轉(zhuǎn)數(shù)下風(fēng)機(jī)的功率、風(fēng)量、全壓見(jiàn)表2。3．2選定變頻轉(zhuǎn)數(shù)45進(jìn)行通風(fēng)試驗(yàn)，設(shè)置變頻轉(zhuǎn)數(shù)為45，變頻后的全壓為957．5Pa，風(fēng)量為16764．13m3／h。3．3對(duì)試驗(yàn)倉(cāng)和對(duì)照倉(cāng)進(jìn)行通風(fēng)降溫處理，并記錄通風(fēng)時(shí)間。3．4通風(fēng)一段時(shí)間后對(duì)兩倉(cāng)的通風(fēng)效率和通風(fēng)能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。3．5測(cè)定通風(fēng)前后兩倉(cāng)糧食的水分。

4試驗(yàn)分析

4．1試驗(yàn)通風(fēng)時(shí)間試驗(yàn)倉(cāng)通風(fēng)84h，對(duì)照倉(cāng)通風(fēng)72h。4．2試驗(yàn)前后糧溫變化情況（見(jiàn)表3）在試驗(yàn)過(guò)程中，使用變頻后的風(fēng)機(jī)對(duì)試驗(yàn)倉(cāng)進(jìn)行通風(fēng)降溫同樣達(dá)到了降溫目的，降溫的時(shí)間要比對(duì)照倉(cāng)長(zhǎng)。試驗(yàn)中的溫度是在未通風(fēng)的情況下測(cè)定的，兩倉(cāng)測(cè)得的糧溫和外溫的相關(guān)性不大。22號(hào)倉(cāng)通風(fēng)前后對(duì)比結(jié)果顯示，整倉(cāng)平均糧溫下降1．4℃。4．3試驗(yàn)前后儲(chǔ)糧水分變化情況（見(jiàn)表6）在試驗(yàn)過(guò)程中分別對(duì)22號(hào)倉(cāng)和17號(hào)倉(cāng)扦取樣品進(jìn)行水分檢測(cè)，試驗(yàn)倉(cāng)22號(hào)倉(cāng)水分未發(fā)生明顯變化，而17號(hào)對(duì)照倉(cāng)水分略有降低，下降幅度為0．1％。4．4能耗分析（見(jiàn)表7）梅河口當(dāng)?shù)氐碾妰r(jià)為0．92元／kW•h。試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)倉(cāng)通風(fēng)時(shí)間為84h，2組風(fēng)道，變頻后的功率為9kW•h，共使用了能耗為1512kW•h。對(duì)照倉(cāng)：通風(fēng)時(shí)間為72h，3組風(fēng)道，采用的為11kW的風(fēng)機(jī)，共使用了能耗為2376kW•h。單位能耗的節(jié)省比例為：（0．244－0．222）／0．244×100％＝9．02％。4．5成本費(fèi)用分析變頻器市場(chǎng)價(jià)格為2500元／臺(tái)，新型風(fēng)機(jī)價(jià)格8000元左右，相比之下投入變頻器成本較高。解決當(dāng)前通風(fēng)能耗過(guò)高、降水多的方法是更換新型離心風(fēng)機(jī)、混流風(fēng)機(jī)等，但可借鑒此方法繼續(xù)利用大功率風(fēng)機(jī)機(jī)械通風(fēng)。

5試驗(yàn)結(jié)論

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大功率LED燈具主要由多孔型燈殼、透光罩、反光器、照明電源、LED燈珠、鋁基集成電路以及平板型翅片散熱器等組成。根據(jù)要求可將其設(shè)定為L(zhǎng)ED燈珠：型號(hào)為OSRAMLUW-W5AM，燈珠需要10顆左右，每顆燈珠額定功率為1瓦，電能轉(zhuǎn)化效率設(shè)定為80%，在仿真模擬軟件中使用二維點(diǎn)光源表示；鋁基集成電路板的長(zhǎng)寬高結(jié)構(gòu)參數(shù)為180mm*92*1.5mm，線路板導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為200W/(m*k),銅膜覆蓋厚度為60μm，導(dǎo)熱系數(shù)為380W(m*k)；平板型鋁翅片散熱器：散熱器長(zhǎng)寬高參數(shù)為220mm*130mm*10mm，翅片厚度2mm，翅片間距及高度為：5mm，20mm,外殼導(dǎo)熱系數(shù)為200W(m*k)。采用Icepak仿真模擬軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，工作環(huán)境參數(shù)定義為自然對(duì)流換熱模型，且周?chē)橘|(zhì)環(huán)境為20°干燥空氣。該軟件計(jì)算域必須足夠大，一般情況下計(jì)算域選定為：重力反方向上的模型高度定為3倍模型參數(shù)，重力方向模型高度定為2倍模型參數(shù)，模型側(cè)面結(jié)構(gòu)參數(shù)定為0.5倍結(jié)構(gòu)參數(shù)，參考模型如圖1，利用三維軟件設(shè)計(jì)原理，可從不同層面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用開(kāi)放型邊界條件。

2大功率散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

2.1中心組合設(shè)計(jì)

首先采用等效電阻電路的處理方法，對(duì)散熱器三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：翅片高度20mm；翅片間距6mm；翅片厚度2mm，然后根據(jù)CentralComposite設(shè)計(jì)原理對(duì)三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)散熱器散熱效果的影響，得出以下實(shí)驗(yàn)因素水平編碼值表：表格中：r表示各結(jié)構(gòu)參數(shù)與中心點(diǎn)的間距。

2.2數(shù)學(xué)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)

運(yùn)用DesignExpert8.06，可計(jì)算出散熱器三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于散熱效果的響應(yīng)值，最后得出下列方程式：上述方程中：xi、xj為變量編碼值；b0、bi、bji、bii,為計(jì)算系數(shù)；p為變量代號(hào)。

2.3散熱器翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)最佳值確定

根據(jù)二次相應(yīng)曲面模型計(jì)算方法求得二次相應(yīng)面的對(duì)應(yīng)方程的穩(wěn)定取值點(diǎn)：利用上式可將回歸方程換算為矩陣的形式：然后利用求導(dǎo)法則對(duì)上式進(jìn)行求導(dǎo)可得：求得駐點(diǎn)即各結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳值：假如在實(shí)際取值范圍內(nèi)無(wú)法求得駐點(diǎn)，即中心組核試驗(yàn)確定的響應(yīng)面圖形為近似板型，此時(shí)需要對(duì)考慮邊界條件確定最佳值點(diǎn)。

3結(jié)語(yǔ)

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關(guān)鍵詞：液壓伺服系統(tǒng) 擴(kuò)張器 設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）04（c）-0098-01

1 液壓伺服系統(tǒng)的作用特點(diǎn)

液壓伺服系統(tǒng)是使系統(tǒng)的輸出量，如位移、速度或力等，能自動(dòng)地、快速而準(zhǔn)確地跟隨輸入量的變化而變化，與此同時(shí)，輸出功率被大幅度地放大。液壓伺服系統(tǒng)以其響應(yīng)速度快、負(fù)載剛度大、控制功率大等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。

液壓伺服系統(tǒng)是從1950年開(kāi)始出現(xiàn)的，幾十年來(lái)獲得了很大的發(fā)展，目前在各種技術(shù)領(lǐng)域里幾乎都廣泛的使用了液壓控制。液壓伺服系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)可歸納成下列幾點(diǎn)。

（1）液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作快，換向迅速。就流量—— 速度的傳遞函數(shù)而言，基本上是一個(gè)固有頻率很大的振蕩環(huán)節(jié)，而且隨著流量的加大和參數(shù)的最佳匹配可以使固有頻率增大到和電液伺服閥的固有頻率相比。電液伺服閥的固有頻率一般在100 HZ以上，因而液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的頻率響應(yīng)是很快的，而且易于高速啟動(dòng)、制動(dòng)和換向。與機(jī)電系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相比，固有頻率通常較高。

（2）液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積和重量遠(yuǎn)小于相同功率的機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積和重量。因?yàn)殡S著功率的增加液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閥、液壓缸或馬達(dá)）的體積和重量的增加遠(yuǎn)比機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)增加的慢，這是因?yàn)榍罢咧饕吭龃笠后w流量和壓力來(lái)增加功率，雖然動(dòng)力機(jī)構(gòu)的體積和重量也會(huì)因此增加一些，但卻可以采用高強(qiáng)度和輕金屬材料來(lái)減少體積和重量。

（3）液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)平穩(wěn)、抗干擾能力強(qiáng)，特別是低速性能好，而機(jī)電系統(tǒng)的傳遞平穩(wěn)性較差，而且易受到電磁波等各種外干擾的影響。

（4）液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速范圍廣，功率增益高。

2 液壓伺服系統(tǒng)控制的擴(kuò)張器結(jié)構(gòu)及作用原理

圖1為液壓伺服系統(tǒng)控制的大功率擴(kuò)張器結(jié)構(gòu)原理圖，該器械由油箱（1）、濾清器（2）、電動(dòng)機(jī)（3）、液壓齒輪泵（4）、溢流閥（5）、擴(kuò)張嘴（6）、三角加強(qiáng)肋板（7）、連桿（8）、拉桿（9）、大活塞桿（10）、大活塞（11）、大活塞內(nèi)部上通路（12）、小活塞（13）、銷(xiāo)軸（14）、機(jī)架（15）、活動(dòng)鉸鏈機(jī)構(gòu)（16）、出油口（17）、回油通路（18）、進(jìn)油口（19）、大活塞內(nèi)部下通路（20）、液壓缸（21）、小活塞桿（22）、刻度尺及操作手柄（23）組成。（如圖1）

圖1中，電動(dòng)機(jī)3得電工作后，帶動(dòng)液壓齒輪泵4，將高壓油泵入液壓缸21的左腔內(nèi)。此時(shí)，如果小活塞13處于中位，大活塞內(nèi)部上通路12和大活塞內(nèi)部下通路20不通，高壓油就通過(guò)溢流閥5流回油箱1。溢流閥5還起到調(diào)壓和過(guò)載保護(hù)的作用。當(dāng)液壓缸缸體21的左腔充滿高壓油時(shí)，用手向左推動(dòng)小活塞桿22一定的刻度，大活塞內(nèi)部下通路20使液壓缸缸體21的左腔與右腔連通，即左腔與右腔的油壓相等，由于大活塞11左端面的面積小于右端面的面積，由F=P×A可知大活塞11及大活塞桿10會(huì)向左運(yùn)動(dòng)相同的刻度，直到使大活塞內(nèi)部下通路20重新封閉為止；用手向右拉動(dòng)小活塞桿22一定的刻度，大活塞內(nèi)部上通路12使液壓缸缸體21的右腔通過(guò)回油通路18與出油口17連通，即液壓缸缸體21的右腔油壓為零，由于液壓缸21的左腔油壓大于右腔油壓，大活塞11及大活塞桿10會(huì)向右運(yùn)動(dòng)相同的刻度，直到使大活塞內(nèi)部上通路12重新封閉為止；當(dāng)小活塞13處于中間位置時(shí)，大活塞內(nèi)部上通路12和大活塞內(nèi)部下通路20都封閉，即使電動(dòng)機(jī)3工作也無(wú)法改變大活塞桿10的位置，液壓油通過(guò)溢流閥5流回油箱1，即具有鎖止功能；利用作用在小活塞桿22上較小的力控制作用在大活塞桿10上較大的力，使大活塞桿10頂部的拉桿9左右移動(dòng)，通過(guò)活動(dòng)鉸鏈機(jī)構(gòu)16，拉動(dòng)連桿8，連桿8再拉動(dòng)三角加強(qiáng)肋板7，使之繞固定在機(jī)架上的銷(xiāo)軸14轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使擴(kuò)張嘴6打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)張功能。

3 創(chuàng)新點(diǎn)結(jié)語(yǔ)

（1）加入了杠桿原理，通過(guò)調(diào)節(jié)力臂長(zhǎng)短，能實(shí)現(xiàn)用小的輸入壓力獲得大的輸出擴(kuò)張力的效果，液壓伺服系統(tǒng)精確控制的大功率擴(kuò)張裝置的初始擴(kuò)張力大于170 kN，擴(kuò)張距離大于450 mm。

（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，成本低。

（3）液壓伺服系統(tǒng)控制方式可提高機(jī)械效率、操作精度，且對(duì)營(yíng)救人員技術(shù)要求較低。

（4）液壓伺服系統(tǒng)工作柔和平穩(wěn)，效率高，功率大，具有無(wú)級(jí)調(diào)控，自我，散熱良好，過(guò)載保護(hù)，自鎖等特點(diǎn)。

（5）可拆卸，便于維護(hù)，便于攜帶。

參考文獻(xiàn)

篇10

關(guān)鍵詞：排汽缸 能量損失 速度不垂直度 試驗(yàn)測(cè)試

中圖分類號(hào)：TK26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）01（c）-0051-04

排汽缸是汽輪機(jī)的重要組件之一，它是連接汽輪機(jī)末級(jí)和凝汽器的中間部件，其主要功能是將汽輪機(jī)末級(jí)的排汽輸送至凝汽器中去，通過(guò)在凝汽器中對(duì)氣流的擴(kuò)壓達(dá)到利用汽輪機(jī)排汽的余速動(dòng)能的目的。由于末級(jí)排汽為亞聲速，排汽缸通過(guò)選取沿流向逐漸增加的橫截面積使汽流增壓至凝汽器壓力，以此減小汽輪機(jī)末級(jí)的壓力，以增加有用焓降，使得相對(duì)內(nèi)效率能夠有所增加[1]。

針對(duì)汽輪機(jī)排汽缸的相關(guān)試驗(yàn)研究工作比較多，且多集中于仿真計(jì)算發(fā)展前期，以全尺寸試驗(yàn)和模型試驗(yàn)為主，主要是以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面的相應(yīng)改進(jìn)，以提高其氣動(dòng)性能。相比較而言，全尺寸試驗(yàn)成本較高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而模型試驗(yàn)相對(duì)試驗(yàn)周期更短，成本更低，已成為排汽缸試驗(yàn)研究的首選。Tajic L[2-3]等人采用1∶4?；呐牌啄Ｐ蛯?duì)某排汽缸進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要考查擴(kuò)壓器出口的相對(duì)位置和壁面粗糙度對(duì)排汽缸的影響情況。試驗(yàn)研究結(jié)果顯示，擴(kuò)壓器出口到前壁面的距離與排汽缸的氣動(dòng)損失近似成正比例關(guān)系，該距離越小，其氣動(dòng)損失越小；而壁面的粗糙度并沒(méi)有對(duì)缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生顯著影響，因此，可以不考慮它的影響作用；葉頂間隙泄漏能夠提高排汽缸的氣動(dòng)性能，但與此同時(shí)降低了末級(jí)葉片排的效率Kasilov[4]等人針對(duì)排汽缸內(nèi)的漩渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然能夠通過(guò)一些措施破壞排汽缸內(nèi)的漩渦結(jié)構(gòu)，一定程度上降低排汽缸的損失系數(shù)，但同時(shí)也會(huì)增加排汽缸的氣動(dòng)損失，需精心設(shè)計(jì)破壞排汽缸內(nèi)漩渦結(jié)構(gòu)的方法以降低排汽缸內(nèi)的氣動(dòng)損失；付經(jīng)綸[5]等人對(duì)某單級(jí)透平的汽輪機(jī)排汽系統(tǒng)模型的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)及數(shù)值研究，通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，非軸對(duì)稱模型內(nèi)流場(chǎng)的葉片表面的氣動(dòng)力分布和出口流場(chǎng)分布在圓周方向均為不均勻分布，且由于其進(jìn)口位置的氣流角影響，葉展方向的總壓變化強(qiáng)烈，造成擴(kuò)壓器內(nèi)部的氣流分離現(xiàn)象惡化，嚴(yán)重影響了擴(kuò)壓效果；趙寶珠[6]等人依托某氣動(dòng)試驗(yàn)風(fēng)洞對(duì)某30萬(wàn)kW汽輪機(jī)的排汽系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其喉部出口位置大約有20%以上的區(qū)域?yàn)樨?fù)壓區(qū)，使得出口截面流動(dòng)分布更為不均勻，嚴(yán)重影響了汽輪機(jī)的出力，相應(yīng)提高了機(jī)組運(yùn)行成本。

該文主要針對(duì)某大功率汽輪機(jī)排汽缸進(jìn)行相應(yīng)的?；囼?yàn)，以研究其氣動(dòng)特性情況，主要通過(guò)排汽缸的能量損失和出口截面的速度不垂直度兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量排汽缸的流動(dòng)損失情況，為今后的結(jié)構(gòu)改進(jìn)工作提供一定幫助。

1 試驗(yàn)方法

該?；碉L(fēng)試驗(yàn)是在低速風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，該試驗(yàn)臺(tái)具有大流量、高壓頭，風(fēng)量穩(wěn)定，壓力波動(dòng)小，可以滿足試驗(yàn)所需各工況對(duì)試驗(yàn)條件的要求。圖1給出了進(jìn)行模化試驗(yàn)的排汽缸試驗(yàn)臺(tái)的簡(jiǎn)圖。

汽輪機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中，氣流在排汽缸內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)如下：從入口管道流入，經(jīng)過(guò)導(dǎo)流錐，氣流呈環(huán)形軸向流動(dòng)，進(jìn)入導(dǎo)葉柵，氣流在導(dǎo)葉柵的作用下從單純的軸向流動(dòng)變?yōu)榫哂幸欢ㄖ芟蛩俣确至康男鳎鹘嵌扰c實(shí)際汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉出口氣流相符，旋流的氣流流經(jīng)由內(nèi)弧體、背弧體組成的流道，流動(dòng)方向由汽輪機(jī)軸向轉(zhuǎn)向徑向流動(dòng)，從蝸殼一側(cè)的矩形出口流出排汽缸試驗(yàn)件。

試驗(yàn)測(cè)試的測(cè)點(diǎn)布置在總進(jìn)氣管道和排汽出口端面，根據(jù)進(jìn)氣管道的總壓、靜壓的測(cè)量結(jié)果，就可以計(jì)算出該位置的平均氣流馬赫數(shù)，作為試驗(yàn)工況的控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整進(jìn)氣操作。試驗(yàn)中，在穩(wěn)定工況下，該平均馬赫數(shù)的相對(duì)偏差小于1%；為避免氣流在流出排汽缸排汽口后直接排向大氣急速擴(kuò)散，導(dǎo)致影響排汽口流場(chǎng)的流動(dòng)，進(jìn)行出口y量的探頭在測(cè)量時(shí)處于距離排汽缸出口邊緣40 mm位置的內(nèi)部，試驗(yàn)過(guò)程中選擇五孔球頭探針進(jìn)行相關(guān)量的測(cè)量，采用非對(duì)向測(cè)量方法，擬定系統(tǒng)的采樣時(shí)間為60 s。圖2為排汽缸出口截面的測(cè)點(diǎn)布置示意圖，為了確保流場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，同時(shí)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化較大的角區(qū)和邊界區(qū)域進(jìn)行了測(cè)點(diǎn)的局部加密。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

針對(duì)汽輪機(jī)排汽缸氣動(dòng)性能的評(píng)估以出口截面上的氣動(dòng)參數(shù)分布情況進(jìn)行，通過(guò)能量損失系數(shù)來(lái)考察排汽缸的能量損失，通過(guò)速度不垂直度來(lái)評(píng)估出口位置的流動(dòng)情況。

能量損失系數(shù)定義為：

（1）

式中：P為測(cè)量位置靜壓；P*為測(cè)量位置總壓；Pin*為入口總壓；k為絕熱指數(shù)。

速度不垂直度：

評(píng)估排汽缸出口截面流動(dòng)分布的參數(shù)，是出口氣流速度矢量對(duì)出口截面的不垂直度，即出口氣體流動(dòng)速度和出口位置法線之間夾角的質(zhì)量平均值。

（2）

式中：為測(cè)量面內(nèi)速度分量；Vz為垂直于測(cè)量面的速度分量。

2.1 能量損失分析

圖3為該模型試驗(yàn)件出口位置的能量損失系數(shù)等值云圖。通過(guò)圖3中可以看到，在該模型試驗(yàn)件出口位置有3個(gè)比較高的能量損失區(qū)。左右兩個(gè)高損失區(qū)面積較大，損失值較高，這兩個(gè)高損失區(qū)是氣流流出徑向擴(kuò)壓管，在蝸殼內(nèi)流向頂部矩形出口截面時(shí)，在其底部由機(jī)組子午面處分流，分別形成的兩個(gè)旋渦所造成。旋向相反的兩個(gè)旋渦相互作用，產(chǎn)生面積和損失值相對(duì)兩個(gè)高損失區(qū)較小的第3個(gè)高損失區(qū)，位于出口截面中間位置。

氣流在排汽缸中的流動(dòng)主要是繞流導(dǎo)向葉柵、軸向轉(zhuǎn)徑向擴(kuò)壓管以及蝸殼這3個(gè)組件。在導(dǎo)向葉柵中氣流實(shí)現(xiàn)流動(dòng)方向變化，模擬末級(jí)絕對(duì)出氣方向，使氣流有一定的預(yù)旋，因此，可不考慮氣流是膨脹還是擴(kuò)壓。該文認(rèn)為主要是在軸向徑向擴(kuò)壓管中擴(kuò)壓，同時(shí)在擴(kuò)壓管中氣流折轉(zhuǎn)90°，從軸向流動(dòng)進(jìn)入徑向流動(dòng)。被收集到蝸殼體內(nèi)的氣流，沿蝸殼環(huán)狀通道流向頂部的矩形出口，沿蝸殼底部子午面發(fā)生分流，在向頂部流動(dòng)的同時(shí)，因蝸殼中設(shè)置了斜板，氣流膨脹加速。由此看來(lái)，排汽缸的流動(dòng)損失和不均勻性主要取決于來(lái)流的扭曲度以及擴(kuò)壓管和蝸殼之間擴(kuò)壓度分配。特別需要指出的是來(lái)流扭曲度決定出口截面左右兩側(cè)流動(dòng)的對(duì)稱性，擴(kuò)壓管的擴(kuò)壓度決定流動(dòng)損失的大小。

2.2 速度不垂直度分析

圖4為試驗(yàn)件出口位置的速度不垂直度的等值分布云圖。由速度不垂直度的定義式可知，不垂直度的大小是排汽缸出口截面，亦即凝汽器進(jìn)口截面氣流方向偏離截面法向程度的度量。這也是保證凝汽器氣動(dòng)性能的要求條件之一。實(shí)質(zhì)上，速度不垂直度正比于出口位置的速度分量，這個(gè)分量愈大，速度不垂直度也愈高。從圖4中可以看到，排汽缸出口截面的速度不垂直度較高，其提供給凝汽器的入口氣流方向不利于凝汽器中的凝結(jié)流動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)針對(duì)某大功率汽輪機(jī)排汽缸進(jìn)行模化試驗(yàn)測(cè)試，考察排汽缸出口截面的能量損失和速度不垂直度評(píng)估排汽缸的氣動(dòng)性能，結(jié)論如以下幾點(diǎn)。

（1）在排汽缸出口截面上存在左右兩個(gè)高損失區(qū)，是氣流流出徑向擴(kuò)壓管，在蝸殼內(nèi)流向頂部矩形出口截面時(shí)，其底部由機(jī)組子午面分流，分別形成的兩個(gè)旋渦所造成；旋向相反的兩個(gè)旋渦相互作用，產(chǎn)生處于中間位置的第3個(gè)高損失區(qū)。排汽缸的流動(dòng)損失主要取決于來(lái)流的扭曲度以及擴(kuò)壓管和蝸殼之間擴(kuò)壓度分配。

（2）排汽缸出口截面的速度不垂直度較高，其提供給凝汽器的入口氣流方向不利于凝汽器中的凝結(jié)流動(dòng)。

（3）針對(duì)該大功率排汽缸流動(dòng)損失較大的情況，可通過(guò)改進(jìn)排汽缸相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸的方法來(lái)進(jìn)行氣動(dòng)性能優(yōu)化，主要包括出汽邊高度、斜板角度以及蝸殼上部偏移量等。

參考文I

[1] 黃樹(shù)紅.汽輪機(jī)原理[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[2] Tajic L，Bednr L.Exhaust Hoods of Double-Flow Arrangement[J].4th European Conference on Turbomachinery，2000.

[3] Tajic L，Bednr L，Hoznedl M.Exhaust Hood for the Steam Turbines of Single-Flow Arrangement[J].CMP Turbomachinery，2005.

[4] V F Kasilov.An Investigation of Facilities Acting on Swirl Flow in the Collection Chamber of the Exhaust Hoods for the Low-Pressure Cylinder in Steam Turbines[J].Thermal Engineering，2000，47（11）：984-990.