車用渦輪增壓微型燃氣輪機輔助電站研究進展

張強，馬朝臣

(北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院，北京100081)

隨著人們節(jié)能意識的逐漸增強以及制定排放法規(guī)的日益嚴格，內(nèi)燃機增壓技術(shù)越來越受到重視。在各種增壓方式中，廢氣渦輪增壓由于利用了發(fā)動機廢氣中的能量，提高了發(fā)動機的經(jīng)濟性，被人們廣泛地應(yīng)用。然而渦輪增壓發(fā)動機存在著啟動和加速時瞬態(tài)響應(yīng)性差以及高速、高負荷下渦輪增壓器會發(fā)生超速的缺點。在國內(nèi)外針對這些問題的不同解決措施中，近年來采用高速電動/發(fā)電機來改善發(fā)動機部分工況特性的電輔助渦輪增壓技術(shù)已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)新的技術(shù)熱點［1-2］。

微型燃氣輪機是一種新型的分布式能源系統(tǒng)和電源裝置，其單機功率范圍為數(shù)十至數(shù)百千瓦，發(fā)展歷史較短［3］。帶有回?zé)崞鞯母咝⑿腿細廨啓C發(fā)電機組廣泛地用于分布式發(fā)電［4］、熱電冷聯(lián)供［4-5］、車輛混合動力裝置［6-7］、軍用車載輔助電站［8-9］。它作為典型的軍民兩用高科技產(chǎn)品得到迅速發(fā)展，成為對國防和國民經(jīng)濟具有重大作用的戰(zhàn)略產(chǎn)品。近年來隨著全球范圍內(nèi)的能源與動力需求以及環(huán)境保護等要求的變化，燃氣輪機得到了美國、歐盟、日本等發(fā)達國家的高度重視，先后制定了先進燃氣輪機技術(shù)研究發(fā)展規(guī)劃，多家公司將多個系列的微型燃氣輪機產(chǎn)品投入到國際市場。我國對微型燃氣輪機的廣闊應(yīng)用前景也十分重視，已有包括國家“863”計劃在內(nèi)的多個項目在擬議和實施中，但迄今為止，還沒有一種型號微型燃氣輪機用于商業(yè)運行。

微型燃氣輪機發(fā)電機組的尺寸小，質(zhì)量輕，具有高效、節(jié)能、低噪音、低污染等優(yōu)點。其主要基本技術(shù)特征與車用廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子部分非常接近，都是采用離心式壓氣機、徑流或軸流式渦輪，利用單軸形式連接壓氣機和渦輪;不同之處在于微型燃氣輪機要單獨設(shè)置一個燃燒室和電動/發(fā)電機。因此技術(shù)上完全可以把車用廢氣渦輪增壓器與微型燃氣輪機一體化，以滿足軍、民用車輛功能多樣化需求日益增長的需要。

本文綜述了車用渦輪增壓器和微型燃氣輪機關(guān)鍵技術(shù)的國內(nèi)外研究進展情況，提出了將渦輪增壓系統(tǒng)與車載輔助微型燃氣輪機電站一體化的新方案，對未來需要開展的研究工作進行了展望。

1 關(guān)鍵技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 熱力循環(huán)方式

發(fā)電用微型燃氣輪機采用簡單熱力循環(huán)時，其熱效率低于大型燃氣輪機的效率?，F(xiàn)在100 kW 級的微型燃氣輪機采用回?zé)嵫h(huán)時，效率也低于同功率檔次內(nèi)燃機的效率［10］。為了提高微型燃氣輪機的熱效率以及降低CO2的排放，最簡單的方法是采用回?zé)嵫h(huán)來回收廢氣中的熱量［11］。目前在研的微型燃氣輪機熱效率的目標為40%，為了達到這一目標，許多研究機構(gòu)和學(xué)者在如何大幅提高渦輪進口溫度以及采用更有效的熱力循環(huán)方面作了相關(guān)的研究工作。對于前者，解決問題的關(guān)鍵在于研發(fā)新的耐高溫材料如陶瓷材料，使燃氣輪機中受熱部件如渦輪轉(zhuǎn)子的耐熱水平顯著地提高。但是由于材料成本以及加工安裝技術(shù)水平的限制，目前陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子還沒有得到廣泛地應(yīng)用;對于后者，當前涌現(xiàn)出許多新的熱力循環(huán)概念［12-14］，如回?zé)嶂欣溲h(huán)、回?zé)岬蛪貉h(huán)、回?zé)崮嫜h(huán)和外燃循環(huán)等。這些新的熱力循環(huán)概念都是建立在回?zé)嵫h(huán)的基礎(chǔ)上，面向的對象絕大多數(shù)是小型燃氣輪機聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，同時結(jié)構(gòu)上不可避免地增加一些附屬設(shè)備來適應(yīng)熱力循環(huán)的要求，使得整機的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，尺寸、質(zhì)量也相應(yīng)地增大。因此對于功率水平為百千瓦以下級別的微型燃氣輪機，采用復(fù)雜的熱力循環(huán)提高效率不太可行。

微型燃氣輪機中回?zé)崞鞯膬r格比較昂貴，約占系統(tǒng)總成本的1/3［11，15］。現(xiàn)有的具有良好性能和緊湊結(jié)構(gòu)的換熱器形式大都為實驗室產(chǎn)品，并且成本很高，因此只少量生產(chǎn)，沒有形成量化生產(chǎn)的規(guī)模。目前新型的回?zé)崞髡谘邪l(fā)之中，并朝著降低成本，減少組件數(shù)量，且能夠適應(yīng)自動化生產(chǎn)模式的方向發(fā)展。應(yīng)用在微型燃氣輪機中典型的回?zé)崞饔邪迨交責(zé)崞?，它能在較小溫差下，實現(xiàn)高效傳熱，已逐步得到了應(yīng)用［16］。但是這種回?zé)崞鳛榱诉_到設(shè)計要求的換熱效果，就必須增大傳熱面積，使得體積增加，不適合在車輛發(fā)動機艙內(nèi)安裝。回?zé)崞鞑捎玫牧硪环N傳熱表面為一次表面型［17］，它的特點是體積小、質(zhì)量輕、節(jié)省安裝空間。這種換熱器國外雖有研究，但具體性能參數(shù)并不公開報道;而且在國內(nèi)各種一次表面回?zé)崞鞯闹圃旃に囘€不成熟，因此實際應(yīng)用起來也比較困難。

1.2 壓氣機和渦輪

由于微型燃氣輪機采用簡單熱力循環(huán)形式，所以設(shè)計高效率的壓氣機和渦輪對整機效率的提高有著重要的意義。目前在渦輪增壓器和微型燃氣輪機大多數(shù)研究中，主要通過優(yōu)化葉輪來提高壓氣機和渦輪的性能［18-20］。為了全面改善性能，還在擴壓器、葉輪頂部間隙等方面作了相關(guān)研究［21-22］。

1.2.1 壓氣機

離心壓氣機運轉(zhuǎn)具有高速、高壓比的特點，受到很大的離心力作用。隨著壓比的提高，葉輪直徑的減小，如何保持較高的效率和寬廣的流量范圍成為突出的矛盾，這需要選擇合適的壓氣機葉輪葉型［23-24］。目前由于帶有后彎葉片的壓氣機效率最高而在車用渦輪增壓器和微型燃氣輪機中大量使用，但其缺點是不易制造，葉根對彎曲壓力敏感。

綜上分析，前傾后彎葉輪能滿足寬廣速度和流量范圍的要求，至于后彎葉輪強度低的問題完全可以在設(shè)計上采取措施予以解決。另外在葉輪后加裝容易制造、抗污損和沖蝕性好的無葉擴壓器，可以擴大壓氣機的運行范圍，進一步發(fā)揮后彎葉輪的優(yōu)勢。離心壓氣機的材料可采用鑄鐵、鋁合金、鋼和鐵合金。采用多坐標數(shù)控整體進行銑削加工，容易控制加工精度，保證各葉道間良好的一致性和氣動性能，提高葉輪的性能和壽命。

1.2.2 渦輪

渦輪的設(shè)計要滿足空氣動力學(xué)性能的要求，同時又要保證葉片具有足夠的強度和剛度。為了適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)，還要具有外形尺寸小、質(zhì)量輕和慣性矩小的特點，否則會限制渦輪的安裝和響應(yīng)特性。系統(tǒng)運行時，渦輪除了要帶動自身的旋轉(zhuǎn)，還要同時帶動壓氣機葉輪和發(fā)電/電動機的轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)，因此設(shè)計時要保證渦輪具有足夠的做功能力。

渦輪的瞬態(tài)性能與各旋轉(zhuǎn)部件的慣性矩大小有關(guān)，還與渦殼本身的參數(shù)A/R 值(渦殼喉口面積/喉口截面圓心點距轉(zhuǎn)軸的距離)有關(guān)［25］。該數(shù)值影響葉輪的轉(zhuǎn)速以及整機在部分工況時的響應(yīng)特性，需要全面考慮后確定合理的數(shù)值。車用渦輪增壓器采用的徑流式渦輪，用精密鑄造的工藝進行整體葉輪的加工，可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，保證了低廉的成本。

1.3 燃燒室

燃燒室作為微型燃氣輪機的重要組成部分，其形式的選擇在很大程度上取決于發(fā)動機的用途以及可被利用的空間，對整個發(fā)動機的結(jié)構(gòu)有著重要的影響［15］。

為了組織好燃燒過程，使燃燒室具有燃燒穩(wěn)定性好、效率高、流動阻力小以及排氣中污染物控制得當?shù)攘己眯阅?，就必須對燃燒室的燃燒和流動性能進行深入的研究。近年來國內(nèi)外學(xué)者利用試驗和數(shù)值模擬等技術(shù)手段在這些方面進行了相關(guān)的研究。隨著燃燒理論和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用數(shù)值計算方法對燃燒室內(nèi)部的流動和燃燒過程進行模擬分析［26］;為了檢驗燃燒室布置方案的合理性和部件的可靠性，用熱應(yīng)力、結(jié)構(gòu)強度等試驗研究［27］來進行驗證;為了減少污染物(特別是NOx)的排放，進行了貧預(yù)混—預(yù)蒸發(fā)燃燒(LPP)［28］、無焰氧化燃燒(FLOX)［29-30］等燃燒技術(shù)方面的研究，以此來解決燃燒室性能的預(yù)估和工程設(shè)計問題。對于微型燃氣輪機燃燒室組件，今后的目標將主要集中在優(yōu)化噴油器的性能和燃燒室的幾何參數(shù)。

1.4 轉(zhuǎn)子軸承

軸承是渦輪增壓器和燃氣輪機的重要部件之一，也是整機結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)［24］。微型燃氣輪機的轉(zhuǎn)速一般在40 000 r/min 以上，小型渦輪增壓器普遍使用的轉(zhuǎn)速范圍也為50 000～150 000 r/min.在如此高的轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，選擇工作可靠又有很高機械效率的軸承非常重要。早期的增壓器和燃氣輪機支撐系統(tǒng)多采用滾珠軸承和滾柱軸承，它突出的優(yōu)點是摩擦損失小、效率高、增壓器轉(zhuǎn)子工作靈活，顯著改善了增壓器的加速性能。后來帶有浮環(huán)的滑動軸承由于對轉(zhuǎn)子的不平衡敏感性較小、能勝任極高轉(zhuǎn)速下的工作以及制造容易、成本低廉而受到人們的重視。滾動軸承和滑動軸承均需要潤滑系統(tǒng)。目前大力發(fā)展的軸承形式為空氣軸承，可不必在增壓器上設(shè)置進、回油的管道，排除了經(jīng)油封漏機油和污染中冷器的可能性。隨著技術(shù)的成熟以及成本的降低，預(yù)計磁懸浮軸承也將成為下一代燃氣輪機軸承的可選形式。

許多國外商業(yè)化的微型燃氣輪機中采用了空氣軸承，到目前為止空氣軸承被證明是能夠可靠工作的，但是在壽命和耐久性方面仍需改進［31］。我國低溫透平膨脹機制造領(lǐng)域已具備了開發(fā)靜壓空氣軸承透平膨脹機的豐富經(jīng)驗，但迄今為止在高速透平機械領(lǐng)域尚無動壓氣體軸承產(chǎn)品的應(yīng)用，與發(fā)達國家還存在較大的差距［32］?，F(xiàn)在小型渦輪增壓器普遍采用滑動軸承而且是全浮動軸承，文獻［33］介紹的一種微型燃氣輪機向心透平性能試驗裝置與測量系統(tǒng)中也采用了液體動壓滑動軸承。因此結(jié)合實際的技術(shù)和生產(chǎn)情況，系統(tǒng)可以采用滑動軸承。

1.5 電動/發(fā)電機

高速電機轉(zhuǎn)子在高速運行時，其電機中轉(zhuǎn)子表面切向應(yīng)力、電機尺寸比、轉(zhuǎn)子表面線速度之間具有很強的約束關(guān)系。大多數(shù)高速電機采用2 極或4 極結(jié)構(gòu)，這樣可以使轉(zhuǎn)子半徑減小，保證電機高速旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子線速度不超過200～250 m/s，否則燒結(jié)而成的永磁體將無法承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的巨大離心力。定子繞組電流和鐵心中磁通的高頻率一般為1 500～2 500 Hz［34-35］，需將高頻電降至50 Hz，否則會在導(dǎo)線中產(chǎn)生電渦流損失，就需要專門設(shè)計定子繞組形式。電機高速旋轉(zhuǎn)時還會由于空氣的摩擦引起轉(zhuǎn)子溫度的上升，因此還要解決由于溫升帶來的電機效率下降問題。據(jù)報道，博格—華納(Borg-Warner)公司在所設(shè)計的第3 代電輔助增壓器(eBooster)樣機系統(tǒng)中，采用了高速同步電機。從功率密度和效率角度來看，永磁電機的功率密度可達到8.9 kW/kg［34］，因此在微型燃氣輪機發(fā)電機組中可考慮選用永磁同步高速電機，但它的轉(zhuǎn)子機械特性差［36］。

總之在具體選用永磁高速電機時，要根據(jù)系統(tǒng)的運行參數(shù)，結(jié)合其電磁和機械特性、控制方式和功率變換系統(tǒng)，進行綜合對比研究。

2 車用集成式燃氣渦輪—增壓發(fā)電系統(tǒng)

軍用車輛往往需要裝備輔助電站，以便在主動力發(fā)動機不啟動的情況下為車輛用電設(shè)備供電。由于輔助電站與渦輪增壓系統(tǒng)具有相近的工作參數(shù)，為了簡化裝置、減小體積，本文提出渦輪增壓系統(tǒng)與車載輔助微型燃氣輪機電站一體化的方案，稱為集成式燃氣渦輪—增壓發(fā)電系統(tǒng)(ITSGS).

2.1 ITSGS 的工作原理

ITSGS 的工作原理如圖1所示。工作時可由電控單元輸出相應(yīng)控制信號使系統(tǒng)在車用渦輪增壓器工況和燃氣輪機工況(圖1虛線區(qū)域)間切換。在車用渦輪增壓器工況，當車輛啟動和加速時，通過電動機輔助驅(qū)動壓氣機，快速提高進氣壓力，增加進入氣缸的空氣量;在高速大負荷工況時，渦輪的一部分能量通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，儲存在蓄電池中。這樣即可以使進氣壓力在低速時完全不依靠于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，消除了增壓器響應(yīng)的滯后性，又可以在高速工況下回收廢氣的能量，取消增壓器廢氣閥的設(shè)置，替代可調(diào)渦輪的作用。在微型燃氣輪機發(fā)電工況，通過燃燒室燃燒燃料產(chǎn)生的能量推動渦輪做功，帶動高速電機發(fā)電。產(chǎn)生的電能經(jīng)過整流、逆變和濾波等環(huán)節(jié)進行處理后，在電動/發(fā)電機與能量儲存單元之間傳遞，最后供負載使用。

圖1 車用集成式燃氣渦輪—增壓發(fā)電系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Sketch of vehicular integrated turbine supercharger generator system

2.2 ITSGS 可行性分析

為了評估ITSGS 的可行性，需要根據(jù)質(zhì)量、能量守恒原理，對微型燃氣輪機設(shè)計工況點的熱力參數(shù)進行計算，判斷燃氣輪機的主要運行參數(shù)是否與渦輪增壓器的運行參數(shù)相匹配。即按照燃氣輪機工作過程和給定的各個部件的效率(或損失系數(shù))，取一系列壓氣機增壓比和渦輪前燃氣溫度，計算燃氣輪機各截面的熱力參數(shù)(壓力、溫度、比熱、焓、熵值)和性能參數(shù)(即工質(zhì)的比功、熱效率和耗油率)，然后根據(jù)所要達到的燃氣輪機的功率確定空氣流量，或者根據(jù)給定的空氣流量計算燃氣輪機的功率［47］。

通過編制相應(yīng)的熱力循環(huán)計算程序，表1給出了經(jīng)過計算得到的ITSGS 設(shè)計工況點的基本特性參數(shù)。從結(jié)果可以看出，只要選取合適的壓比和渦輪進口溫度，可以使微型燃氣輪機輸出相應(yīng)的功率，而且壓氣機、渦輪等參數(shù)均在渦輪增壓器工作的范圍之內(nèi)，可以保證增壓器與發(fā)動機良好匹配的前提下實現(xiàn)渦輪增壓器與輔助發(fā)電的集成。

表1 車用集成式燃氣渦輪—增壓發(fā)電系統(tǒng)基本特性參數(shù)Tab.1 Main parameters of vehicular integrated turbine supercharger generator system

2.3 ITSGS 的系統(tǒng)設(shè)計方案

綜合國內(nèi)外回?zé)崞餮芯亢蜕a(chǎn)的現(xiàn)況以及車用微型燃氣輪機發(fā)電機組的應(yīng)用場合，車用ITSGS 采用簡單燃氣輪機熱力循環(huán)符合目前的實際技術(shù)情況。考慮到車輛廢氣渦輪增壓器的布置方式特點，壓氣機和渦輪葉輪均布置有渦殼體，其間還要布置軸承及潤滑管路，且葉輪的布置方式不是采用背靠背的形式，這樣在渦輪側(cè)就不能像目前大多數(shù)微型燃氣輪機那樣留有足夠的空間布置燃燒室;另外微型燃氣輪機的噴油流量小，如果采用多管燃燒室，則各管間燃油量分配的噴油量就會更小，而與此相匹配的噴嘴在加工和運行中存在易腐蝕和堵塞等問題，因此車用ITSGS 考慮選用小型單管式燃燒室。這樣可以將燃燒室水平布置于渦輪機體上，另外燃燒室容積的確定也較靈活，可提高效率，也便于檢修。這種結(jié)構(gòu)會使整機的熱效率較低，但與目前車載輔助電站需要單獨的動力源相比，ITSGS 在成本(包括設(shè)備、燃料、維護保養(yǎng)等成本)以及改善車輛部分工況的特性方面所帶來的優(yōu)勢是明顯的。

3 車用集成式燃氣渦輪—增壓發(fā)電系統(tǒng)研究展望

ITSGS 集成技術(shù)研究中要解決增壓器與發(fā)動機的匹配和優(yōu)化技術(shù)問題，實現(xiàn)發(fā)動機與增壓器在全工況下(尤其是啟動、加速和低速工況)的良好匹配;在微型燃氣輪機工況下，實現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換;ITSGS 的動態(tài)過渡過程直接影響到工況調(diào)節(jié)的靈活性以及整個系統(tǒng)的運行可靠性，要對工作過程的動態(tài)特性進行研究，為機組的性能優(yōu)化和運行控制優(yōu)化提供理論依據(jù)。

在系統(tǒng)的關(guān)鍵部件中，運用計算流體動力學(xué)(CFD)先進技術(shù)對葉輪進行合理的氣動設(shè)計，使其既滿足發(fā)動機渦輪增壓進氣流量和壓比的要求，又要使微型燃氣輪機發(fā)出額定的電功率;對燃燒室進行流動、傳熱和機械綜合設(shè)計方法研究，分析燃燒室內(nèi)的燃燒狀況及速度、壓力和溫度的分布情況。

不斷提高車用ITSGS 的效率和降低成本將是今后長期的目標。這一方面依靠相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)取得關(guān)鍵性突破，如高效、緊湊、低成本回?zé)崞鞯某晒ρ兄?另一方面，在現(xiàn)有技術(shù)條件下也可以考慮和其他技術(shù)相結(jié)合，以使系統(tǒng)的效率大幅度得到提高，只有這樣才能使其工程化。目前存在的主要技術(shù)障礙是小型高緊湊單管燃燒室技術(shù)、高速電動/發(fā)電機技術(shù)以及由于渦輪轉(zhuǎn)子與電動/發(fā)電機連接而帶來的轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題。

車用ITSGS 作為能源、動力領(lǐng)域的新概念裝置，在提高能源利用率，降低環(huán)境污染，提高工作靈活性，節(jié)省投資等方面具有很廣闊的應(yīng)用前景，對于推動我國軍、民用相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展有著重大意義，應(yīng)該給予重視和關(guān)注。

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