一種車用內(nèi)燃機渦輪增壓－燃氣發(fā)電一體化設計方案

張強，馬朝臣，曲荀之

(北京理工大學機械與車輛學院，北京100081)

0 引言

近年來，隨著人們對未來車輛總體性能和功能多樣化需求的日益提高，利用最新技術開發(fā)和研制出新型動力系統(tǒng)成為世界各國學者的研究熱點［1-2］。在軍事領域，主戰(zhàn)坦克、自行加榴炮、導彈運輸車等軍用車輛，往往配置輔機電站對車內(nèi)的電網(wǎng)供應直流電，確保自行火炮等壓制性武器裝備在主發(fā)動機不工作時能夠正常工作，以及主機較快地起動并投入戰(zhàn)斗狀態(tài)。傳統(tǒng)做法是采用主機低速工作帶動電機發(fā)電，對車內(nèi)設備和空調(diào)進行供電，但由于主機運行在工況十分惡劣的低負荷工況點，長時間工作會造成主機運動部件的磨損;同時由于車輛的噪聲和輻射發(fā)光，容易暴露目標。因此，這種方法大大降低了主機的可靠性和使用壽命，也不符合戰(zhàn)術要求［3］。另外，在民用領域，如野外勘探和隧道工程中也需要小型移動式輔機電站供給電源，因此發(fā)展輔機電站技術已經(jīng)成為未來車輛研制和發(fā)展的關鍵性技術。

車用集成式渦輪增壓-燃氣發(fā)電系統(tǒng)作為一種新型動力裝置，綜合了內(nèi)燃機廢氣渦輪增壓和微型燃氣輪機的特點，在技術上將二者一體化［4］。一方面可以解決內(nèi)燃機啟動和加速時瞬態(tài)響應性差以及高速、高負荷下渦輪增壓器會發(fā)生超速的缺點;另一方面解決軍用車輛在主機低負荷運行發(fā)電所帶來的組件磨損嚴重和壽命降低的問題，這對于提高軍用車輛的戰(zhàn)技指標將起到積極的作用。

本文基于廣泛使用的車用渦輪增壓器，設計了一種車用內(nèi)燃機渦輪增壓-燃氣發(fā)電一體化方案。對系統(tǒng)進行了燃氣動力發(fā)電工作過程的熱力循環(huán)計算，分析了影響系統(tǒng)設計點性能的主要參數(shù)，并對系統(tǒng)樣機結構的初步設計進行了討論，以期對樣機的設計提供一定的參考。

1 總體結構方案

1.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)總體方案的設計原則是首先保證渦輪增壓器能夠為發(fā)動機提供適量的增壓空氣，使發(fā)動機在全工況范圍均能夠正常地工作。在此基礎上，由增壓器、燃燒室和電機所組成的微型燃氣動力發(fā)電系統(tǒng)能夠發(fā)出額定的電功率。

圖1為系統(tǒng)工作原理圖。系統(tǒng)在工作時分為車用渦輪增壓器工況和微型燃氣輪機工況(圖中虛線區(qū)域)。在車用渦輪增壓器工況下，通過閥門的切換隔離燃燒室，系統(tǒng)工作過程與普通廢氣渦輪增壓器工作過程相同;在微型燃氣輪機工況，空氣經(jīng)過壓氣機后進入燃燒室，與燃料摻混后燃燒，增壓器的渦輪將燃料燃燒后產(chǎn)生的熱能轉變?yōu)闄C械能，由轉軸輸出的凈功帶動壓氣機和電機做功，從而實現(xiàn)發(fā)電的功能。根據(jù)車輛的使用情況，通過控制系統(tǒng)可在兩種工況間進行切換。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Schematic sketch of integrated turbocharger and turbine generator system

1.2 系統(tǒng)結構設計

總體結構的設計思想是使結構緊湊，同時考慮系統(tǒng)在分別作為渦輪增壓與燃氣發(fā)電用時，彼此之間互不影響。

系統(tǒng)主要由車用渦輪增壓器組件(包括壓氣機、渦輪、軸承及中間體)、燃燒室和電動-發(fā)電機組成，結構上采用單軸形式，一種可能的總體結構如圖2所示。

圖2 車用渦輪增壓-燃氣發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖Fig.2 System layout of integrated turbocharger and turbine generator system

1)為減少工質在系統(tǒng)部件的傳輸路徑，將增壓器的壓器機出口和渦輪的進口截面布置在同一方向，這種結構形式可大大縮短壓氣機出口到燃燒室進口，以及燃燒室出口到渦輪進口的管路長度，使系統(tǒng)結構緊湊。

2)在壓氣機出口和渦輪進口各安裝有三通，通過三通上布置的控制閥門可實現(xiàn)廢氣渦輪增壓工況與燃氣動力發(fā)電工況的切換。

3)系統(tǒng)可采用高速永磁電機。以目前技術水平，電機轉速可與增壓器轉速相匹配，因此高速電機可布置在壓氣機一側，通過特殊設計的連接軸與渦輪增壓器轉軸進行連接，可以有效地避免系統(tǒng)散熱對電機運行性能的影響，但同時還需要對發(fā)動機原進氣管路尺寸進行再設計，使系統(tǒng)能夠滿足進氣要求。

4)燃燒室為單管逆流形式，空氣在燃燒室中的流動經(jīng)過180°折返。為了兼顧加工和試驗測量的需要，外筒分為兩段，采用法蘭連接，頭部設有噴油器安裝孔。燃燒室的空氣進口和燃氣出口與增壓器的管道之間均采用法蘭連接形式。采用徑向葉片式旋流器使進入燃燒室內(nèi)筒的空氣產(chǎn)生回流區(qū)來穩(wěn)定火焰。

2 系統(tǒng)熱力過程計算

2.1 熱力循環(huán)計算模型

合理地匹配渦輪增壓器、電動機-發(fā)電機、燃燒室之間的能量，將關系到整個系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地工作，這需要綜合考慮系統(tǒng)各部件能量之間的需求以及系統(tǒng)工作時所產(chǎn)生的各種損失。因此，對系統(tǒng)工作的熱力循環(huán)進行分析，對于驗證系統(tǒng)參數(shù)匹配的可行性，提高系統(tǒng)設計點的性能，確定各部件的匹配關系以及提出改善性能的措施具有重要意義。

在進行微型燃氣輪機工作過程熱力循環(huán)分析時，主要作了如下假設［5］:1)壓氣機和渦輪工作時分別視為多變壓縮過程和多變膨脹過程;2)燃燒視為等壓吸熱過程;3)考慮系統(tǒng)主要部件的壓力損失;4)忽略系統(tǒng)各部件的氣體泄漏量。

根據(jù)燃氣輪機的工作原理及分析假設，編寫了相應的熱力循環(huán)計算程序。程序按照工質在燃氣輪機部件流動的先后順序，可分別計算壓氣機、燃燒室、渦輪的進出口截面處的熱力參數(shù)和性能參數(shù)。由于計算過程中工質比熱的處理方法對計算結果的精度有很大影響，采用了計算精度更高的變比熱方法。燃燒產(chǎn)物的比熱是隨油氣比而變化的，而燃氣的焓值是溫度和比熱的函數(shù)，所以計算油氣比是個迭代的過程。程序中專門編寫了函數(shù)模塊用來計算工質的焓、熵等參數(shù)，可以在熱力計算過程中由主程序調(diào)用。

由于系統(tǒng)增加了高速電機及其與增壓器的連接軸系，會使系統(tǒng)的機械效率相應地降低。因此在進行工作過程熱力循環(huán)參數(shù)計算時，需考慮這些因素對原增壓器性能指標的影響。由目前車用渦輪增壓器和燃氣輪機的制造技術水平，確定了系統(tǒng)設計點典型部件的效率和損失系數(shù)［6-8］。主要有:進氣管總壓恢復系數(shù)為0.98、燃燒室效率為0.93、燃燒室總壓恢復系數(shù)為0.93、排氣管總壓損失系數(shù)為0.02、軸系的機械效率為0.96。在海平面通常狀況下(大氣壓力p0為101 325 Pa、溫度T0為288 K)，保持渦輪進口溫度為973 K.

2.2 計算結果及分析

以某型車用渦輪增壓器為參考增壓器，其適配的某增壓中冷直列式六缸柴油機標定點功率為266 kW，排量為9.8 L，渦輪增壓器壓氣機的特性如圖3所示。從特性圖上可以看出，壓氣機高效率區(qū)(大于0.75)所覆蓋的流量和壓比范圍較寬。在不同的流量和壓比組合，對發(fā)電工況的輸出功率和燃油消耗率影響是不同的。所以計算時選取了3 組壓比和效率的組合參數(shù)，以便考察系統(tǒng)在不同工況點下，利用現(xiàn)有車用渦輪增壓器進行車用渦輪增壓-燃氣動力發(fā)電方案的可行性。另外還確定了渦輪進口最大溫度為1 023 K，燃燒室效率為0.99 時，燃氣動力發(fā)電工況時的最大輸出功率工況點Ⅳ。熱力計算結果如表1所示。

圖3 某型增壓器壓氣機特性圖Fig.3 Compressor map of the turbocharger

從表1中可以看出，工況點Ⅲ具有良好的動力性和經(jīng)濟性，此時燃機發(fā)出的功率為15.9 kW，燃油消耗率為1.480 kg/(kW·h)，這是由于該點壓氣機的壓比較高，同時壓氣機的流量較大。隨著壓比的降低，如在工況點Ⅱ，雖然壓氣機的效率最高，但由于此時的壓比較低，在相同的進口溫度下，燃油消耗率升高;設計工況點I 的壓比最低，因此其燃油消耗率也最高。在工況點Ⅳ，由于提高了渦輪進口溫度和燃燒室的效率，作為燃氣動力發(fā)電工況時所能發(fā)出的最大輸出功率為22.3 kW，油耗率為1.199 kg/(kW·h)，與所匹配的柴油機標定點功率之比約為1∶11.9.

表1 不同設計點的熱力參數(shù)計算結果Tab.1 Summary of design thermodynamic parameters

由以上分析可以看出，對于燃氣動力發(fā)電系統(tǒng)，可以在較大的壓比和流量范圍，不需對車用增壓器主要流通組件進行改動，就可使燃氣動力發(fā)電的設計工況點(如工況點Ⅲ)工作在增壓器特性圖的較高效率區(qū)內(nèi)，這說明利用車用渦輪增壓器組成燃氣動力發(fā)電系統(tǒng)是可行的，也證明了燃機發(fā)電系統(tǒng)對原發(fā)動機的增壓性能沒有影響。

3 設計參數(shù)影響規(guī)律分析

3.1 設計參數(shù)對性能的影響分析

圖4為不同壓氣機壓比和渦輪進口溫度時，系統(tǒng)的熱效率和輸出比功的情況。

系統(tǒng)的輸出比功隨著渦輪進口溫度的提高而增大，提高渦輪前總溫是增大有效功的主要措施之一。在相同渦輪進口溫度下，存在最佳壓比使輸出比功最大，如在渦輪進口溫度為1 073 K 時，當壓比為4.0 時系統(tǒng)的輸出比功達到最大值。不同渦輪進口溫度下，增加壓比對系統(tǒng)比功增加的幅度不同，溫度越高，提高相同壓比所增加的比功也越大。因此，為了盡可能獲得最大輸出比功，應在提高渦輪進口溫度的同時，適當提高壓比。

在同一壓比下，系統(tǒng)的熱效率隨著渦輪進口溫度的增加而增加，但增加的趨勢越來越平緩，這是因為溫度越高則加熱量越大，系統(tǒng)的熱損失占加熱量的比重減小，故熱效率高。在同一渦輪進口溫度下，存在著最佳壓氣機的壓比值，使系統(tǒng)的熱效率最高，低于或高于該壓比，系統(tǒng)的熱效率均降低，如在渦輪進口溫度為923 K 時，系統(tǒng)的熱效率先是隨著壓比的增加而增大，壓比增加到3.5 以后，系統(tǒng)的熱效率又逐漸降低。

由以上分析可以看出，對于車用集成式渦輪增壓-燃氣動力發(fā)電系統(tǒng)，在滿足渦輪增壓器組件材料耐溫和強度等制造水平的限制條件下，增加渦輪進口溫度和壓氣機的壓比可以提高系統(tǒng)的性能。

3.2 主要部件效率對性能的影響分析

選取渦輪增壓器組件中壓氣機、渦輪以及燃燒室效率為變量。在計算中，保持系統(tǒng)其他設計參數(shù)不變，以表1中設計工況點Ⅲ中的部件效率為基點，分別將壓氣機、渦輪以及燃燒室的效率以0.01 的幅度上下變化5%，求得系統(tǒng)各主要性能參數(shù)的變化趨勢。各主要部件效率對系統(tǒng)熱效率和燃油消耗率的影響計算結果分別如圖5和圖6所示。

圖4 系統(tǒng)性能與渦輪進口溫度和壓比的關系Fig.4 Efficiency vs specific work varying pressure ratio and turbine inlet temperature

圖5 部件效率變化與系統(tǒng)熱效率的關系Fig.5 Thermal Efficiency vs variation of component efficiencies

圖6 部件效率變化與系統(tǒng)燃油消耗率的關系Fig.6 Fuel consumption rate vs variation of component efficiencies

從圖5可以看出，隨著主要部件效率的增加，系統(tǒng)的熱效率也隨之增加，接近線性變化關系。就單個部件而言，渦輪效率對系統(tǒng)熱效率影響最大，燃燒室效率影響最弱。保持其他部件效率參數(shù)不變，當渦輪效率為78%時，系統(tǒng)的熱效率僅為5.72%，在渦輪效率增至83% 時，系統(tǒng)的熱效率可達到7.17%，可提高1.45 個百分點。這是因為渦輪是直接將熱能轉化為機械能的部件，燃氣能量在渦輪內(nèi)部的轉化程度對系統(tǒng)的熱效率影響最大。對于整個渦輪增壓器，當壓氣機和渦輪的效率同時增加時，系統(tǒng)熱效率的增加幅度更大。

從圖6可以看出，隨著各主要部件效率的增加，系統(tǒng)的燃油消耗率下降。單個部件中，渦輪效率曲線的變化趨勢最陡峭，燃燒室效率曲線最為平緩，均呈線性關系。同時改變壓氣機和渦輪的效率，系統(tǒng)的燃油消耗率變化最大。

從以上分析可以看出，渦輪效率對系統(tǒng)的性能參數(shù)影響最大，選擇高效率的車用渦輪增壓器組件，對于提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性有很大影響。另外還需設計高性能的燃燒室，使其性能滿足系統(tǒng)匹配特性的要求。

4 結論

本文基于車用渦輪增壓器，進行了一種車用內(nèi)燃機渦輪增壓-燃氣發(fā)電一體化方案設計，通過燃氣動力發(fā)電熱力循環(huán)過程的計算和分析，所得結論如下:

1)設計的系統(tǒng)總體參數(shù)能夠適用現(xiàn)有車用渦輪增壓器性能水平，證明了方案具有可行性。在滿足渦輪增壓器組件材料耐溫和強度等制造水平的限制條件下，增加渦輪進口溫度和壓氣機的壓比可以提高系統(tǒng)的性能。

2)車用內(nèi)燃機渦輪增壓-燃氣發(fā)電一體化設計方案的柴油機標定功率與燃氣動力發(fā)電的最大功率之比為11.9∶1。

3)對于系統(tǒng)主要部件的匹配，單個組件中，渦輪的效率對系統(tǒng)的性能影響最大，燃燒室效率影響最弱。同時提高壓氣機和渦輪的效率，可以較大幅度提高系統(tǒng)的性能，應選擇高效率的渦輪增壓器組件以使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。

本文的研究工作可為系統(tǒng)樣機的設計和深入研究提供參考。

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