一種超高速特斯拉渦輪式煤油發(fā)電機的研究

孫東寧，劉會祥，朱 熠，夏銀亮，李 娜

（1.北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京，100076;2.航天伺服驅(qū)動與傳動技術(shù)實驗室，北京，100076）

0 引 言

引流高壓煤油伺服電源利用引流發(fā)動機的高壓煤油做功，帶動高速發(fā)電機進行發(fā)電，在電源管理模塊的調(diào)控下為發(fā)動機搖擺采用的電靜壓伺服系統(tǒng)進行供電。本文提出一種超高速特斯拉渦輪式煤油發(fā)電機方案[1]，采用引流火箭發(fā)動機高壓煤油作用在特斯拉渦輪轉(zhuǎn)子葉片上，將流體作用于葉片的流體剪切力轉(zhuǎn)化為向外輸出的旋轉(zhuǎn)機械能，驅(qū)動發(fā)電機同步旋轉(zhuǎn)進行發(fā)電。

特斯拉渦輪機的原理是流體的邊界層效應(yīng)（Boundary Layer Effect），流體受黏滯力影響，會在管壁或者其它物體邊緣形成一層很薄的邊界層，在邊界層內(nèi)，固定表面的流速為0，離表面越遠速度越大[2]。利用這個效應(yīng)就可以讓高速運動的流體帶動一組圓盤轉(zhuǎn)動，它的效率比普通的葉片渦輪機高得多。特斯拉渦輪[3]的一組薄板圓盤安裝在渦輪內(nèi)套的軸進行旋轉(zhuǎn)，高速的蒸汽進入在薄板圓盤邊緣，蒸汽流動狀態(tài)是向內(nèi)自由渦旋路徑，最終在中心排氣口流出。除與蒸汽壓力及流速、流量有關(guān)外，還取決于流體粘附和粘度性質(zhì)。

其中，佛羅倫薩大學(xué)能源工程部提出了一種應(yīng)用于有機朗肯循環(huán)的特斯拉渦輪設(shè)計和優(yōu)化方法[4]，可用于小微發(fā)電系統(tǒng)。在有機朗肯循環(huán)應(yīng)用程序中，低成本組件對于開發(fā)剩余壓降非常有吸引力，在研究中通過評估各部件的損耗，并引入一個創(chuàng)新的轉(zhuǎn)子模型，實現(xiàn)了一種全程優(yōu)化方法。另外，渦輪圓盤的形變問題已被部分解決，主要是新材料的應(yīng)用，如使用碳纖維來制造渦輪盤。一個很好的例子是PNGinc 公司和國際渦輪與動力有限公司都在他們的特斯拉渦輪設(shè)計中用到了碳纖維材料。目前，中國高校對特斯拉渦輪做了一些相關(guān)研究，例如安徽理工大學(xué)黃紹服教授，依據(jù)特斯拉渦輪機原理，設(shè)計了一種電極轉(zhuǎn)速可調(diào)電加工裝置[5]，通過調(diào)節(jié)電極轉(zhuǎn)速及管電極末端出口工作液壓力，實現(xiàn)電極轉(zhuǎn)速可調(diào)電加工。

1 特斯拉渦輪式煤油發(fā)電機結(jié)構(gòu)與工作原理

超高速特斯拉渦輪式煤油發(fā)電機是由特斯拉渦輪、高速發(fā)電機、大流量過濾器及導(dǎo)管組件等組成，見圖1。

圖1 特斯拉渦輪式煤油發(fā)電機外形示意Fig.1 Outline Drawing of Tesla Turbine Kerosene Generator

由火箭發(fā)動機引流的高壓高速煤油驅(qū)使特斯拉渦輪的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，使其帶動高速發(fā)電機進行同步旋轉(zhuǎn)做功，產(chǎn)生的電能通過電連接器向外輸送，通過轉(zhuǎn)速傳感器實現(xiàn)對發(fā)電機轉(zhuǎn)速的監(jiān)測。通過導(dǎo)管組件中的阻尼結(jié)構(gòu)將引流高壓煤油轉(zhuǎn)換成低壓煤油對后側(cè)軸承潤滑冷卻，另外特斯拉渦輪做功后的煤油，同時實現(xiàn)對發(fā)電機前側(cè)軸承的潤滑冷卻。整個發(fā)電機裝置不消耗煤油，利用完的煤油經(jīng)大流量過濾器過濾后，回到煤油發(fā)動機進行二次循環(huán)利用。裝置部組件殼體之間的連接采用螺釘連接，密封結(jié)構(gòu)采用機械密封、端面密封以及徑向密封，對外流體接口只有引流煤油入口和過濾器出口，密封結(jié)構(gòu)可靠，整體結(jié)構(gòu)緊湊。

圖2 為特斯拉渦輪式煤油發(fā)電機剖視圖。引流的高壓煤油經(jīng)引流管接嘴入口進入特斯拉渦輪殼體內(nèi)部，驅(qū)動特斯拉渦輪轉(zhuǎn)子組件高速旋轉(zhuǎn)。而用于驅(qū)使特斯拉渦輪旋轉(zhuǎn)做功的煤油，一部分可以對發(fā)電機前側(cè)軸承進行潤滑冷卻，另一部分直接經(jīng)過濾器出口回收。位于管接嘴處的導(dǎo)管組件作用是將引流的高壓煤進行降壓后對發(fā)電機后側(cè)軸承進行潤滑冷卻，之后油液經(jīng)發(fā)電機殼體內(nèi)部油道流入大流量過濾器進行過濾后經(jīng)出口回收，同時也起到對發(fā)電機的冷卻。

圖2 特斯拉渦輪式煤油發(fā)電機剖面示意Fig.2 Cross-sectional View of Tesla Turbine Kerosene Generator

為減少內(nèi)部油液對發(fā)電機的影響并提高效率，在發(fā)電機兩側(cè)端蓋轉(zhuǎn)子軸承支撐部位內(nèi)側(cè)加裝機械密封，將外部煤油與發(fā)電機轉(zhuǎn)子定子圍成的容腔進行隔離。

圖3 為特斯拉渦輪轉(zhuǎn)子組件結(jié)構(gòu)示意。特斯拉渦輪的轉(zhuǎn)子組件通過多個轉(zhuǎn)子葉片疊放而成，相鄰轉(zhuǎn)子葉片間加裝調(diào)整墊片用于調(diào)整間距。為增強特斯拉渦輪轉(zhuǎn)子葉片的強度，在轉(zhuǎn)子葉片靠近邊緣處、沿圓周均勻設(shè)置軸向通孔，該軸向通孔中加裝連接銷釘。在軸與葉片組件、調(diào)整墊片和連接銷釘組合體安裝的圓周接觸面進行滾花處理，采用過盈壓裝的方式將葉片組件與軸肩貼合裝配，葉片組件另一側(cè)采用軸套與泵軸過盈壓裝進行定位。同時，在轉(zhuǎn)子葉片靠近根部位置徑向開有出油孔，將引流做功完的煤油從該處噴出，一側(cè)對發(fā)電機前側(cè)軸承潤滑冷卻（經(jīng)內(nèi)部流道流入過濾器），一側(cè)直接流入過濾器內(nèi)部。三路油液（包括對后側(cè)軸承潤滑冷卻油液）最終都匯入大流量過濾器內(nèi)，對其進行過濾后循環(huán)使用。表1 為發(fā)電機的基本參數(shù)。

圖3 特斯拉渦輪轉(zhuǎn)子組件結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure Diagram of Tesla Turbine Rotor Component

表1 發(fā)電機基本參數(shù)Tab.1 Basic Parameters of Electric Generator

2 特斯拉渦輪式煤油發(fā)電機仿真計算

2.1 特斯拉渦輪轉(zhuǎn)子受力計算

特斯拉渦輪轉(zhuǎn)子主要是運用流體的邊界層效應(yīng)而工作的，邊界層厚度δ與流體的運動粘度υ以及邊界層所在位置的坐標χ的平方根成正比和勢流速度v的平方根成反比。即流體越粘稠，勢流速度越小，邊界層越厚。

根據(jù)平板邊界層厚度計算公式：

式中v∞為勢流速度（m/s）；v為運動粘度（m2/s）；x為邊界層所在位置坐標（m）。

經(jīng)計算邊界層的厚度為

有研究學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[6]，對于一個有效的特斯拉渦輪，要對轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)外徑比K，及葉片數(shù)a進行控制，要求K=D/d＞0.5，經(jīng)驗證該取值滿足要求。轉(zhuǎn)子基本參數(shù)如表2 所示。

表2 轉(zhuǎn)子基本參數(shù)Tab.2 Basic Parameters of Rotor

2.2 流場仿真計算

對于特斯拉渦輪轉(zhuǎn)子流域仿真計算，國外研究學(xué)者做了相關(guān)的研究[7]，特斯拉的渦輪機采用有機液體通過內(nèi)部二維代碼開發(fā)的EES 環(huán)境和計算流體力學(xué)商業(yè)軟件的模擬運行，比較性能預(yù)測，以及評估的主要流動特征。采用Ansys Fluent 19.1 軟件并基于可壓縮雷諾平均納維-斯托克斯方程對實際氣體流經(jīng)特斯拉的轉(zhuǎn)子渦輪采用三維CFD 模擬，對R404a、R134a 和R245fa 3 種工質(zhì)進行分析，以確定相關(guān)因素性能參數(shù)。

對特斯拉渦輪轉(zhuǎn)子流場區(qū)域進行三維建模，運用ANSYS CFX 流場仿真軟件對其進行流場仿真計算，網(wǎng)格采用ICEM 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了減少流場仿真的計算量，轉(zhuǎn)子流場模型的葉片數(shù)為5，如圖4 所示。

圖4 三維轉(zhuǎn)子流域仿真模型Fig.4 Simulation Model of 3D Rotor Drainage Area

邊界條件設(shè)置：

a）進口設(shè)置壓力入口（矩形噴嘴處）：總壓32 MPa；

b）出口設(shè)置（圓柱噴嘴處）：自由出流；

c）葉片與流域接觸面：wall；

d）進出口與葉片間流域接觸面：interface。

經(jīng)過軟件計算及后處理，可以得到特斯拉渦輪轉(zhuǎn)子流場區(qū)域的流場速度矢量云圖，如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)子流域速度矢量云圖Fig.5 Velocity Vector Nephogram of Rotor Drainage Area

由圖5 可以看出，流體經(jīng)入口噴射進入葉片之間的間隙，在內(nèi)部做旋轉(zhuǎn)運動，最終匯集于軸中心處，由位于中心處的排油孔排出。最大速度位于噴嘴與葉片接觸處（射入葉片間隙速度），其值為224.9 m/s（噴射速度）。而此時葉片外緣實際旋轉(zhuǎn)切線速度經(jīng)計算為

式中ω為角速度（rad/s）；τ為扭矩（N·m）。

符合驅(qū)動其轉(zhuǎn)動的條件。

經(jīng)過計算得到轉(zhuǎn)子流場區(qū)域總壓云圖，見圖6。

圖6 轉(zhuǎn)子流域總壓云圖Fig.6 Total Pressure Nephogram of Rotor Drainage Area

由圖6 可以看出，入口處的總壓大約為32 MPa，出口處的總壓大約為5 MPa。同時結(jié)合圖5 計算得出入口流量為70 L/min。

經(jīng)計算得出：進出口壓差為27 MPa，流體做功功率為31.5 kW，經(jīng)仿真計算得出轉(zhuǎn)子的輸出扭矩τ=2.32 N·m。

則對應(yīng)的轉(zhuǎn)子輸出的功率為

從仿真結(jié)果看，轉(zhuǎn)子出油孔處油液的壓力為5 MPa，流速約為100 m/s，為具有一定的壓力和流量的流體，可以實現(xiàn)對發(fā)電機前后軸承潤滑冷卻及發(fā)電機本身的散熱。經(jīng)計算，得出特斯拉渦輪轉(zhuǎn)子由高壓煤油轉(zhuǎn)換而來的機械能的效率為53%左右。

后經(jīng)驗證，可以通過增加葉片數(shù)，實現(xiàn)功率輸出等級的增加。如果要實現(xiàn)輸出功率30 kW 的電能，另外考慮多方面的因素，則至少需要20 個葉片。

2.3 發(fā)電機仿真計算

利用Ansoft 軟件對發(fā)電機空載進行有限元分析，得出發(fā)電機空載直流電壓波形如圖7 所示。從圖可以看出，通過電路模型中電壓表（IVoltmeter84）測得直流側(cè)輸出電壓（NodeVoltage）均方根值（rms）的大小為355.67 V。

圖7 發(fā)電機空載直流電壓波形Fig.7 No-live Load DC Voltage Waveform of Generator

另外，同樣對發(fā)電機負載進行有限元分析，永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)速為70 000 r/min，三相輸出經(jīng)整流后接純電阻負載（R=2.5 Ω）時直流電壓波形如圖8 所示。

圖8 發(fā)電機帶載直流電壓波形示意Fig.8 Loading DC Voltage Waveform of Generator

從圖8 中可以看出，通過電路模型中電壓表（IVoltmeter84）測得直流側(cè)輸出電壓（NodeVoltage）均方根值為259.78 V；電流表（VAmmeter85）測得直流側(cè)輸出電流（Brach Current）的均方根值為103.91 A。

由空載和負載的仿真結(jié)果可知，由于發(fā)電機磁場受到電樞反應(yīng)的影響，其產(chǎn)生的三相感應(yīng)電動勢不是正弦的，存在各次諧波電動勢。故可將Uz與相電壓UP之間的關(guān)系等效為

式中δ為變換系數(shù)；2.34δ為整流因數(shù)。

經(jīng)仿真計算得出電機負載性能仿真結(jié)果見表3。

表3 仿真計算結(jié)果Tab.3 Simulation Results

由表3 中發(fā)電機在帶載條件下的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，滿足設(shè)計指標要求。

2.4 發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸系動力學(xué)分析

運用Matlab 軟件對發(fā)電機轉(zhuǎn)子組件（包括泵組件及發(fā)電機轉(zhuǎn)子）進行了臨界轉(zhuǎn)速計算，計算模型見圖9。

圖9 發(fā)電機轉(zhuǎn)子組件仿真模型Fig.9 Simulation Model of Generator Rotor Component

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中選擇角接觸軸承，經(jīng)計算：一階臨界轉(zhuǎn)速為 107 970 r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速為155 730 r/min，三階臨界轉(zhuǎn)速為461 330 r/min。

從整機結(jié)構(gòu)要求來看，一階轉(zhuǎn)速內(nèi)已完全滿足轉(zhuǎn)速設(shè)計要求。其中，軸結(jié)構(gòu)振型圖如圖10 所示。

圖10 一階轉(zhuǎn)速軸系結(jié)構(gòu)振型Fig.10 Shafting Mode of First-order Rotational Speed

從圖10 中可以看出，振型幅度較大的地方位于葉片轉(zhuǎn)子懸臂軸端一側(cè)，在軸承位置（軸向距離50 mm、190 mm 處）振型幅度為0。

另外，運用Ansys 仿真軟件中靜力學(xué)模塊，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子部分進行動力學(xué)分析[8]，對軸系兩處軸承安裝面設(shè)置為圓柱支撐，對整個軸系加載轉(zhuǎn)速70 000 r/min，其軸系形變云圖如圖11 所示。

從圖11 可以得出，軸系最大形變值為0.0042 mm，位于泵轉(zhuǎn)子葉片外緣處，證實發(fā)電機轉(zhuǎn)子組件能夠符合轉(zhuǎn)速要求。

圖11 發(fā)電機轉(zhuǎn)子組件形變云圖Fig.11 Deformation Nephogram of Generator Rotor Component

3 結(jié) 論

本文針對一種超高速特斯拉渦輪式煤油發(fā)電機的結(jié)構(gòu)及工作原理進行了論述，運用理論計算方法和仿真計算方法，得到了以下結(jié)論：

a）該超高速特斯拉渦輪式煤油發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，通過直接引流火箭發(fā)動機高壓高速煤油，可實現(xiàn)向電能的轉(zhuǎn)換和輸出，并能實現(xiàn)工作介質(zhì)循環(huán)利用和節(jié)能環(huán)保。

b）分別對特斯拉渦輪轉(zhuǎn)子流域流場進行仿真及發(fā)電機負載及空載有限元分析，得出特斯拉渦輪轉(zhuǎn)子流域壓力分布云圖及速度矢量云圖、輸出功率、扭矩等參數(shù)以及發(fā)電機對應(yīng)工況下的性能參數(shù)值、轉(zhuǎn)子組件臨界轉(zhuǎn)速及最大形變量，其結(jié)果符合設(shè)計要求。

該方案可以較好地利用火箭發(fā)動機所具有的先決條件，完成能量的轉(zhuǎn)換，并且為超高速煤油發(fā)電機的方案設(shè)計提供了一個思路。但相對于氣體作為工作介質(zhì)，其效率還不容樂觀，尤其是高速高壓煤油經(jīng)噴嘴進入到特斯拉渦輪轉(zhuǎn)子流域?qū)D(zhuǎn)子機械性能考驗及流體所呈現(xiàn)的復(fù)雜形態(tài)還有待進一步細化研究，并結(jié)合實物進行試驗驗證。

后續(xù)將對高壓高速煤油介質(zhì)在特斯拉渦輪轉(zhuǎn)子流域內(nèi)的流體特性進行深入研究分析，并對發(fā)電機結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化，使其最大可能地發(fā)揮實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速的優(yōu)勢，提高比功率。