基于車用廢氣渦輪增壓器的微型燃?xì)鈩恿Πl(fā)電方案設(shè)計

摘 要：以目前廣泛使用的車用柴油機(jī)廢氣渦輪增壓器為研究對象，提出了基于車用渦輪增壓器的微型燃?xì)鈩恿Πl(fā)電方案。通過燃?xì)鈩恿Πl(fā)電工作過程熱力計算，驗證了燃?xì)鈩恿Πl(fā)電方案的可行性，在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，為樣機(jī)的研制提供了參考。

關(guān)鍵詞：動力機(jī)械工程 渦輪增壓器 微型燃?xì)廨啓C(jī) 燃?xì)獍l(fā)電

中圖分類號：TK421.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（b）-0118-01

隨著世界能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益加劇，人們對動力設(shè)備的技術(shù)革新已開始從追求單一設(shè)備的高效率和低能耗向注重能源梯級、高效綜合利用及環(huán)境保護(hù)等方向轉(zhuǎn)變[1]。微型燃?xì)廨啓C(jī)是新近發(fā)展起來的一類小型熱力發(fā)動機(jī)，與其它往復(fù)式小型發(fā)電裝置相比，微型燃?xì)廨啓C(jī)是一種更好的環(huán)保型發(fā)電裝置。微型燃?xì)廨啓C(jī)尺寸小、重量輕，工作時振動小，運(yùn)行平穩(wěn)，安裝方便。輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無需用水冷卻，因此運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用大大低于柴油機(jī)[2]。由于運(yùn)動部件和摩擦部件少，燃?xì)獬鯗剌^低，故機(jī)組工作壽命長。

車用廢氣渦輪增壓器利用了發(fā)動機(jī)廢氣中的能量，提高了發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，被人們廣泛地應(yīng)用。目前車用廢氣渦輪增壓器組件已經(jīng)能夠大批量生產(chǎn)，相關(guān)組件的成本低廉。其轉(zhuǎn)子部分結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)與微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置十分相似，因此利用車用廢氣渦輪增壓器組件實(shí)現(xiàn)燃?xì)鈩恿Πl(fā)電過程，可以改善目前往復(fù)式發(fā)電裝置存在的不足，具有很好的應(yīng)用前景。

本文根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的工作原理，以目前廣泛使用的車用廢氣渦輪增壓器為研究對象，建立了系統(tǒng)工作過程的熱力學(xué)模型，基于MATLAB程序討論了燃?xì)鈩恿Πl(fā)電的可行性，并對系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行了選型研究。

1 微型燃?xì)鈩恿Πl(fā)電系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)由車用渦輪廢氣渦輪增壓器、燃燒室、高速電機(jī)、電控單元和儲能單元組成。工作時，由電控單元輸出相應(yīng)信號控制儲能單元釋放能量驅(qū)動電動機(jī)工作，帶動壓氣機(jī)和渦輪旋轉(zhuǎn)，向燃燒室提供空氣。由燃燒室噴油器噴入的燃料與空氣混合，高溫燃?xì)怛?qū)動渦輪轉(zhuǎn)動，帶動壓氣機(jī)和發(fā)電機(jī)做功，由機(jī)械能轉(zhuǎn)化的電能儲存在儲能單元中，最后供負(fù)載使用。

1.2 系統(tǒng)主要部件選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 車用廢氣渦輪增壓器的選型

系統(tǒng)在進(jìn)行發(fā)電時，渦輪增壓器組件在高轉(zhuǎn)速、高壓比的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)速的提高，壓氣機(jī)葉輪受到很高的離心力作用，減小葉輪直徑可以改善葉輪的受力情況。隨著葉輪直徑的減小，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(jī)葉輪葉型[3～4]。目前在車用渦輪增壓器中大量使用效率最高的帶有后彎葉片的壓氣機(jī)。

渦輪做功要同時帶動自身葉輪、壓氣機(jī)葉輪和發(fā)電/電動機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)，因此要選擇具有足夠大做功能力的渦輪。徑流式渦輪為車用渦輪增壓器廣泛采用。

1.2.2 轉(zhuǎn)子軸承

軸承是構(gòu)成系統(tǒng)的重要部件之一，也是整機(jī)結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)[4]。車用渦輪增壓器一般在轉(zhuǎn)速為50000～150000 r/min的條件下工作。目前，車用渦輪增壓器普遍采用的滑動軸工作可靠，壽命可以滿足發(fā)電系統(tǒng)長時間運(yùn)行的需要。

1.2.3 電動/發(fā)電機(jī)

目前用于微型燃?xì)廨啓C(jī)的高速電動/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子表面線速度不能超過200～250 m/s。從功率密度和效率角度來看，永磁電機(jī)的功率密度可達(dá)8.9 kW/kg[5]，因此在微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組中可選用永磁高速同步電機(jī)。

1.2.4 微型單管燃燒室

燃燒室是燃?xì)鈩恿Πl(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的重要組成部分，其形式的選擇在很大程度上取決于發(fā)動機(jī)的用途以及可被利用的空間。單管燃燒室具有結(jié)構(gòu)簡單，制造費(fèi)用較低和可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可作為燃?xì)鈩恿Πl(fā)電系統(tǒng)燃燒室的設(shè)計方案。單管燃燒室主要由內(nèi)筒、外筒、旋流器和點(diǎn)火器組成。燃燒室氣體流路設(shè)計有順流與逆流兩種選擇方案。考慮到車用廢氣渦輪增壓器的實(shí)際結(jié)構(gòu)，選擇流動損失較小的順流方案。

2 微型燃?xì)鈩恿Πl(fā)電系統(tǒng)熱力過程計算

2.1 熱力循環(huán)計算模型

為評估系統(tǒng)的可行性，根據(jù)能量守恒定理，對微型燃?xì)鈩恿Πl(fā)電系統(tǒng)設(shè)計工況點(diǎn)的熱力參數(shù)進(jìn)行計算，判斷其主要運(yùn)行參數(shù)是否與車用廢氣渦輪增壓器性能參數(shù)相匹配。即依據(jù)系統(tǒng)工作過程和給定的各個部件的效率，計算系統(tǒng)各截面的熱力參數(shù)和性能參數(shù)，依據(jù)燃?xì)鈩恿Πl(fā)電系統(tǒng)的功率確定空氣流量，或者根據(jù)給定的空氣流量計算系統(tǒng)的凈功率[6]。

在進(jìn)行系統(tǒng)的可行性分析時，本文作了如下假設(shè)：（1）忽略系統(tǒng)各部件的氣體泄漏量。（2）壓氣機(jī)和渦輪分別視為絕熱多變壓縮過程和絕熱多變膨脹過程。（3）燃燒過程為等壓吸熱過程。

2.2 計算結(jié)果及分析

根據(jù)以上計算模型，利用MATLAB語言編制了相應(yīng)的熱力循環(huán)計算程序。根據(jù)目前微型燃?xì)廨啓C(jī)的性能參數(shù)，計算了在系統(tǒng)在海平面狀況下，渦輪進(jìn)口溫度為973 K時系統(tǒng)的性能參數(shù)。計算得到的額定工況點(diǎn)性能如表1所示。

從以上計算結(jié)果可得，微型燃?xì)鈩恿Πl(fā)電方案在設(shè)計點(diǎn)的性能與使用的廢氣渦輪增壓器的性能參數(shù)具有很好的匹配特性。當(dāng)燃?xì)鈩恿Πl(fā)電系統(tǒng)的空氣流量為0.229 kg/s時，系統(tǒng)可以發(fā)出20 kW的凈功率。該空氣流量數(shù)值在增壓器的常用空氣流量范圍之內(nèi)，說明不需要對渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子部分進(jìn)行較大改動，便可使系統(tǒng)額定點(diǎn)性能參數(shù)均在渦輪增壓器工作的范圍之內(nèi)。只要選取合適的壓比和渦輪進(jìn)口溫度，可以使微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出相應(yīng)的功率，從而保證整個系統(tǒng)的正常工作。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于車用廢氣渦輪增壓器的燃?xì)鈩恿Πl(fā)電裝置，通過編寫其工作過程的熱力學(xué)程序，對其設(shè)計點(diǎn)性能進(jìn)行了計算和討論，根據(jù)目前車用渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)和實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，對系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行了選型和設(shè)計，結(jié)果表明了系統(tǒng)的可行性。本文的研究工作可為系統(tǒng)樣機(jī)的設(shè)計和深入研究提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]徐建中.分布式供電和冷熱電聯(lián)產(chǎn)的前景[J].節(jié)能與環(huán)保，2002，3.

[2]趙士杭.新概念的微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展[J].燃?xì)廨啓C(jī)，2001，14（2）：10-11.

[3]王延生，黃佑生.車用發(fā)動機(jī)廢氣渦輪增壓[M].北京：國防工業(yè)出版社，1984：56-58.

[4]朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992：63-64，122-124.

[5]王鳳翔.高速機(jī)的設(shè)計特點(diǎn)及相關(guān)技術(shù)研究[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，28（3）：951-957.

[6]朱行健，王雪瑜.燃?xì)廨啓C(jī)工作原理及性能[M].北京：科學(xué)出版社，1992：8-73.