汽車廢氣渦輪發電之渦輪機的匹配

張勇斌

（鄭州鐵路技師學院，河南 鄭州 450041）

汽車廢氣渦輪發電之渦輪機的匹配

張勇斌

（鄭州鐵路技師學院，河南 鄭州 450041）

本文系統的論述了汽車廢氣渦輪發電中渦輪機的匹配問題。其中對渦輪機的原理，特征曲線，分別作了介紹，對渦輪機的管徑和等效流通面積進行了計算并得出了結果。

渦輪機；管徑；等效流通面積；計算

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-110-04

前言

隨著社會經濟的發展，使得能源消耗量急劇增加，能源的供需矛盾日益突出。汽車保有量越來越多，汽車的能源消耗在總能源消耗中所占的比例越來越高，汽車節能問題成為全球性關注的問題，也是當今汽車工業發展的主題。汽車節能的方法很多，如改良燃料，燃料電池，利用廢熱制冷，取暖或驅動空調，渦輪增壓，混合動力等等。汽車廢氣渦輪發電是利用汽車排放的廢氣推動渦輪機渦輪轉動進而帶動發電機發電的新的節能方法，青島大學的張鐵柱教授為此設計了一種新裝置獲專利一項，日本的吉田佑也曾做此方面試驗，證明廢氣渦輪發電量足以提供汽車運行所需電能，但國內部分學者仍持懷疑態度。對于汽車廢氣渦輪發電中渦輪機的結構的確定是本文的主要內容。

1、徑流式渦輪機的原理

渦輪的功用是將排氣所擁有的能量盡可能多的轉化為渦輪旋轉的機械功。燃氣在渦輪機中的流動

徑流式渦輪機主要由進氣渦殼1，噴嘴環2，工作輪3以及出氣道系組成。有圖1所示。排氣從工作輪轉子的外緣由進氣渦輪流入，經過一系列工作路徑后從渦輪中心軸向流出。進氣渦殼的作用是引導內燃機的排氣均勻地進入渦輪。蝸殼可以有一個或兩個甚至更多的進氣口，由內燃機中的排出的氣體具有一定壓力，溫度與速度經進氣渦殼后直接流入噴嘴環中，噴嘴環是周向均勻安裝，帶有一定傾角的葉片組成的多個漸縮通道，類似壓氣機中的有葉擴壓器。只是氣流方向相反，氣流流過噴嘴環時部分壓力轉化成動能，氣體得到加速而壓力，溫度下降且具有很強的方向性便于均勻而有序的流入渦輪機的工作輪。

在渦輪工作輪中，氣體是向心流動的，工作輪上的葉片之間的通道也是呈漸縮狀。 氣體在通道中將繼續膨脹。當氣流流過工作輪葉片時，氣流轉彎。由于離心力作用結果，在葉面的凹面上壓力得到提高，而在凸面則降低。作用在葉片表面的壓力的合力產生了轉矩。此時，在工作輪的出口處壓力，溫度，速度下降，而出口處的氣體速度已經大大下降小于進口速度。說明燃氣在噴嘴中膨脹所獲得的動能已大部分傳給了工作輪。

總而言之，在排氣渦輪工作過成中，具有一定動能及壓力能的排氣在噴嘴環通道中僅部分 地得到加速而轉變為排氣的動能，而從噴嘴環中流出的具有一定動能及壓力能的排氣則在工作輪中大部分轉化為機械功最終用來驅動發電機。

2、渦輪機的特性曲線

將排氣能量轉換為機械功的有效程度便是渦輪的效率。根據是否包含余項損失部分，渦輪效率又分為有效效率和等熵效率兩項。前者為渦輪機的實際焓降與可用焓降之比，后者為扣除余項后的有效焓降與可用焓降之比。

有效效率的定義式為：

其中WT為渦輪機軸上的有用功，即有效焓降，HT是排氣所擁有的能量，即可用焓降。可以理解為排氣在渦輪機入口處具有的壓力能與動能的總和。

當可用焓降在渦輪機中絕熱膨脹至渦輪出口背壓時所做之功，就是實際上排氣可用能量轉換為機械功的最高限額。為此定義一個假象的理論速度CO，可以認為是排氣在入口處的滯止速度。計算式為：

則渦輪機的發出功率PT(KW)為：

其中PT為渦輪機功率，mT為排氣質量流量（Kg/s），轉速nT(r/min)，排氣參數計算的壓力比πT（排氣滯止壓力與排氣背壓之比），以上為渦輪機的主要工作參數。當渦輪機變工況運行時，上述參數的關系就是渦輪機的特性。如圖2：

3、徑流式渦輪機等效流通面積的計算

確定渦輪的等效流通面積是一件十分麻煩的事，因為它和渦輪的膨脹比，轉速以及各種截面收縮系數等因數有關。令葉片數為z，葉片高度為h，葉片通道的出口平均寬度為截面收縮系數為u，則噴嘴環的有效流通面積可用下式計算：

動輪的有效流通面積為：

ρsp----噴嘴環的出口處的氣體密度

ρ4----動輪出口處的氣體密度

C0---對應于渦輪級焓降的假想流速

ATeq----渦輪的等效流通面積

渦輪機和焓降是噴嘴環焓降加上動輪焓降的總和。對于徑流渦輪，一般噴嘴環焓降hN，動輪焓降hR和渦輪級焓降hadT可以按下列公式來計算：

當⑴式代入⑵式得：

則由上式則：

再整理后得出徑流渦輪的等效流通面積：

4、渦輪機管徑的確定思路

渦輪機的流量公式如下：

其中ATeq為串聯的渦輪噴嘴環和渦輪動輪的等效流通面積，其中已考慮了流通面積的收縮系數；α為脈沖流量系數，表征脈動氣流對流量的影響，在定壓渦輪系統中α=1；ψI以等效流通面積ATeq取代實際渦輪時的流量參數。其表達式為：

（其中3為渦輪前，4為渦輪后）

得出結論mT=0.1671kg/s，并代入p3=0.3MPa，T3=725.9k，α=1（取定壓渦輪）則得出：

5、渦輪機結構的初步確定

渦輪機的轉速問題是一個關鍵的問題，直接影響到發電機的匹配問題。渦輪機與發電機是同軸的，如果知道了渦輪機的轉速那么發電機的轉速也便知道了。在考慮這個問題時我們會發現對于渦輪機其他一些參數也會有新的認識。

廢氣的能量在渦輪機中經過兩次轉換。廢氣流經裝在汽缸上的噴管時，將勢能變成動能，即廢氣在噴管中膨脹，壓力降低使氣流速度增大，然后從噴管出來的高速廢氣沖到裝在葉輪上的工作葉片使葉片輪轉動，從而使廢氣的動能轉變成機械功。

為了方便研究問題，通常用i—s圖來直觀的看待渦輪機的工作情況。如圖4：

則廢氣的反動級膨脹過程可以在i—s圖上表示.

其中：H0-----級的理想焓降，KJ/kg）

HC-----噴管的理想焓降，KJ/kg）

Hτ -----工作葉片的理想焓降，KJ/kg）

工作葉片的焓降Hτ與噴管及工作葉片的理想焓降之和HC+Hτ的比值稱為級的反動度ρ即：

對于沖動級，Hτ=0因此沖動級的反動度為零。如果級的反動度ρ=0.005—0.15左右，則這種級仍稱為沖動級或稱帶有少量的反動度的沖動級。通常所稱為反動級是指反動度ρ=0.5的級。此時Hτ=HC。

以反動級渦輪為例，已經知道了渦輪的H0（前面叫等熵焓降）為：

最佳速度比的求法

對于具有z列工作的葉片速度級，輪緣功率等于：

具有z列工作葉片的速度級的輪緣效率為：

為了求出最大的ημ，則將ημ對x1求一階導數并令其為零。

則此時最大的輪緣效率為：

靜葉片的出口角和動葉片的出口角a1=β2=180--200，（φ叫做工作葉輪的速度系數，為廢氣流出工作葉片氣道的實際相對速度w2與理想相對速度w2t的比值）

根據空氣動力學有：

實際的噴管出口絕對速度C1為：

hc---噴管的有用焓降

在渦輪機的熱力計算中，廣泛采用速度系數來考慮實際流動的速度損失，即：

這樣噴管中的能量損失：

以求得了H0=72958J/kg，則接反動級則： HC

* =36479J/ kg 左右

φ一般在0。95左右我們取φ=0.95 則：

再根據最佳速度比來計算出μ的值：（以三級為例）

也可以根據速度三角型來計算（略）。

一般功率在10千瓦下的渦輪機的轉速大都在3000r/min左右，因為在設計渦輪機是就考慮到了轉速的問題，于是設計時就對其結構進行了一系列的調整，所以就按這個轉速來進行計算。這樣有公式：

這樣有μ=38.4m/s ，n=3000r/min,則：

即為渦輪機級的平均直徑。

6、結語

本文通過計算汽車廢氣渦輪發電裝置中渦輪機的等效流通面積和渦輪機級的平均直徑，初步的確定了渦輪機的結構，對于EQ6100型內燃機汽車廢氣渦輪發電中渦輪機尺寸和型號的確定建立了理論依據。

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Matching vehicle exhaust turbine power generation turbines

Zhang Yongbin
（Zhengzhou Railway Technician College, Henan Zhengzhou 450041）

This paper discusses the system matching vehicle exhaust turbine power generation turbines. In which the principles of the turbine, the characteristic curve, respectively, were introduced, and the equivalent diameter of the flow area of the turbine were calculated and the results obtained.

Turbines；Diameter；Equivalent circulation area；Calculate

U463.6

A

1671-7988(2015)01-110-04

張勇斌，就職于鄭州鐵路技師學院。