特種車輛燃氣輪機技術與熱力學特性研究

張更云+白創軍+劉鋒+邢俊文

摘 要：本文針對我國高機動性運載車輛燃氣輪機的缺乏，介紹了國外研究的概況和發展趨勢，以設計的特種車輛燃氣輪機為對象，闡述車輛燃氣輪機的主要結構與技術，以粒子分離器、可調導葉渦輪等特有部件為例進行熱力學特性計算與分析，為特種車輛燃氣輪機系統的研究與開發提供了可行的途徑。

關鍵詞：燃氣輪機；可調導葉渦輪；熱力學

中圖分類號：TK47 文獻標識碼：A

Abstract：Point out the situation of the lack of gas turbine engine for the transport vehicle of high mobility， the general aspect and the trend of the development of the investigation of the gas turbine engine in our country and in abroad is introduced. Taking the gas turbine engine for the special vehicle as the object， the main structure technic of gas turbine engine for the special-purpose vehicle is described， and taking the special parts of the particle separator and adjustable-vane turbine as examples， the analysis and calculation for the parts and overall thermodynamic characteristic is taken. Thus， the feasible way is given for the investigation and development of the gas turbine engine system for the special-purpose vehicle.

Keywords：gas turbine engine；adjustable-vane turbine； thermodynamics

重型高機動運載車輛要求動力系統發動機具有足夠的功率與高的功重比、良好的低溫起動性、全地域全天候適應性能、多種燃料適應性能、低油料消耗和使用維護簡便等，隨著高能束武器系統、先進防護系統、智能靈活操控系統的應用，傳統的往復活塞式柴油機在功率、振動、起動、多燃料等方面存在的不足越來越突出。美國和俄羅斯已將燃氣輪機成熟應用到坦克上，并在未來坦克動力發展上占駐了制高點。我國對坦克燃氣輪機的研究還處于自發階段，對此，我們設計和完成了特種車輛燃氣輪機的結構與工藝設計、總體熱力學特性研究，以期實現我國特種車輛動力系統的新突破。

1.國內外研究的概況和發展趨勢

國外方面，發達的燃機研制國家對燃機的應用有全面的規劃，產品系列化、貨柜化。美國、俄羅斯等將航空燃機技術應用于裝甲車輛動力等特種車輛及地面能源系統等領域，燃料從航煤發展到柴油、天然氣和煤層氣等；結構設計從單維度、單結構可調發展到多維度、多結構可調；性能設計從單參數、穩態發展到多參數、瞬態可調；燃機總體熱力計算也隨之發展為多參數、多維度、瞬態、全流程、全系統的高精度計算。總體熱力計算在商業軟件的基礎上根據燃機的分類進行了專業化開發，并經多輪的試驗數據校準。總體熱力計算在燃機全仿真結構下實現了全流程、多狀態的平衡研究，壓氣機和渦輪采用主動控制精準計算次流、動態渦、激波、級柵間、附面層等影響，協調壓力、溫度、速度等參數沿葉型通道型面在外界環境多變下的綜合匹配；燃燒室采用多相流、變比熱的熱傳導、熱輻射等全真仿真計算，考慮燃燒損失、氣流交換損失；在燃機熱力學特性研究中，既實現壓氣機葉片可調，也實現渦輪導向葉片可調的熱力協調，同時考慮因熱脹冷縮引起的結構改變的影響。

國內方面，燃機總體熱力學特性分析基于經驗法或國內外經驗參數法進行單點穩態工況精確計算在總體參數調和下的各部件特性，在次流、動態渦等分析研究上很難做到精準，由于經驗的不足造成總體和部件特性匹配存在偏差，不考慮熱脹冷縮引起結構改變的瞬態影響。白創軍等對渦輪損失計算采用基于經驗的方法，提出不同損失模型的預測結果有一定的差異。白創軍等針對氣膜孔角度對渦輪氣動性能影響的數值研究，詳細分析了在設計冷卻流量條件下，不同徑向射流角的變化對葉片表面氣動參數和冷卻效率的影響，以及分析了冷氣摻混機理。葛滿初，齊宗敏，盤應曦，陳東，侯建飛等針對渦輪葉片的數值模擬、流線分析、葉柵氣動損失等，都是基于一定的模型和工程經驗方法，假定了前提條件和特定要素。單就燃機的渦輪特性研究而言，國內權威文獻幾乎都是在既定條件下簡化外部影響模化進行的，部分根據部件試驗器試驗結果進行了經驗數據的修正，與其他部件或總體熱力協調很少，而且大多是就特定結構影響或單設計狀態進行了研究。

2.特種車輛燃氣輪機設計

針對特種車輛動力的需求，開展特種車輛燃氣輪機（下文簡稱X燃機）研制工作。X燃機是三轉子兩側輸出的渦軸發動機。

2.1工作原理

X燃機采用簡單循環（圖1）。工作時，空氣由進氣機匣流入壓氣機，先經低壓離心壓氣機，隨著葉輪高速旋轉，空氣壓力和速度增加，接著空氣進入低壓擴壓器，在擴散形槽道內減速增壓，而后經回流器，進入高壓離心壓氣機進一步增壓，再進入燃燒室，在燃燒室內與噴入的燃油混合燃燒，形成高溫高壓燃氣，燃氣首先進入高壓渦輪膨脹做功，帶動高壓壓氣機工作，再進入低壓渦輪膨脹做功，帶動低壓壓氣機工作，而后燃氣進入單級動力渦輪膨脹做功，動力渦輪的功率經減速箱傳動后由兩側輸出軸輸出，燃氣由尾噴管排出。endprint

2.2 X燃機主要性能參數

輸出凈功率：600 kW～900kW；

增壓比：10.5；

空氣流量：4.3kg/s；

滑油消耗率：0.3L/h；

輸出轉速：3154r/min（雙側輸出）；

凈功率耗油率：310g/（kW·h）；

海拔能力：4500m；

環境溫度范圍：-45℃～+55℃；

燃料：柴油、煤油、汽油；

起動特性：≤40s（在規定的環境溫度范圍內不需要預熱）；

組合重量：1450kg（不帶粒子分離器1050kg）。

2.3 X燃機結構設計特征

X燃機由帶滑油散熱器的粒子分離器、帶自清潔功能的封閉式離心葉輪的雙軸雙級壓氣機、兩型兩組分級混燃的環形回流燃燒室、帶空冷導葉及自清潔工作葉片的高壓渦輪、傳動主要附件的低壓渦輪、帶大角度無級可調導葉的動力渦輪、異形尾噴管、兩側輸出的減速器及附件傳動裝置等構成。集成進氣除塵裝置、滑油和機動平臺的液壓油散熱器、減速轉向機構、冷卻系統、高壓氣源系統等。

（1）粒子分離器

地面燃機吸入的空氣中存在較多雜質，雜質影響性能并降低燃機使用壽命。粒子分離器（圖2）安裝在壓氣機進口前，主要由粒子分離器體、分離器殼體和滑油散熱器組成。

粒子分離器體與滑油散熱器左右各一個。粒子分離器與主流氣路有關的部件主要有兩個，分別為28個粒子分離管道和兩個集氣室。粒子分離器為對稱結構，出口與壓氣機對接。各粒子分離管相同，每個分離管中包含一個渦輪的一個百葉窗管道。氣流進入渦輪后開始旋轉，旋轉的氣流逐漸由百葉窗外側向內側流動，由于離心力的作用雜質顆粒則留在了百葉窗的外側。氣流在集氣室中匯聚，并通過圓截面管道進入壓氣機。

滑油散熱器用空氣散熱，通過安裝在前傳動兩側的鼓風機吸氣，利用吸進的空氣對滑油進行冷卻，百葉窗控制流量，保證滑油供油溫度在一定范圍內。

（2）離心壓氣機

X燃機壓氣機設計為雙軸雙級封閉式離心壓氣機，軸向尺寸小，空氣流量大，設計流量為4.3kg/s，額定工況增壓比達到10.5。離心葉輪采用整體閉式葉輪。低壓、高壓壓氣機都使用了除塵裝置，用以清除葉輪內的沉積物，如圖3所示。

（3）燃燒室

燃燒室位于高壓壓氣機與高壓渦輪之間，使從高壓壓氣機過來的高壓空氣與燃油混合燃燒，形成高溫、高壓的燃氣。主要由火焰筒、燃燒室機匣、彎管外壁轉接段、9個離心噴嘴和9個氣助霧化噴嘴等組成，如圖3所示。

（4）燃氣渦輪

X燃機燃氣渦輪由高壓渦輪和低壓渦輪組成，均為軸流式渦輪，如圖4所示。高壓渦輪由53片高壓渦輪工作葉片、高壓渦輪盤、高壓渦輪軸和高壓渦輪導向器等組成。高壓渦輪工作葉片為不帶葉冠的長柄樅樹型，由葉身和榫頭組成。葉片與輪盤的連接方式采用樅樹型榫頭。高壓渦輪盤與軸是一體的。低壓渦輪由63片低壓渦輪工作葉片、低壓渦輪盤、低壓渦輪軸及低壓渦輪導向器等組成。低壓渦輪葉片為帶葉冠的長柄樅樹型。

（5）動力渦輪及尾噴管

動力渦輪轉子由與軸制成一體的輪盤和68個葉片組成（圖5），動力渦輪盤和軸是一體的，葉片為帶葉冠的長柄樅樹型。動力渦輪導向器葉片為26片可調式葉片，其角度由導葉調節器控制，兩端帶有圓柱軸頸，分別安裝在機匣內環和外環上。葉片的軸頸上壓裝有套筒，起到滑動軸承的作用，每個葉片就可控制轉動。尾噴管將燃氣導出，其上裝有一個測量動力渦輪后燃氣溫度的熱電偶，機匣下部設有3個漏油管，將沉積在底部的余油排出，如圖6所示。

（6）減速器與附件傳動裝置

減速器用于降低動力渦輪輸出轉速，分三級減速，總傳動比為8.45，如圖7所示。附件傳動裝置由燃氣發生器的高、低壓轉子驅動，分為中央傳動、上傳動、下傳動和前傳動。中央傳動是高、低轉子向上、下傳動傳輸功率的中介；上傳動由高壓轉子驅動，帶動起動電機、燃油泵和計量裝置、主滑油泵、轉速傳感器和油霧分離器；下傳動帶動前傳動、增壓泵、空氣壓縮機、起動發動機、柱塞泵和轉速傳感器；前傳動由下傳動驅動，帶動前傳動的離心葉輪。

3.特種車輛燃機部件特性分析

粒子分離器是特種車輛燃機的特殊部件，以X燃機粒子分離器為例，介紹部件特性分析研究途徑。

3.1粒子分離器CFD建模（圖8）

由于28個粒子分離管道是相同的，并且每個粒子分離管道內的結構相對比較復雜，完全模擬比較困難。CFD策略是將粒子分離器分成兩個CFD模型，分別為粒子分離管道和集氣室。首先CFD計算得到粒子分離管道的總壓恢復系數，并獲得粒子分離管道出口的總壓。將粒子分離管道出口的總壓設定為集氣室進口的總壓并進行CFD計算，得到集氣室的總壓恢復系數。

3.2粒子分離器特性分析

渦輪總壓恢復系數為0.999，壓力損失非常小。百葉窗管道的總壓恢復系數為0.994，壓力損失也比較小。集氣室的總壓恢復系數為0.967，壓力損失比較大，這主要是因集氣室內的結構比較復雜，空氣流動也比較復雜，因此壓力損失比較大。整合3個部件的總壓恢復系數，得到粒子分離器的總壓恢復系數為0.96，粒子分離器的總壓損失將對整機性能產生一定影響。考慮到建模差別和CFD誤差，確定粒子分離器的實際總壓恢復系數為0.95。

3.3粒子分離器流場分析

粒子分離器分成了兩個獨立計算域進行CFD計算，渦輪和百葉窗管道分成一個計算域，集氣箱劃分成一個計算域。圖9為渦輪不同葉高截面馬赫數分布圖，由于葉型比較簡單，因此3個葉高截面的流動都不是特別理想，尤其是葉高80%截面葉背發生了較大的分離。圖10為渦輪出口截面總壓分布圖，圖中顯示靠近葉背的區域發生了較大的分離，主要原因是葉型比較簡單和葉尖稠度太小。圖11為集氣箱內部流線圖，氣流經由粒子分離器管道進入集氣室，由于集氣室壁面不規則，存在很多直角結構，使得集氣室內的流動比較混亂，在一些區域出現了較大的渦。

結論

通過對X燃機粒子分離器及其他部件氣動特性研究，得到以下結論：粒子分離器總壓恢復系數為0.95；低壓和高壓壓氣機最高效率超過0.80，兩個徑向擴壓器分離較嚴重；燃燒室總壓恢復系數為0.96，設計狀態點附近燃燒效率達到了0.99，燃燒室性能較高；高壓渦輪最高效率0.87，低壓渦輪最高效率達到了0.925，動力渦輪最高效率達到了0.91。

參考文獻

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