軸流式動力渦輪絕熱效率特性的測試方法研究

霍學敏，姚素娟，王振彪，閻瑞乾，辛鴻，梁玉明

(中國北方發動機研究所(天津)，天津 300400)

動力渦輪復合增壓系統是指在渦輪增壓柴油機的渦輪出口加裝一個動力渦輪，使其進一步回收排氣能量，從而能夠進一步提高整機的能量利用率，降低燃油消耗量[1-2]。動力渦輪回收的功率可以通過功率耦合機構匯集到柴油機曲軸對外輸出，能使柴油機整機的功率提高3%～5%；也可以通過高速發電機使其轉化為電能儲存，以供車載電氣設備使用。對于運行工況相對平穩的柴油機(如長途重載貨車、長途客車等)而言，動力渦輪復合增壓系統是極具吸引力的增壓技術之一[3]。

某型柴油機動力渦輪復合增壓系統采用軸流式動力渦輪，以期利用軸流渦輪在U/C值較低時實現較高的渦輪效率，從而滿足動力渦輪低膨脹比、低轉速的設計要求。動力渦輪部件的性能指標，直接影響復合增壓系統的匹配，故而需要針對動力渦輪的部件指標如膨脹比、輸出功率、絕熱效率等進行試驗測定，為系統整體匹配提供依據。本研究通過試驗方法對該型軸流式動力渦輪絕熱效率進行了測定。

1 軸流式動力渦輪

圖1示出某型柴油機動力渦輪復合增壓系統采用的軸流式動力渦輪結構，擬安裝在原增壓器渦輪下游，實現對排氣能量的進一步回收利用。該型動力渦輪的設計參數見表1。

圖1 某柴油機用軸流式動力渦輪結構

動力渦輪型式軸流式設計點流量/kg·s-10.6設計點進口壓力/kPa150～180(絕對壓力)設計點出口壓力/kPa0(絕對壓力)設計轉速/r·min-150 000輸出功率/kW約50

圖2示出根據設計指標設計和完成試制的動力渦輪轉子、靜子等關鍵零部件。該型軸流式動力渦輪的結構特點如下：

1) 進氣導流錐：由耐熱鋼06Cr19Ni10制成，位于動力渦輪靜子盤前端，用于將管路內的燃氣來流整流為環狀進氣，并按照水平方向進入靜子盤。

2) 轉靜子結構：動力渦輪由靜子盤和轉子盤構成，其中靜子盤用于改變燃氣來流的氣流角度，使其按照設計速度和角度進入轉子盤葉片，轉子盤為轉動部件，用于將燃氣來流的焓降轉化為葉輪機械能；轉子盤、靜子盤由K418高溫合金精密鑄造而成；渦輪轉軸材料為42CrMo，與渦輪轉子盤通過摩擦焊完成連接。

3) 排氣殼體：位于動力渦輪轉子盤后端，用于收集膨脹做功之后的燃氣并將其向大氣排出。考慮到動力渦輪轉速以及進口氣流的流量變化，動力渦輪轉子出口的氣流方向也會發生變化。因此，動力渦輪排氣殼體采用無旋向設計，即排氣殼體內部通道截面積沿圓周方向大小不變，以適用于動力渦輪不同工況下的低背壓排氣要求。

4) 軸承結構：該型動力渦輪軸承結構充分借鑒了傳統渦輪增壓器的軸承結構，采用雙浮動軸承和動壓滑動止推軸承分別滿足轉子支撐和軸向止推；采用密封環式+甩油盤結構，滿足高速旋轉工況下的油氣雙向密封。

5) 功率輸出結構：該型動力渦輪功率輸出結構為斜齒輪結構，擬將動力渦輪轉子的輸出功率傳遞至功率耦合機構，并實現與柴油機曲軸的連接。輸出斜齒輪通過軸端螺母壓緊與動力渦輪轉軸以及其他旋轉件形成一體化轉子結構。

圖2 試制完成的動力渦輪轉子、靜子

圖3示出試制完成的帶輸出齒輪結構的動力渦輪樣機。

圖3 帶輸出齒輪動力渦輪樣機

2 測試方案及試驗樣機

2.1 試驗方案

為測得動力渦輪在不同轉速下的絕熱效率，需要在試驗過程中控制并測算以下參數[4]：

1) 動力渦輪轉速，需要能夠調節動力渦輪負載，在不同進氣條件下實現某個轉速的控制；

2) 動力渦輪進氣狀態參數(總溫總壓)，以及排氣狀態參數(靜壓)，用于計算動力渦輪的膨脹比以及絕熱焓降；

3) 動力渦輪吸收功，可通過高速測功機直接測定動力渦輪的輸出軸功，稱之為“直測法”；也可以通過渦輪進排氣狀態的溫度降來測算動力渦輪的吸收功，稱之為“溫降法”。

對于以上參數而言，動力渦輪進排氣狀態參數為常規測試參數，關鍵的是如何控制動力渦輪轉速，同時測算動力渦輪的吸收功。試驗過程中，動力渦輪需要連接能夠吸收其輸出功率的負載元件，同時需要通過調節負載來改變或保持動力渦輪的實際轉速[5]。

對于“直測法”而言，可以通過調節高速測功機負載來控制渦輪轉速，同時通過高速測功機的轉速和扭矩直接測定渦輪輸出軸功。問題在于，一方面直測法測得的輸出軸功包含了動力渦輪的軸系損失，因此無法直接得到準確的渦輪自身絕熱效率，另一方面測試轉速高于50 000 r/min的高速測功機極其精密而且昂貴，同時對試驗條件的要求極為苛刻。

對于“溫降法”而言，測試難度在于如何準確測量動力渦輪排氣狀態下的燃氣溫度和壓力。由于渦輪排氣氣流存在一定的不規則旋流，因此很難準確測量排氣的狀態參數，而排氣狀態下的溫度、壓力測量值直接影響動力渦輪絕熱效率的計算結果。

在綜合考慮現有試驗條件的基礎上，最終采用“溫降法”進行動力渦輪絕熱效率測量，同時采用負載壓氣機作為耗功部件，通過調整負載壓氣機的流量來改變動力渦輪的實際運行轉速[6]。

2.2 試驗樣機

采用負載壓氣機作為動力渦輪的耗功元件，并在負載壓氣機出口處加裝背壓調節閥，以實現對負載的調節，并專門設計了帶負載壓氣機的動力渦輪試驗樣機[7]。

結合動力渦輪的設計轉速和最大輸出功率等參數，匹配適用的負載壓氣機Map圖(見圖4)。負載壓氣機既能滿足動力渦輪50 000 r/min的轉速要求，也能滿足動力渦輪最大輸出功率50 kW左右的耗功要求。

圖4 負載壓氣機Map圖

改變軸流式動力渦輪原先的斜齒輪功率輸出結構，使之與負載壓氣機實現集成。集成負載壓氣機的軸流式動力渦輪實物見圖5。

圖5 帶負載壓氣機的軸流式動力渦輪

3 試驗方法

動力渦輪絕熱效率是指動力渦輪相對其進出口氣流狀態的總靜效率，計算公式為[8-9]

式中：下標1，2分別表示動力渦輪進出口的氣流狀態；πT為動力渦輪的膨脹比。

動力渦輪絕熱效率的測試采用溫降法，從絕熱效率的公式定義可知，動力渦輪絕熱效率的測定主要在于盡量保證在絕熱狀態下測定渦輪進出口的溫度和壓力[10]。

該動力渦輪設計點的進口溫度為550 ℃左右，實際試驗過程中高溫氣體通過管路對周邊環境的散熱會導致一定的散熱溫降，進而使整個渦輪進出口的溫差增大，從而使測試得到的絕熱效率出現較大偏差。

基于盡量減少管路散熱的考慮，同時利用旋轉機械相似性原理，動力渦輪絕熱效率的測試采用低溫驅動法，即試驗工況點與設計工況點保持相似轉速一致。

低溫驅動法是指使用不高于80 ℃的壓縮空氣驅動動力渦輪，壓縮空氣由電加熱器進行加熱并進行溫度調節。在保證測試工況點相似參數一致的情況下，盡量使渦輪入口溫度接近于負載壓氣機的出口溫度，這樣可以進一步使被測動力渦輪處于熱平衡狀態，減少傳熱帶來的測試誤差。同時，試驗過程中應該保證被測動力渦輪與負載壓氣機的軸向承載能力，防止某些工況下軸向力過大造成被測動力渦輪損壞。

為了保證被測動力渦輪的絕熱狀態，一般還應該對整個被測動力渦輪和相關管路進行隔熱處理[11]。

相似轉速計算公式：

由此計算得到，動力渦輪設計工況轉速(50 000 r/min)的相似轉速為1 743 r/(min·K0.5)；試驗過程中的實際控制轉速通過試驗工況下動力渦輪進口的氣體總溫反算得到[12-13]。例如：如果動力渦輪進口氣流總溫為50 ℃，則對應設計轉速(50 000 r/min)的試驗控制轉速為31 325 r/min；其他工況依此類比。

4 試驗臺架

按照軸流式動力渦輪的氣流方向特點搭建動力渦輪絕熱效率試驗臺架，試驗臺架構成見圖6。渦前調節閥用于調整動力渦輪流量，電加熱器用于調整進入動力渦輪的壓縮空氣溫度；動力渦輪出口為穩壓筒，用于測量動力渦輪出口溫度和壓力；負載壓氣機后背壓閥用于調整負載壓氣機流量從而改變其耗功，最終調整動力渦輪的運行轉速[14]。

圖6 動力渦輪絕熱效率測試臺架

1) 電加熱調溫

利用溫降法進行動力渦輪絕熱效率測定需要盡量保證動力渦輪的絕熱；除了采用冷吹方式減少高溫管路散熱之外，還需要盡量減小動力渦輪和負載壓氣機及軸承體之間的熱傳導。

本研究中渦輪進口氣體采用電加熱調溫，在每個試驗工況點使渦輪進口的氣流溫度盡量接近于負載壓氣機出口的氣流溫度，盡可能減小動力渦輪與負載壓氣機之間的溫差[15]。試驗過程中，每個試驗工況點均要求系統達到熱平衡(即各部分溫度測試值保持穩定)狀態。

2) 出口穩壓處理

動力渦輪出口氣流存在軸向速度分量，并且葉根和葉尖的出口速度不一致，這都會導致動力渦輪出口流場存在旋流，從而無法準確測量動力渦輪出口處的溫度。

本研究采用了動力渦輪出口穩壓裝置，使動力渦輪出口氣流在偏心穩壓筒內充分穩流之后，在指定位置對出口溫度進行測量[16]。

3) 整體管路包裹

為進一步減小管路對周邊環境的散熱導致動力渦輪進出口的溫度差測量出現較大誤差，對動力渦輪的進出口管路均進行絕熱包裹。

5 臺架試驗結果

以被測軸流式動力渦輪的設計工況為參照，按照相似原理，分別測定了對應實際轉速50 000 r/min和45 000 r/min兩條轉速線(進口溫度均為550 ℃)的絕熱效率分布(見圖7)。

圖7 動力渦輪絕熱效率

由試驗結果可以看出：利用溫降法對軸流式動力渦輪的絕熱效率進行測定，得到了對應動力渦輪設計轉速50 000 r/min和45 000 r/min工況下的絕熱效率變化規律，試驗結果符合軸流式渦輪的絕熱效率變化規律。

試驗結果表明：被測軸流式動力渦輪在550 ℃，50 000 r/min和45 000 r/min的工況下，其絕熱效率居于67%～72%之間，45 000 r/min工況下的絕熱效率要稍高于50 000 r/min工況。

6 結束語

利用溫降法對軸流式動力渦輪絕熱效率進行了測定，并得到可信的試驗結果。在試驗過程中，按照相似原理進行相似轉速折算，并綜合采用電加熱調溫、出口穩壓、管路包裹等技術措施，能夠使試驗工況更接近于理想絕熱狀態，同時能夠提高試驗結果的測試精度。