基于車用廢氣渦輪增壓器的微型燃氣動力發電方案設計

摘 要：以目前廣泛使用的車用柴油機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氣動力發電方案。通過燃氣動力發電工作過程熱力計算，驗證了燃氣動力發電方案的可行性，在此基礎上對系統進行了結構設計，為樣機的研制提供了參考。

關鍵詞：動力機械工程 渦輪增壓器 微型燃氣輪機 燃氣發電

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

隨著世界能源危機和環境污染的日益加劇，人們對動力設備的技術革新已開始從追求單一設備的高效率和低能耗向注重能源梯級、高效綜合利用及環境保護等方向轉變[1]。微型燃氣輪機是新近發展起來的一類小型熱力發動機，與其它往復式小型發電裝置相比，微型燃氣輪機是一種更好的環保型發電裝置。微型燃氣輪機尺寸小、重量輕，工作時振動小，運行平穩，安裝方便。輔助系統結構簡單，無需用水冷卻，因此運行維護費用大大低于柴油機[2]。由于運動部件和摩擦部件少，燃氣初溫較低，故機組工作壽命長。

車用廢氣渦輪增壓器利用了發動機廢氣中的能量，提高了發動機的經濟性，被人們廣泛地應用。目前車用廢氣渦輪增壓器組件已經能夠大批量生產，相關組件的成本低廉。其轉子部分結構和運行參數與微型燃氣輪機發電裝置十分相似，因此利用車用廢氣渦輪增壓器組件實現燃氣動力發電過程，可以改善目前往復式發電裝置存在的不足，具有很好的應用前景。

本文根據燃氣輪機發電的工作原理，以目前廣泛使用的車用廢氣渦輪增壓器為研究對象，建立了系統工作過程的熱力學模型，基于MATLAB程序討論了燃氣動力發電的可行性，并對系統的主要部件進行了選型研究。

1 微型燃氣動力發電系統總體設計

1.1 系統組成及工作原理

系統由車用渦輪廢氣渦輪增壓器、燃燒室、高速電機、電控單元和儲能單元組成。工作時，由電控單元輸出相應信號控制儲能單元釋放能量驅動電動機工作，帶動壓氣機和渦輪旋轉，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，高溫燃氣驅動渦輪轉動，帶動壓氣機和發電機做功，由機械能轉化的電能儲存在儲能單元中，最后供負載使用。

1.2 系統主要部件選型及結構設計

1.2.1 車用廢氣渦輪增壓器的選型

系統在進行發電時，渦輪增壓器組件在高轉速、高壓比的條件下運轉。隨著轉速的提高，壓氣機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。

渦輪做功要同時帶動自身葉輪、壓氣機葉輪和發電/電動機的轉子運轉，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 轉子軸承

軸承是構成系統的重要部件之一，也是整機結構中的薄弱環節[4]。車用渦輪增壓器一般在轉速為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，壽命可以滿足發電系統長時間運行的需要。

1.2.3 電動/發電機

目前用于微型燃氣輪機的高速電動/發電機的轉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，永磁電機的功率密度可達8.9 kW/kg[5]，因此在微型燃氣輪機發電機組中可選用永磁高速同步電機。

1.2.4 微型單管燃燒室

燃燒室是燃氣動力發電系統能量轉換的重要組成部分，其形式的選擇在很大程度上取決于發動機的用途以及可被利用的空間。單管燃燒室具有結構簡單，制造費用較低和可批量生產等優點，可作為燃氣動力發電系統燃燒室的設計方案。單管燃燒室主要由內筒、外筒、旋流器和點火器組成。燃燒室氣體流路設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際結構，選擇流動損失較小的順流方案。

2 微型燃氣動力發電系統熱力過程計算

2.1 熱力循環計算模型

為評估系統的可行性，根據能量守恒定理，對微型燃氣動力發電系統設計工況點的熱力參數進行計算，判斷其主要運行參數是否與車用廢氣渦輪增壓器性能參數相匹配。即依據系統工作過程和給定的各個部件的效率，計算系統各截面的熱力參數和性能參數，依據燃氣動力發電系統的功率確定空氣流量，或者根據給定的空氣流量計算系統的凈功率[6]。

在進行系統的可行性分析時，本文作了如下假設：（1）忽略系統各部件的氣體泄漏量。（2）壓氣機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 計算結果及分析

根據以上計算模型，利用MATLAB語言編制了相應的熱力循環計算程序。根據目前微型燃氣輪機的性能參數，計算了在系統在海平面狀況下，渦輪進口溫度為973 K時系統的性能參數。計算得到的額定工況點性能如表1所示。

從以上計算結果可得，微型燃氣動力發電方案在設計點的性能與使用的廢氣渦輪增壓器的性能參數具有很好的匹配特性。當燃氣動力發電系統的空氣流量為0.229 kg/s時，系統可以發出20 kW的凈功率。該空氣流量數值在增壓器的常用空氣流量范圍之內，說明不需要對渦輪增壓器的轉子部分進行較大改動，便可使系統額定點性能參數均在渦輪增壓器工作的范圍之內。只要選取合適的壓比和渦輪進口溫度，可以使微型燃氣輪機輸出相應的功率，從而保證整個系統的正常工作。

3 結論

本文提出了一種基于車用廢氣渦輪增壓器的燃氣動力發電裝置，通過編寫其工作過程的熱力學程序，對其設計點性能進行了計算和討論，根據目前車用渦輪增壓器的結構和實際運行參數，對系統的主要部件進行了選型和設計，結果表明了系統的可行性。本文的研究工作可為系統樣機的設計和深入研究提供參考。

參考文獻

[1]徐建中.分布式供電和冷熱電聯產的前景[J].節能與環保，2002，3.

[2]趙士杭.新概念的微型燃氣輪機的發展[J].燃氣輪機，2001，14（2）：10-11.

[3]王延生，黃佑生.車用發動機廢氣渦輪增壓[M].北京：國防工業出版社，1984：56-58.

[4]朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器[M].北京：機械工業出版社，1992：63-64，122-124.

[5]王鳳翔.高速機的設計特點及相關技術研究[J].沈陽工業大學學報，2006，28（3）：951-957.

[6]朱行健，王雪瑜.燃氣輪機工作原理及性能[M].北京：科學出版社，1992：8-73.