超微型燃氣輪機系統(tǒng)中離心葉輪的數(shù)值模擬

馬巖

【摘 要】千瓦級超微型燃氣輪機（UMGT）可用于移動電源、小型飛機推進系統(tǒng)及分布式發(fā)電系統(tǒng)，具有廣闊的應用前景。本文以3kW級超微型燃氣輪機作為研究對象，對用于燃機系統(tǒng)中的高速小尺寸離心葉輪進行了設計和數(shù)值分析。同時，本文對不同壁面溫度下離心葉輪的性能進行了數(shù)值模擬，初步研究了傳熱對離心葉輪性能的影響及其作用機理。

【關鍵詞】超微型燃氣輪機；分布式發(fā)電；離心葉輪；壁面溫度；數(shù)值模擬

【Abstract】Several kilowatts Ultra Micro Gas Turbine （UMGT） can be used as portable power units， propulsion of small airplanes and distributed power generation system. It has a broad application prospect. In this paper， a 3kW class Ultra Micro Gas Turbine was chosen as the research object. The high speed， small scale centrifugal impeller of the engine system was designed and numerically analyzed. Besides， numerical simulation was performed to the impeller under different wall temperature， the influence and its mechanism of heat transfer to the performance of the centrifugal impeller was analyzed.

【Key words】Ultra Micro Gas Turbine（UMGT）； Distributed power generation； Centrifugal impeller； Wall temperature； Numerical simulation

0 前言

超微型燃氣輪機作為一種清潔高效、低成本、高可靠性的供能系統(tǒng)，在分布式發(fā)電、冷熱電聯(lián)供和燃料電池/燃氣輪機聯(lián)合系統(tǒng)及特種電源等領域具有廣闊的應用前景，近10年來得到了世界各國的高度關注。超微型燃氣輪機技術將為終端能源利用提供新的重要形式，是未來能源經(jīng)濟、高效、清潔利用的主要方向之一。超微型燃氣輪機的工作原理與一般的燃氣輪機相同，通常采用徑流透平與離心壓氣機。事實上，超微型燃氣輪機的概念在20世紀60年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但由于其發(fā)電效率低，沒有得到足夠重視。隨著高效緊湊型換熱器的應用，超微型燃氣輪機的發(fā)電效率顯著提高，大大增加了其競爭力。特別是過去的十幾年中，對于超微型燃氣輪機的研究越來越引起人們的廣泛興趣。由于其兼具較高的能量密度與較高的功率密度，使其成為移動電源和小型飛機推進系統(tǒng)的首要選擇。若通過與燃料電池或小型余熱鍋爐進行聯(lián)合循環(huán)，也可作為高效率的分布式發(fā)電系統(tǒng)[1-2]。

本文對3kW級超微型燃氣輪機系統(tǒng)中的高速小尺寸離心葉輪進行了設計和數(shù)值分析，并在不同壁面溫度下對離心葉輪的性能進行了數(shù)值模擬，初步分析了傳熱對離心葉輪性能的影響及其作用機理。

1 離心葉輪的設計與分析

離心壓氣機是超微型燃氣輪機的核心部件之一，其性能的好壞對系統(tǒng)性能有著很大影響。對于其中的離心葉輪，葉輪外徑僅為數(shù)個厘米，與常規(guī)尺寸的葉輪相比，小尺寸下運行雷諾數(shù)大大降低，這就導致了較高的表面摩擦阻力、加強了熱量交換。在傳統(tǒng)設計中的絕熱假設和忽略盤、蓋摩擦力矩的歐拉透平機械方程的推導都十分不合理。因此，對小尺寸離心葉輪內部流動的機理進行探索性研究，對提高超微型燃氣輪機性能具有重要的意義。

作為探索性的研究，對3kW級超微型燃氣輪機中離心葉輪的設計要求為：葉輪外徑40mm，壓比為3，效率不低于70%，并滿足一定的喘振裕度。設計工作的第一步參考了一個已有的葉輪外徑為60mm的小尺寸離心葉輪的幾何數(shù)據(jù)和葉型數(shù)據(jù)，并對其進行了模化和改型設計。表1中給出了最終確定的離心葉輪主要設計參數(shù)，圖1為離心葉輪三維視圖，下文首先利用CFD手段對設計工況下離心葉輪性能進行了分析。

2 數(shù)值計算方法

離心葉輪數(shù)值計算中控制方程為三維雷諾平均N-S方程，湍流模型選擇S-A模型。計算采用中心差分格式離散控制方程，四階Runge-Kutta法進行時間推進求解，并結合當?shù)貢r間步長、隱式殘差光順技術和多重網(wǎng)格技術以加速收斂。由于是定常計算，只針對離心葉輪的一個流道進行。

根據(jù)離心葉輪的設計工況，計算中計算區(qū)域進口固定總溫288.15K、總壓101325Pa，沿葉輪軸向進氣，出口截面給定質量流量，葉輪轉速為196700r/min，固壁采用無滑移、絕熱邊界條件。圖2給出了本文的計算網(wǎng)格，計算網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)約為60萬。計算結果表明：設計流量下離心葉輪總壓比為3.07，等熵效率為78.04%，均滿足設計要求。

3 考慮傳熱時離心葉輪的性能

對于燃氣輪機系統(tǒng)，當其尺寸較大時，通過壁面的熱流量與主流所攜帶的熱量相比可以忽略，因而壁面絕熱的假設是有效的。可是，隨著幾何尺寸的縮小，系統(tǒng)中的最高溫度（透平進口溫度TIT）和最低溫度（環(huán)境溫度）與大尺寸下相比差別不大，但高溫部件（透平）和低溫部件（壓氣機）之間的距離變小，因此由透平向壓氣機的傳熱量會相應變大。此時，壁面絕熱的假設將不再有效，壓氣機葉輪中的流體被加熱，會引起葉輪效率的下降，進而導致整個燃氣輪機系統(tǒng)性能的惡化[3-5]。基于上述考慮，下文對比了絕熱及等溫壁面邊界條件（400K、500K，此時流體均被加熱）下離心葉輪的性能，初步分析了傳熱對離心葉輪性能的影響及其作用機理。

圖3給出了計算得到的離心葉輪性能曲線，流體被加熱后，葉輪等熵效率和壓比均有不同程度的下降。觀察圖中的效率曲線，壁面溫度為400K時，不同流量下，效率下降的幅度不同，流量越大，效率下降越多，與絕熱情況下相比，最大降幅可達9%；壁面溫度增大到500K，不同流量下，效率下降的幅度差別不大，與絕熱情況下相比，效率平均下降20%左右。可見傳熱對離心葉輪性能的影響還是比較顯著的，因此，發(fā)展一種有效的熱屏蔽方法，是提高超微型燃氣輪機系統(tǒng)性能的關鍵技術。

圖4給出了設計流量下離心葉輪平均子午面靜壓云圖和流線圖。由圖可見：在葉輪進口處，由于子午流道折轉大，氣流發(fā)生分離，而在葉輪內部，不存在大范圍的氣流分離，同時壓力沿主流方向逐步增加，壓力分布比較均勻。對比不同壁面邊界條件下的結果可知：流體被加熱后，葉輪出口靜壓明顯下降，葉輪的增壓能力下降。這是因為在壓縮過程中加熱流體，會導致出口溫度的升高，進而降低了出口流體的密度，故相比于絕熱流動，擴壓度、輸入功和壓升均會下降，而壓升的下降還會進一步降低葉輪出口流體的密度。

圖6為離心葉輪50%葉高處跨葉片截面相對Mach數(shù)云圖，由圖可見，葉輪流道內存在大范圍的低動能流體區(qū)，結合圖7中50%葉高處跨葉片截面熵值云圖和等值線可知，這一區(qū)域是葉輪內損失較為集中的區(qū)域。觀察圖7中50%葉高截面熵值云圖，可知：葉輪流道內存在兩個熵值較高（損失集中）的區(qū)域，一處是葉輪進口處，另一處位于葉片尾跡區(qū)內。壁面絕熱時，葉片尾跡區(qū)內的熵值要高于葉輪進口處的熵值；而采用等溫壁面邊界條件時，葉輪進口處的熵值較高，并且隨著壁面溫度的升高，流道內的熵值快速增長。可以看到，相比于等溫壁面邊界條件下的壓縮過程，葉輪內流動為絕熱時，流道內的熵產(chǎn)開始較晚，并且熵值更低。同時，葉輪出口氣流均勻性更好。

4 結論

1）本文所設計的離心葉輪，設計流量下葉輪總壓比為3.07，等熵效率為78.04%，但這是基于固體壁面絕熱的假設；

2）考慮傳熱時，隨著壁面溫度的增高，葉輪的性能明顯下降，因此，發(fā)展一種有效的熱屏蔽方法，是提高超微型燃氣輪機系統(tǒng)性能的關鍵技術。

【參考文獻】

[1]趙士杭.燃氣輪機循環(huán)與變工況性能[M].清華大學出版社，1993.

[2]宋寅，康婷，李雪松，顧春偉.千瓦級微型燃機性能分析[C]//中國工程熱物理學會熱機氣動熱力學學術會議論文集.天津，2008.

[3]R. A. Van den Braembussche. Microsoft Gas Turbines-A Short Survey of Design Problems[R]. NATO RTO Educational Notes EN-AVT-131-1，2005.

[4]Rautenberg M， Mobarak A， and Malobabic M. Influence of Heat Transfer between Turbine and Compressor on the Performance of small Turbochargers[C]//Gas Turbine Congress. Tokyo， 1983.

[5]Toshio Nagashima， et al. Lessons Learnt from the Ultra-Micro Gas Turbine Development at University of Tokyo[R]. NATO RTO Educational Notes EN-AVT-131-14，2005.

[6]李雪松，杜建一，祁志國，等.兩個高比轉速離心壓氣機模型級的設計分析[J]. 流體機械，2005，33⑸：13-16.

[7]康順，劉強，祁明旭.一個高壓比離心葉輪的CFD結果確認[J].工程熱物理學報， 2005， 26⑶：400-404.

[8]張虹，馬朝臣.離心壓氣機初步設計計算模型與性能仿真[J].北京理工大學學報，2006，26（1）：10-13.

[責任編輯：程龍]

圖3給出了計算得到的離心葉輪性能曲線，流體被加熱后，葉輪等熵效率和壓比均有不同程度的下降。觀察圖中的效率曲線，壁面溫度為400K時，不同流量下，效率下降的幅度不同，流量越大，效率下降越多，與絕熱情況下相比，最大降幅可達9%；壁面溫度增大到500K，不同流量下，效率下降的幅度差別不大，與絕熱情況下相比，效率平均下降20%左右。可見傳熱對離心葉輪性能的影響還是比較顯著的，因此，發(fā)展一種有效的熱屏蔽方法，是提高超微型燃氣輪機系統(tǒng)性能的關鍵技術。

圖4給出了設計流量下離心葉輪平均子午面靜壓云圖和流線圖。由圖可見：在葉輪進口處，由于子午流道折轉大，氣流發(fā)生分離，而在葉輪內部，不存在大范圍的氣流分離，同時壓力沿主流方向逐步增加，壓力分布比較均勻。對比不同壁面邊界條件下的結果可知：流體被加熱后，葉輪出口靜壓明顯下降，葉輪的增壓能力下降。這是因為在壓縮過程中加熱流體，會導致出口溫度的升高，進而降低了出口流體的密度，故相比于絕熱流動，擴壓度、輸入功和壓升均會下降，而壓升的下降還會進一步降低葉輪出口流體的密度。

圖6為離心葉輪50%葉高處跨葉片截面相對Mach數(shù)云圖，由圖可見，葉輪流道內存在大范圍的低動能流體區(qū)，結合圖7中50%葉高處跨葉片截面熵值云圖和等值線可知，這一區(qū)域是葉輪內損失較為集中的區(qū)域。觀察圖7中50%葉高截面熵值云圖，可知：葉輪流道內存在兩個熵值較高（損失集中）的區(qū)域，一處是葉輪進口處，另一處位于葉片尾跡區(qū)內。壁面絕熱時，葉片尾跡區(qū)內的熵值要高于葉輪進口處的熵值；而采用等溫壁面邊界條件時，葉輪進口處的熵值較高，并且隨著壁面溫度的升高，流道內的熵值快速增長。可以看到，相比于等溫壁面邊界條件下的壓縮過程，葉輪內流動為絕熱時，流道內的熵產(chǎn)開始較晚，并且熵值更低。同時，葉輪出口氣流均勻性更好。

4 結論

1）本文所設計的離心葉輪，設計流量下葉輪總壓比為3.07，等熵效率為78.04%，但這是基于固體壁面絕熱的假設；

2）考慮傳熱時，隨著壁面溫度的增高，葉輪的性能明顯下降，因此，發(fā)展一種有效的熱屏蔽方法，是提高超微型燃氣輪機系統(tǒng)性能的關鍵技術。

【參考文獻】

[1]趙士杭.燃氣輪機循環(huán)與變工況性能[M].清華大學出版社，1993.

[2]宋寅，康婷，李雪松，顧春偉.千瓦級微型燃機性能分析[C]//中國工程熱物理學會熱機氣動熱力學學術會議論文集.天津，2008.

[3]R. A. Van den Braembussche. Microsoft Gas Turbines-A Short Survey of Design Problems[R]. NATO RTO Educational Notes EN-AVT-131-1，2005.

[4]Rautenberg M， Mobarak A， and Malobabic M. Influence of Heat Transfer between Turbine and Compressor on the Performance of small Turbochargers[C]//Gas Turbine Congress. Tokyo， 1983.

[5]Toshio Nagashima， et al. Lessons Learnt from the Ultra-Micro Gas Turbine Development at University of Tokyo[R]. NATO RTO Educational Notes EN-AVT-131-14，2005.

[6]李雪松，杜建一，祁志國，等.兩個高比轉速離心壓氣機模型級的設計分析[J]. 流體機械，2005，33⑸：13-16.

[7]康順，劉強，祁明旭.一個高壓比離心葉輪的CFD結果確認[J].工程熱物理學報， 2005， 26⑶：400-404.

[8]張虹，馬朝臣.離心壓氣機初步設計計算模型與性能仿真[J].北京理工大學學報，2006，26（1）：10-13.

[責任編輯：程龍]

圖3給出了計算得到的離心葉輪性能曲線，流體被加熱后，葉輪等熵效率和壓比均有不同程度的下降。觀察圖中的效率曲線，壁面溫度為400K時，不同流量下，效率下降的幅度不同，流量越大，效率下降越多，與絕熱情況下相比，最大降幅可達9%；壁面溫度增大到500K，不同流量下，效率下降的幅度差別不大，與絕熱情況下相比，效率平均下降20%左右。可見傳熱對離心葉輪性能的影響還是比較顯著的，因此，發(fā)展一種有效的熱屏蔽方法，是提高超微型燃氣輪機系統(tǒng)性能的關鍵技術。

圖4給出了設計流量下離心葉輪平均子午面靜壓云圖和流線圖。由圖可見：在葉輪進口處，由于子午流道折轉大，氣流發(fā)生分離，而在葉輪內部，不存在大范圍的氣流分離，同時壓力沿主流方向逐步增加，壓力分布比較均勻。對比不同壁面邊界條件下的結果可知：流體被加熱后，葉輪出口靜壓明顯下降，葉輪的增壓能力下降。這是因為在壓縮過程中加熱流體，會導致出口溫度的升高，進而降低了出口流體的密度，故相比于絕熱流動，擴壓度、輸入功和壓升均會下降，而壓升的下降還會進一步降低葉輪出口流體的密度。

圖6為離心葉輪50%葉高處跨葉片截面相對Mach數(shù)云圖，由圖可見，葉輪流道內存在大范圍的低動能流體區(qū)，結合圖7中50%葉高處跨葉片截面熵值云圖和等值線可知，這一區(qū)域是葉輪內損失較為集中的區(qū)域。觀察圖7中50%葉高截面熵值云圖，可知：葉輪流道內存在兩個熵值較高（損失集中）的區(qū)域，一處是葉輪進口處，另一處位于葉片尾跡區(qū)內。壁面絕熱時，葉片尾跡區(qū)內的熵值要高于葉輪進口處的熵值；而采用等溫壁面邊界條件時，葉輪進口處的熵值較高，并且隨著壁面溫度的升高，流道內的熵值快速增長。可以看到，相比于等溫壁面邊界條件下的壓縮過程，葉輪內流動為絕熱時，流道內的熵產(chǎn)開始較晚，并且熵值更低。同時，葉輪出口氣流均勻性更好。

4 結論

1）本文所設計的離心葉輪，設計流量下葉輪總壓比為3.07，等熵效率為78.04%，但這是基于固體壁面絕熱的假設；

2）考慮傳熱時，隨著壁面溫度的增高，葉輪的性能明顯下降，因此，發(fā)展一種有效的熱屏蔽方法，是提高超微型燃氣輪機系統(tǒng)性能的關鍵技術。

【參考文獻】

[1]趙士杭.燃氣輪機循環(huán)與變工況性能[M].清華大學出版社，1993.

[2]宋寅，康婷，李雪松，顧春偉.千瓦級微型燃機性能分析[C]//中國工程熱物理學會熱機氣動熱力學學術會議論文集.天津，2008.

[3]R. A. Van den Braembussche. Microsoft Gas Turbines-A Short Survey of Design Problems[R]. NATO RTO Educational Notes EN-AVT-131-1，2005.

[4]Rautenberg M， Mobarak A， and Malobabic M. Influence of Heat Transfer between Turbine and Compressor on the Performance of small Turbochargers[C]//Gas Turbine Congress. Tokyo， 1983.

[5]Toshio Nagashima， et al. Lessons Learnt from the Ultra-Micro Gas Turbine Development at University of Tokyo[R]. NATO RTO Educational Notes EN-AVT-131-14，2005.

[6]李雪松，杜建一，祁志國，等.兩個高比轉速離心壓氣機模型級的設計分析[J]. 流體機械，2005，33⑸：13-16.

[7]康順，劉強，祁明旭.一個高壓比離心葉輪的CFD結果確認[J].工程熱物理學報， 2005， 26⑶：400-404.

[8]張虹，馬朝臣.離心壓氣機初步設計計算模型與性能仿真[J].北京理工大學學報，2006，26（1）：10-13.

[責任編輯：程龍]