一種超高速特斯拉渦輪式煤油發電機的研究

孫東寧，劉會祥，朱 熠，夏銀亮，李 娜

（1.北京精密機電控制設備研究所，北京，100076;2.航天伺服驅動與傳動技術實驗室，北京，100076）

0 引 言

引流高壓煤油伺服電源利用引流發動機的高壓煤油做功，帶動高速發電機進行發電，在電源管理模塊的調控下為發動機搖擺采用的電靜壓伺服系統進行供電。本文提出一種超高速特斯拉渦輪式煤油發電機方案[1]，采用引流火箭發動機高壓煤油作用在特斯拉渦輪轉子葉片上，將流體作用于葉片的流體剪切力轉化為向外輸出的旋轉機械能，驅動發電機同步旋轉進行發電。

特斯拉渦輪機的原理是流體的邊界層效應（Boundary Layer Effect），流體受黏滯力影響，會在管壁或者其它物體邊緣形成一層很薄的邊界層，在邊界層內，固定表面的流速為0，離表面越遠速度越大[2]。利用這個效應就可以讓高速運動的流體帶動一組圓盤轉動，它的效率比普通的葉片渦輪機高得多。特斯拉渦輪[3]的一組薄板圓盤安裝在渦輪內套的軸進行旋轉，高速的蒸汽進入在薄板圓盤邊緣，蒸汽流動狀態是向內自由渦旋路徑，最終在中心排氣口流出。除與蒸汽壓力及流速、流量有關外，還取決于流體粘附和粘度性質。

其中，佛羅倫薩大學能源工程部提出了一種應用于有機朗肯循環的特斯拉渦輪設計和優化方法[4]，可用于小微發電系統。在有機朗肯循環應用程序中，低成本組件對于開發剩余壓降非常有吸引力，在研究中通過評估各部件的損耗，并引入一個創新的轉子模型，實現了一種全程優化方法。另外，渦輪圓盤的形變問題已被部分解決，主要是新材料的應用，如使用碳纖維來制造渦輪盤。一個很好的例子是PNGinc 公司和國際渦輪與動力有限公司都在他們的特斯拉渦輪設計中用到了碳纖維材料。目前，中國高校對特斯拉渦輪做了一些相關研究，例如安徽理工大學黃紹服教授，依據特斯拉渦輪機原理，設計了一種電極轉速可調電加工裝置[5]，通過調節電極轉速及管電極末端出口工作液壓力，實現電極轉速可調電加工。

1 特斯拉渦輪式煤油發電機結構與工作原理

超高速特斯拉渦輪式煤油發電機是由特斯拉渦輪、高速發電機、大流量過濾器及導管組件等組成，見圖1。

圖1 特斯拉渦輪式煤油發電機外形示意Fig.1 Outline Drawing of Tesla Turbine Kerosene Generator

由火箭發動機引流的高壓高速煤油驅使特斯拉渦輪的轉子高速旋轉，使其帶動高速發電機進行同步旋轉做功，產生的電能通過電連接器向外輸送，通過轉速傳感器實現對發電機轉速的監測。通過導管組件中的阻尼結構將引流高壓煤油轉換成低壓煤油對后側軸承潤滑冷卻，另外特斯拉渦輪做功后的煤油，同時實現對發電機前側軸承的潤滑冷卻。整個發電機裝置不消耗煤油，利用完的煤油經大流量過濾器過濾后，回到煤油發動機進行二次循環利用。裝置部組件殼體之間的連接采用螺釘連接，密封結構采用機械密封、端面密封以及徑向密封，對外流體接口只有引流煤油入口和過濾器出口，密封結構可靠，整體結構緊湊。

圖2 為特斯拉渦輪式煤油發電機剖視圖。引流的高壓煤油經引流管接嘴入口進入特斯拉渦輪殼體內部，驅動特斯拉渦輪轉子組件高速旋轉。而用于驅使特斯拉渦輪旋轉做功的煤油，一部分可以對發電機前側軸承進行潤滑冷卻，另一部分直接經過濾器出口回收。位于管接嘴處的導管組件作用是將引流的高壓煤進行降壓后對發電機后側軸承進行潤滑冷卻，之后油液經發電機殼體內部油道流入大流量過濾器進行過濾后經出口回收，同時也起到對發電機的冷卻。

圖2 特斯拉渦輪式煤油發電機剖面示意Fig.2 Cross-sectional View of Tesla Turbine Kerosene Generator

為減少內部油液對發電機的影響并提高效率，在發電機兩側端蓋轉子軸承支撐部位內側加裝機械密封，將外部煤油與發電機轉子定子圍成的容腔進行隔離。

圖3 為特斯拉渦輪轉子組件結構示意。特斯拉渦輪的轉子組件通過多個轉子葉片疊放而成，相鄰轉子葉片間加裝調整墊片用于調整間距。為增強特斯拉渦輪轉子葉片的強度，在轉子葉片靠近邊緣處、沿圓周均勻設置軸向通孔，該軸向通孔中加裝連接銷釘。在軸與葉片組件、調整墊片和連接銷釘組合體安裝的圓周接觸面進行滾花處理，采用過盈壓裝的方式將葉片組件與軸肩貼合裝配，葉片組件另一側采用軸套與泵軸過盈壓裝進行定位。同時，在轉子葉片靠近根部位置徑向開有出油孔，將引流做功完的煤油從該處噴出，一側對發電機前側軸承潤滑冷卻（經內部流道流入過濾器），一側直接流入過濾器內部。三路油液（包括對后側軸承潤滑冷卻油液）最終都匯入大流量過濾器內，對其進行過濾后循環使用。表1 為發電機的基本參數。

圖3 特斯拉渦輪轉子組件結構示意Fig.3 Structure Diagram of Tesla Turbine Rotor Component

表1 發電機基本參數Tab.1 Basic Parameters of Electric Generator

2 特斯拉渦輪式煤油發電機仿真計算

2.1 特斯拉渦輪轉子受力計算

特斯拉渦輪轉子主要是運用流體的邊界層效應而工作的，邊界層厚度δ與流體的運動粘度υ以及邊界層所在位置的坐標χ的平方根成正比和勢流速度v的平方根成反比。即流體越粘稠，勢流速度越小，邊界層越厚。

根據平板邊界層厚度計算公式：

式中v∞為勢流速度（m/s）；v為運動粘度（m2/s）；x為邊界層所在位置坐標（m）。

經計算邊界層的厚度為

有研究學者研究發現[6]，對于一個有效的特斯拉渦輪，要對轉子葉片內外徑比K，及葉片數a進行控制，要求K=D/d＞0.5，經驗證該取值滿足要求。轉子基本參數如表2 所示。

表2 轉子基本參數Tab.2 Basic Parameters of Rotor

2.2 流場仿真計算

對于特斯拉渦輪轉子流域仿真計算，國外研究學者做了相關的研究[7]，特斯拉的渦輪機采用有機液體通過內部二維代碼開發的EES 環境和計算流體力學商業軟件的模擬運行，比較性能預測，以及評估的主要流動特征。采用Ansys Fluent 19.1 軟件并基于可壓縮雷諾平均納維-斯托克斯方程對實際氣體流經特斯拉的轉子渦輪采用三維CFD 模擬，對R404a、R134a 和R245fa 3 種工質進行分析，以確定相關因素性能參數。

對特斯拉渦輪轉子流場區域進行三維建模，運用ANSYS CFX 流場仿真軟件對其進行流場仿真計算，網格采用ICEM 結構化網格。為了減少流場仿真的計算量，轉子流場模型的葉片數為5，如圖4 所示。

圖4 三維轉子流域仿真模型Fig.4 Simulation Model of 3D Rotor Drainage Area

邊界條件設置：

a）進口設置壓力入口（矩形噴嘴處）：總壓32 MPa；

b）出口設置（圓柱噴嘴處）：自由出流；

c）葉片與流域接觸面：wall；

d）進出口與葉片間流域接觸面：interface。

經過軟件計算及后處理，可以得到特斯拉渦輪轉子流場區域的流場速度矢量云圖，如圖5 所示。

圖5 轉子流域速度矢量云圖Fig.5 Velocity Vector Nephogram of Rotor Drainage Area

由圖5 可以看出，流體經入口噴射進入葉片之間的間隙，在內部做旋轉運動，最終匯集于軸中心處，由位于中心處的排油孔排出。最大速度位于噴嘴與葉片接觸處（射入葉片間隙速度），其值為224.9 m/s（噴射速度）。而此時葉片外緣實際旋轉切線速度經計算為

式中ω為角速度（rad/s）；τ為扭矩（N·m）。

符合驅動其轉動的條件。

經過計算得到轉子流場區域總壓云圖，見圖6。

圖6 轉子流域總壓云圖Fig.6 Total Pressure Nephogram of Rotor Drainage Area

由圖6 可以看出，入口處的總壓大約為32 MPa，出口處的總壓大約為5 MPa。同時結合圖5 計算得出入口流量為70 L/min。

經計算得出：進出口壓差為27 MPa，流體做功功率為31.5 kW，經仿真計算得出轉子的輸出扭矩τ=2.32 N·m。

則對應的轉子輸出的功率為

從仿真結果看，轉子出油孔處油液的壓力為5 MPa，流速約為100 m/s，為具有一定的壓力和流量的流體，可以實現對發電機前后軸承潤滑冷卻及發電機本身的散熱。經計算，得出特斯拉渦輪轉子由高壓煤油轉換而來的機械能的效率為53%左右。

后經驗證，可以通過增加葉片數，實現功率輸出等級的增加。如果要實現輸出功率30 kW 的電能，另外考慮多方面的因素，則至少需要20 個葉片。

2.3 發電機仿真計算

利用Ansoft 軟件對發電機空載進行有限元分析，得出發電機空載直流電壓波形如圖7 所示。從圖可以看出，通過電路模型中電壓表（IVoltmeter84）測得直流側輸出電壓（NodeVoltage）均方根值（rms）的大小為355.67 V。

圖7 發電機空載直流電壓波形Fig.7 No-live Load DC Voltage Waveform of Generator

另外，同樣對發電機負載進行有限元分析，永磁同步發電機轉速為70 000 r/min，三相輸出經整流后接純電阻負載（R=2.5 Ω）時直流電壓波形如圖8 所示。

圖8 發電機帶載直流電壓波形示意Fig.8 Loading DC Voltage Waveform of Generator

從圖8 中可以看出，通過電路模型中電壓表（IVoltmeter84）測得直流側輸出電壓（NodeVoltage）均方根值為259.78 V；電流表（VAmmeter85）測得直流側輸出電流（Brach Current）的均方根值為103.91 A。

由空載和負載的仿真結果可知，由于發電機磁場受到電樞反應的影響，其產生的三相感應電動勢不是正弦的，存在各次諧波電動勢。故可將Uz與相電壓UP之間的關系等效為

式中δ為變換系數；2.34δ為整流因數。

經仿真計算得出電機負載性能仿真結果見表3。

表3 仿真計算結果Tab.3 Simulation Results

由表3 中發電機在帶載條件下的數據結果可以看出，滿足設計指標要求。

2.4 發電機轉子軸系動力學分析

運用Matlab 軟件對發電機轉子組件（包括泵組件及發電機轉子）進行了臨界轉速計算，計算模型見圖9。

圖9 發電機轉子組件仿真模型Fig.9 Simulation Model of Generator Rotor Component

在結構設計中選擇角接觸軸承，經計算：一階臨界轉速為 107 970 r/min，二階臨界轉速為155 730 r/min，三階臨界轉速為461 330 r/min。

從整機結構要求來看，一階轉速內已完全滿足轉速設計要求。其中，軸結構振型圖如圖10 所示。

圖10 一階轉速軸系結構振型Fig.10 Shafting Mode of First-order Rotational Speed

從圖10 中可以看出，振型幅度較大的地方位于葉片轉子懸臂軸端一側，在軸承位置（軸向距離50 mm、190 mm 處）振型幅度為0。

另外，運用Ansys 仿真軟件中靜力學模塊，對發電機轉子部分進行動力學分析[8]，對軸系兩處軸承安裝面設置為圓柱支撐，對整個軸系加載轉速70 000 r/min，其軸系形變云圖如圖11 所示。

從圖11 可以得出，軸系最大形變值為0.0042 mm，位于泵轉子葉片外緣處，證實發電機轉子組件能夠符合轉速要求。

圖11 發電機轉子組件形變云圖Fig.11 Deformation Nephogram of Generator Rotor Component

3 結 論

本文針對一種超高速特斯拉渦輪式煤油發電機的結構及工作原理進行了論述，運用理論計算方法和仿真計算方法，得到了以下結論：

a）該超高速特斯拉渦輪式煤油發電機結構設計合理，通過直接引流火箭發動機高壓高速煤油，可實現向電能的轉換和輸出，并能實現工作介質循環利用和節能環保。

b）分別對特斯拉渦輪轉子流域流場進行仿真及發電機負載及空載有限元分析，得出特斯拉渦輪轉子流域壓力分布云圖及速度矢量云圖、輸出功率、扭矩等參數以及發電機對應工況下的性能參數值、轉子組件臨界轉速及最大形變量，其結果符合設計要求。

該方案可以較好地利用火箭發動機所具有的先決條件，完成能量的轉換，并且為超高速煤油發電機的方案設計提供了一個思路。但相對于氣體作為工作介質，其效率還不容樂觀，尤其是高速高壓煤油經噴嘴進入到特斯拉渦輪轉子流域對轉子機械性能考驗及流體所呈現的復雜形態還有待進一步細化研究，并結合實物進行試驗驗證。

后續將對高壓高速煤油介質在特斯拉渦輪轉子流域內的流體特性進行深入研究分析，并對發電機結構進一步優化，使其最大可能地發揮實現高轉速的優勢，提高比功率。