馬巖

【摘 要】千瓦級超微型燃?xì)廨啓C(jī)（UMGT）可用于移動(dòng)電源、小型飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)及分布式發(fā)電系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文以3kW級超微型燃?xì)廨啓C(jī)作為研究對象，對用于燃機(jī)系統(tǒng)中的高速小尺寸離心葉輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)和數(shù)值分析。同時(shí)，本文對不同壁面溫度下離心葉輪的性能進(jìn)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(jī)理。

【關(guān)鍵詞】超微型燃?xì)廨啓C(jī)；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?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合系統(tǒng)及特種電源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，近10年來得到了世界各國的高度關(guān)注。超微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)將為終端能源利用提供新的重要形式，是未來能源經(jīng)濟(jì)、高效、清潔利用的主要方向之一。超微型燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理與一般的燃?xì)廨啓C(jī)相同，通常采用徑流透平與離心壓氣機(jī)。事實(shí)上，超微型燃?xì)廨啓C(jī)的概念在20世紀(jì)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(yīng)用，超微型燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)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(dòng)電源和小型飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的首要選擇。若通過與燃料電池或小型余熱鍋爐進(jìn)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?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)中的高速小尺寸離心葉輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)和數(shù)值分析，并在不同壁面溫度下對離心葉輪的性能進(jìn)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(jī)理。

1 離心葉輪的設(shè)計(jì)與分析

離心壓氣機(jī)是超微型燃?xì)廨啓C(jī)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(gè)厘米，與常規(guī)尺寸的葉輪相比，小尺寸下運(yùn)行雷諾數(shù)大大降低，這就導(dǎo)致了較高的表面摩擦阻力、加強(qiáng)了熱量交換。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的絕熱假設(shè)和忽略盤、蓋摩擦力矩的歐拉透平機(jī)械方程的推導(dǎo)都十分不合理。因此，對小尺寸離心葉輪內(nèi)部流動(dòng)的機(jī)理進(jìn)行探索性研究，對提高超微型燃?xì)廨啓C(jī)性能具有重要的意義。

作為探索性的研究，對3kW級超微型燃?xì)廨啓C(jī)中離心葉輪的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)工作的第一步參考了一個(gè)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(jìn)行了?；透男驮O(shè)計(jì)。表1中給出了最終確定的離心葉輪主要設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)工況下離心葉輪性能進(jìn)行了分析。

2 數(shù)值計(jì)算方法

離心葉輪數(shù)值計(jì)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(jì)算采用中心差分格式離散控制方程，四階Runge-Kutta法進(jìn)行時(shí)間推進(jìn)求解，并結(jié)合當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長、隱式殘差光順技術(shù)和多重網(wǎng)格技術(shù)以加速收斂。由于是定常計(jì)算，只針對離心葉輪的一個(gè)流道進(jìn)行。

根據(jù)離心葉輪的設(shè)計(jì)工況，計(jì)算中計(jì)算區(qū)域進(jìn)口固定總溫288.15K、總壓101325Pa，沿葉輪軸向進(jìn)氣，出口截面給定質(zhì)量流量，葉輪轉(zhuǎn)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(jì)算網(wǎng)格，計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)約為60萬。計(jì)算結(jié)果表明：設(shè)計(jì)流量下離心葉輪總壓比為3.07，等熵效率為78.04%，均滿足設(shè)計(jì)要求。

3 考慮傳熱時(shí)離心葉輪的性能

對于燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，當(dāng)其尺寸較大時(shí)，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(shè)是有效的?？墒?，隨著幾何尺寸的縮小，系統(tǒng)中的最高溫度（透平進(jìn)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(jī)）之間的距離變小，因此由透平向壓氣機(jī)的傳熱量會(huì)相應(yīng)變大。此時(shí)，壁面絕熱的假設(shè)將不再有效，壓氣機(jī)葉輪中的流體被加熱，會(huì)引起葉輪效率的下降，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)性能的惡化[3-5]?；谏鲜隹紤]，下文對比了絕熱及等溫壁面邊界條件（400K、500K，此時(shí)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(jī)理。

圖3給出了計(jì)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(shí)，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(dá)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?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)。

圖4給出了設(shè)計(jì)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(jìn)口處，由于子午流道折轉(zhuǎn)大，氣流發(fā)生分離，而在葉輪內(nèi)部，不存在大范圍的氣流分離，同時(shí)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(jié)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?yàn)樵趬嚎s過程中加熱流體，會(huì)導(dǎo)致出口溫度的升高，進(jìn)而降低了出口流體的密度，故相比于絕熱流動(dòng)，擴(kuò)壓度、輸入功和壓升均會(huì)下降，而壓升的下降還會(huì)進(jìn)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(nèi)存在大范圍的低動(dòng)能流體區(qū)，結(jié)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(nèi)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(nèi)存在兩個(gè)熵值較高（損失集中）的區(qū)域，一處是葉輪進(jìn)口處，另一處位于葉片尾跡區(qū)內(nèi)。壁面絕熱時(shí)，葉片尾跡區(qū)內(nèi)的熵值要高于葉輪進(jìn)口處的熵值；而采用等溫壁面邊界條件時(shí)，葉輪進(jìn)口處的熵值較高，并且隨著壁面溫度的升高，流道內(nèi)的熵值快速增長?？梢钥吹剑啾扔诘葴乇诿孢吔鐥l件下的壓縮過程，葉輪內(nèi)流動(dòng)為絕熱時(shí)，流道內(nèi)的熵產(chǎn)開始較晚，并且熵值更低。同時(shí)，葉輪出口氣流均勻性更好。

4 結(jié)論

1）本文所設(shè)計(jì)的離心葉輪，設(shè)計(jì)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(shè)；

2）考慮傳熱時(shí)，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?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙士杭.燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)與變工況性能[M].清華大學(xué)出版社，1993.

[2]宋寅，康婷，李雪松，顧春偉.千瓦級微型燃機(jī)性能分析[C]//中國工程熱物理學(xué)會(huì)熱機(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)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(gè)高比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)模型級的設(shè)計(jì)分析[J]. 流體機(jī)械，2005，33⑸：13-16.

[7]康順，劉強(qiáng)，祁明旭.一個(gè)高壓比離心葉輪的CFD結(jié)果確認(rèn)[J].工程熱物理學(xué)報(bào)， 2005， 26⑶：400-404.

[8]張虹，馬朝臣.離心壓氣機(jī)初步設(shè)計(jì)計(jì)算模型與性能仿真[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（1）：10-13.

[責(zé)任編輯：程龍]

圖3給出了計(jì)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(shí)，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(dá)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?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)。

圖4給出了設(shè)計(jì)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(jìn)口處，由于子午流道折轉(zhuǎn)大，氣流發(fā)生分離，而在葉輪內(nèi)部，不存在大范圍的氣流分離，同時(shí)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(jié)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?yàn)樵趬嚎s過程中加熱流體，會(huì)導(dǎo)致出口溫度的升高，進(jìn)而降低了出口流體的密度，故相比于絕熱流動(dòng)，擴(kuò)壓度、輸入功和壓升均會(huì)下降，而壓升的下降還會(huì)進(jìn)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(nèi)存在大范圍的低動(dòng)能流體區(qū)，結(jié)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(nèi)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(nèi)存在兩個(gè)熵值較高（損失集中）的區(qū)域，一處是葉輪進(jìn)口處，另一處位于葉片尾跡區(qū)內(nèi)。壁面絕熱時(shí)，葉片尾跡區(qū)內(nèi)的熵值要高于葉輪進(jìn)口處的熵值；而采用等溫壁面邊界條件時(shí)，葉輪進(jìn)口處的熵值較高，并且隨著壁面溫度的升高，流道內(nèi)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(nèi)流動(dòng)為絕熱時(shí)，流道內(nèi)的熵產(chǎn)開始較晚，并且熵值更低。同時(shí)，葉輪出口氣流均勻性更好。

4 結(jié)論

1）本文所設(shè)計(jì)的離心葉輪，設(shè)計(jì)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(shè)；

2）考慮傳熱時(shí)，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?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)。

【參考文獻(xiàn)】

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[6]李雪松，杜建一，祁志國，等.兩個(gè)高比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)模型級的設(shè)計(jì)分析[J]. 流體機(jī)械，2005，33⑸：13-16.

[7]康順，劉強(qiáng)，祁明旭.一個(gè)高壓比離心葉輪的CFD結(jié)果確認(rèn)[J].工程熱物理學(xué)報(bào)， 2005， 26⑶：400-404.

[8]張虹，馬朝臣.離心壓氣機(jī)初步設(shè)計(jì)計(jì)算模型與性能仿真[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（1）：10-13.

[責(zé)任編輯：程龍]

圖3給出了計(jì)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(shí)，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(dá)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?？梢妭鳠釋﹄x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?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)。

圖4給出了設(shè)計(jì)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(jìn)口處，由于子午流道折轉(zhuǎn)大，氣流發(fā)生分離，而在葉輪內(nèi)部，不存在大范圍的氣流分離，同時(shí)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(jié)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?yàn)樵趬嚎s過程中加熱流體，會(huì)導(dǎo)致出口溫度的升高，進(jìn)而降低了出口流體的密度，故相比于絕熱流動(dòng)，擴(kuò)壓度、輸入功和壓升均會(huì)下降，而壓升的下降還會(huì)進(jìn)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(nèi)存在大范圍的低動(dòng)能流體區(qū)，結(jié)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(nèi)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(nèi)存在兩個(gè)熵值較高（損失集中）的區(qū)域，一處是葉輪進(jìn)口處，另一處位于葉片尾跡區(qū)內(nèi)。壁面絕熱時(shí)，葉片尾跡區(qū)內(nèi)的熵值要高于葉輪進(jìn)口處的熵值；而采用等溫壁面邊界條件時(shí)，葉輪進(jìn)口處的熵值較高，并且隨著壁面溫度的升高，流道內(nèi)的熵值快速增長?？梢钥吹?，相比于等溫壁面邊界條件下的壓縮過程，葉輪內(nèi)流動(dòng)為絕熱時(shí)，流道內(nèi)的熵產(chǎn)開始較晚，并且熵值更低。同時(shí)，葉輪出口氣流均勻性更好。

4 結(jié)論

1）本文所設(shè)計(jì)的離心葉輪，設(shè)計(jì)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(shè)；

2）考慮傳熱時(shí)，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?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)。

【參考文獻(xiàn)】

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[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(gè)高比轉(zhuǎn)速離心壓氣機(jī)模型級的設(shè)計(jì)分析[J]. 流體機(jī)械，2005，33⑸：13-16.

[7]康順，劉強(qiáng)，祁明旭.一個(gè)高壓比離心葉輪的CFD結(jié)果確認(rèn)[J].工程熱物理學(xué)報(bào)， 2005， 26⑶：400-404.

[8]張虹，馬朝臣.離心壓氣機(jī)初步設(shè)計(jì)計(jì)算模型與性能仿真[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（1）：10-13.

[責(zé)任編輯：程龍]