车用涡轮增压微型燃气轮机辅助电站研究进展

张强，马朝臣

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京100081)

随着人们节能意识的逐渐增强以及制定排放法规的日益严格，内燃机增压技术越来越受到重视。在各种增压方式中，废气涡轮增压由于利用了发动机废气中的能量，提高了发动机的经济性，被人们广泛地应用。然而涡轮增压发动机存在着启动和加速时瞬态响应性差以及高速、高负荷下涡轮增压器会发生超速的缺点。在国内外针对这些问题的不同解决措施中，近年来采用高速电动/发电机来改善发动机部分工况特性的电辅助涡轮增压技术已经成为全球范围内新的技术热点［1-2］。

微型燃气轮机是一种新型的分布式能源系统和电源装置，其单机功率范围为数十至数百千瓦，发展历史较短［3］。带有回热器的高效微型燃气轮机发电机组广泛地用于分布式发电［4］、热电冷联供［4-5］、车辆混合动力装置［6-7］、军用车载辅助电站［8-9］。它作为典型的军民两用高科技产品得到迅速发展，成为对国防和国民经济具有重大作用的战略产品。近年来随着全球范围内的能源与动力需求以及环境保护等要求的变化，燃气轮机得到了美国、欧盟、日本等发达国家的高度重视，先后制定了先进燃气轮机技术研究发展规划，多家公司将多个系列的微型燃气轮机产品投入到国际市场。我国对微型燃气轮机的广阔应用前景也十分重视，已有包括国家“863”计划在内的多个项目在拟议和实施中，但迄今为止，还没有一种型号微型燃气轮机用于商业运行。

微型燃气轮机发电机组的尺寸小，质量轻，具有高效、节能、低噪音、低污染等优点。其主要基本技术特征与车用废气涡轮增压器的转子部分非常接近，都是采用离心式压气机、径流或轴流式涡轮，利用单轴形式连接压气机和涡轮;不同之处在于微型燃气轮机要单独设置一个燃烧室和电动/发电机。因此技术上完全可以把车用废气涡轮增压器与微型燃气轮机一体化，以满足军、民用车辆功能多样化需求日益增长的需要。

本文综述了车用涡轮增压器和微型燃气轮机关键技术的国内外研究进展情况，提出了将涡轮增压系统与车载辅助微型燃气轮机电站一体化的新方案，对未来需要开展的研究工作进行了展望。

1 关键技术的国内外研究现状

1.1 热力循环方式

发电用微型燃气轮机采用简单热力循环时，其热效率低于大型燃气轮机的效率。现在100 kW 级的微型燃气轮机采用回热循环时，效率也低于同功率档次内燃机的效率［10］。为了提高微型燃气轮机的热效率以及降低CO2的排放，最简单的方法是采用回热循环来回收废气中的热量［11］。目前在研的微型燃气轮机热效率的目标为40%，为了达到这一目标，许多研究机构和学者在如何大幅提高涡轮进口温度以及采用更有效的热力循环方面作了相关的研究工作。对于前者，解决问题的关键在于研发新的耐高温材料如陶瓷材料，使燃气轮机中受热部件如涡轮转子的耐热水平显著地提高。但是由于材料成本以及加工安装技术水平的限制，目前陶瓷涡轮转子还没有得到广泛地应用;对于后者，当前涌现出许多新的热力循环概念［12-14］，如回热中冷循环、回热低压循环、回热逆循环和外燃循环等。这些新的热力循环概念都是建立在回热循环的基础上，面向的对象绝大多数是小型燃气轮机联产系统，同时结构上不可避免地增加一些附属设备来适应热力循环的要求，使得整机的结构变得复杂，尺寸、质量也相应地增大。因此对于功率水平为百千瓦以下级别的微型燃气轮机，采用复杂的热力循环提高效率不太可行。

微型燃气轮机中回热器的价格比较昂贵，约占系统总成本的1/3［11，15］。现有的具有良好性能和紧凑结构的换热器形式大都为实验室产品，并且成本很高，因此只少量生产，没有形成量化生产的规模。目前新型的回热器正在研发之中，并朝着降低成本，减少组件数量，且能够适应自动化生产模式的方向发展。应用在微型燃气轮机中典型的回热器有板式回热器，它能在较小温差下，实现高效传热，已逐步得到了应用［16］。但是这种回热器为了达到设计要求的换热效果，就必须增大传热面积，使得体积增加，不适合在车辆发动机舱内安装。回热器采用的另一种传热表面为一次表面型［17］，它的特点是体积小、质量轻、节省安装空间。这种换热器国外虽有研究，但具体性能参数并不公开报道;而且在国内各种一次表面回热器的制造工艺还不成熟，因此实际应用起来也比较困难。

1.2 压气机和涡轮

由于微型燃气轮机采用简单热力循环形式，所以设计高效率的压气机和涡轮对整机效率的提高有着重要的意义。目前在涡轮增压器和微型燃气轮机大多数研究中，主要通过优化叶轮来提高压气机和涡轮的性能［18-20］。为了全面改善性能，还在扩压器、叶轮顶部间隙等方面作了相关研究［21-22］。

1.2.1 压气机

离心压气机运转具有高速、高压比的特点，受到很大的离心力作用。随着压比的提高，叶轮直径的减小，如何保持较高的效率和宽广的流量范围成为突出的矛盾，这需要选择合适的压气机叶轮叶型［23-24］。目前由于带有后弯叶片的压气机效率最高而在车用涡轮增压器和微型燃气轮机中大量使用，但其缺点是不易制造，叶根对弯曲压力敏感。

综上分析，前倾后弯叶轮能满足宽广速度和流量范围的要求，至于后弯叶轮强度低的问题完全可以在设计上采取措施予以解决。另外在叶轮后加装容易制造、抗污损和冲蚀性好的无叶扩压器，可以扩大压气机的运行范围，进一步发挥后弯叶轮的优势。离心压气机的材料可采用铸铁、铝合金、钢和铁合金。采用多坐标数控整体进行铣削加工，容易控制加工精度，保证各叶道间良好的一致性和气动性能，提高叶轮的性能和寿命。

1.2.2 涡轮

涡轮的设计要满足空气动力学性能的要求，同时又要保证叶片具有足够的强度和刚度。为了适应高速旋转，还要具有外形尺寸小、质量轻和惯性矩小的特点，否则会限制涡轮的安装和响应特性。系统运行时，涡轮除了要带动自身的旋转，还要同时带动压气机叶轮和发电/电动机的转子运转，因此设计时要保证涡轮具有足够的做功能力。

涡轮的瞬态性能与各旋转部件的惯性矩大小有关，还与涡壳本身的参数A/R 值(涡壳喉口面积/喉口截面圆心点距转轴的距离)有关［25］。该数值影响叶轮的转速以及整机在部分工况时的响应特性，需要全面考虑后确定合理的数值。车用涡轮增压器采用的径流式涡轮，用精密铸造的工艺进行整体叶轮的加工，可以实现大批量生产，保证了低廉的成本。

1.3 燃烧室

燃烧室作为微型燃气轮机的重要组成部分，其形式的选择在很大程度上取决于发动机的用途以及可被利用的空间，对整个发动机的结构有着重要的影响［15］。

为了组织好燃烧过程，使燃烧室具有燃烧稳定性好、效率高、流动阻力小以及排气中污染物控制得当等良好性能，就必须对燃烧室的燃烧和流动性能进行深入的研究。近年来国内外学者利用试验和数值模拟等技术手段在这些方面进行了相关的研究。随着燃烧理论和数值模拟技术的发展，应用数值计算方法对燃烧室内部的流动和燃烧过程进行模拟分析［26］;为了检验燃烧室布置方案的合理性和部件的可靠性，用热应力、结构强度等试验研究［27］来进行验证;为了减少污染物(特别是NOx)的排放，进行了贫预混—预蒸发燃烧(LPP)［28］、无焰氧化燃烧(FLOX)［29-30］等燃烧技术方面的研究，以此来解决燃烧室性能的预估和工程设计问题。对于微型燃气轮机燃烧室组件，今后的目标将主要集中在优化喷油器的性能和燃烧室的几何参数。

1.4 转子轴承

轴承是涡轮增压器和燃气轮机的重要部件之一，也是整机结构中的薄弱环节［24］。微型燃气轮机的转速一般在40 000 r/min 以上，小型涡轮增压器普遍使用的转速范围也为50 000～150 000 r/min.在如此高的转速下运转，选择工作可靠又有很高机械效率的轴承非常重要。早期的增压器和燃气轮机支撑系统多采用滚珠轴承和滚柱轴承，它突出的优点是摩擦损失小、效率高、增压器转子工作灵活，显著改善了增压器的加速性能。后来带有浮环的滑动轴承由于对转子的不平衡敏感性较小、能胜任极高转速下的工作以及制造容易、成本低廉而受到人们的重视。滚动轴承和滑动轴承均需要润滑系统。目前大力发展的轴承形式为空气轴承，可不必在增压器上设置进、回油的管道，排除了经油封漏机油和污染中冷器的可能性。随着技术的成熟以及成本的降低，预计磁悬浮轴承也将成为下一代燃气轮机轴承的可选形式。

许多国外商业化的微型燃气轮机中采用了空气轴承，到目前为止空气轴承被证明是能够可靠工作的，但是在寿命和耐久性方面仍需改进［31］。我国低温透平膨胀机制造领域已具备了开发静压空气轴承透平膨胀机的丰富经验，但迄今为止在高速透平机械领域尚无动压气体轴承产品的应用，与发达国家还存在较大的差距［32］。现在小型涡轮增压器普遍采用滑动轴承而且是全浮动轴承，文献［33］介绍的一种微型燃气轮机向心透平性能试验装置与测量系统中也采用了液体动压滑动轴承。因此结合实际的技术和生产情况，系统可以采用滑动轴承。

1.5 电动/发电机

高速电机转子在高速运行时，其电机中转子表面切向应力、电机尺寸比、转子表面线速度之间具有很强的约束关系。大多数高速电机采用2 极或4 极结构，这样可以使转子半径减小，保证电机高速旋转时转子线速度不超过200～250 m/s，否则烧结而成的永磁体将无法承受转子高速旋转时产生的巨大离心力。定子绕组电流和铁心中磁通的高频率一般为1 500～2 500 Hz［34-35］，需将高频电降至50 Hz，否则会在导线中产生电涡流损失，就需要专门设计定子绕组形式。电机高速旋转时还会由于空气的摩擦引起转子温度的上升，因此还要解决由于温升带来的电机效率下降问题。据报道，博格—华纳(Borg-Warner)公司在所设计的第3 代电辅助增压器(eBooster)样机系统中，采用了高速同步电机。从功率密度和效率角度来看，永磁电机的功率密度可达到8.9 kW/kg［34］，因此在微型燃气轮机发电机组中可考虑选用永磁同步高速电机，但它的转子机械特性差［36］。

总之在具体选用永磁高速电机时，要根据系统的运行参数，结合其电磁和机械特性、控制方式和功率变换系统，进行综合对比研究。

2 车用集成式燃气涡轮—增压发电系统

军用车辆往往需要装备辅助电站，以便在主动力发动机不启动的情况下为车辆用电设备供电。由于辅助电站与涡轮增压系统具有相近的工作参数，为了简化装置、减小体积，本文提出涡轮增压系统与车载辅助微型燃气轮机电站一体化的方案，称为集成式燃气涡轮—增压发电系统(ITSGS).

2.1 ITSGS 的工作原理

ITSGS 的工作原理如图1所示。工作时可由电控单元输出相应控制信号使系统在车用涡轮增压器工况和燃气轮机工况(图1虚线区域)间切换。在车用涡轮增压器工况，当车辆启动和加速时，通过电动机辅助驱动压气机，快速提高进气压力，增加进入气缸的空气量;在高速大负荷工况时，涡轮的一部分能量通过发电机转化为电能，储存在蓄电池中。这样即可以使进气压力在低速时完全不依靠于发动机的转速，消除了增压器响应的滞后性，又可以在高速工况下回收废气的能量，取消增压器废气阀的设置，替代可调涡轮的作用。在微型燃气轮机发电工况，通过燃烧室燃烧燃料产生的能量推动涡轮做功，带动高速电机发电。产生的电能经过整流、逆变和滤波等环节进行处理后，在电动/发电机与能量储存单元之间传递，最后供负载使用。

图1 车用集成式燃气涡轮—增压发电系统原理示意图Fig.1 Sketch of vehicular integrated turbine supercharger generator system

2.2 ITSGS 可行性分析

为了评估ITSGS 的可行性，需要根据质量、能量守恒原理，对微型燃气轮机设计工况点的热力参数进行计算，判断燃气轮机的主要运行参数是否与涡轮增压器的运行参数相匹配。即按照燃气轮机工作过程和给定的各个部件的效率(或损失系数)，取一系列压气机增压比和涡轮前燃气温度，计算燃气轮机各截面的热力参数(压力、温度、比热、焓、熵值)和性能参数(即工质的比功、热效率和耗油率)，然后根据所要达到的燃气轮机的功率确定空气流量，或者根据给定的空气流量计算燃气轮机的功率［47］。

通过编制相应的热力循环计算程序，表1给出了经过计算得到的ITSGS 设计工况点的基本特性参数。从结果可以看出，只要选取合适的压比和涡轮进口温度，可以使微型燃气轮机输出相应的功率，而且压气机、涡轮等参数均在涡轮增压器工作的范围之内，可以保证增压器与发动机良好匹配的前提下实现涡轮增压器与辅助发电的集成。

表1 车用集成式燃气涡轮—增压发电系统基本特性参数Tab.1 Main parameters of vehicular integrated turbine supercharger generator system

2.3 ITSGS 的系统设计方案

综合国内外回热器研究和生产的现况以及车用微型燃气轮机发电机组的应用场合，车用ITSGS 采用简单燃气轮机热力循环符合目前的实际技术情况。考虑到车辆废气涡轮增压器的布置方式特点，压气机和涡轮叶轮均布置有涡壳体，其间还要布置轴承及润滑管路，且叶轮的布置方式不是采用背靠背的形式，这样在涡轮侧就不能像目前大多数微型燃气轮机那样留有足够的空间布置燃烧室;另外微型燃气轮机的喷油流量小，如果采用多管燃烧室，则各管间燃油量分配的喷油量就会更小，而与此相匹配的喷嘴在加工和运行中存在易腐蚀和堵塞等问题，因此车用ITSGS 考虑选用小型单管式燃烧室。这样可以将燃烧室水平布置于涡轮机体上，另外燃烧室容积的确定也较灵活，可提高效率，也便于检修。这种结构会使整机的热效率较低，但与目前车载辅助电站需要单独的动力源相比，ITSGS 在成本(包括设备、燃料、维护保养等成本)以及改善车辆部分工况的特性方面所带来的优势是明显的。

3 车用集成式燃气涡轮—增压发电系统研究展望

ITSGS 集成技术研究中要解决增压器与发动机的匹配和优化技术问题，实现发动机与增压器在全工况下(尤其是启动、加速和低速工况)的良好匹配;在微型燃气轮机工况下，实现高效的能量转换;ITSGS 的动态过渡过程直接影响到工况调节的灵活性以及整个系统的运行可靠性，要对工作过程的动态特性进行研究，为机组的性能优化和运行控制优化提供理论依据。

在系统的关键部件中，运用计算流体动力学(CFD)先进技术对叶轮进行合理的气动设计，使其既满足发动机涡轮增压进气流量和压比的要求，又要使微型燃气轮机发出额定的电功率;对燃烧室进行流动、传热和机械综合设计方法研究，分析燃烧室内的燃烧状况及速度、压力和温度的分布情况。

不断提高车用ITSGS 的效率和降低成本将是今后长期的目标。这一方面依靠相关领域技术取得关键性突破，如高效、紧凑、低成本回热器的成功研制;另一方面，在现有技术条件下也可以考虑和其他技术相结合，以使系统的效率大幅度得到提高，只有这样才能使其工程化。目前存在的主要技术障碍是小型高紧凑单管燃烧室技术、高速电动/发电机技术以及由于涡轮转子与电动/发电机连接而带来的转子动力学问题。

车用ITSGS 作为能源、动力领域的新概念装置，在提高能源利用率，降低环境污染，提高工作灵活性，节省投资等方面具有很广阔的应用前景，对于推动我国军、民用相关领域的技术发展有着重大意义，应该给予重视和关注。

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