馬 巖

（中國電子科技集團公司 第二十研究所，陜西 西安710068）

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(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。超微型燃氣輪機技術(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、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(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(shè)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(shè)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(dǎo)致了較高的表面摩擦阻力、加強了熱量交換。在傳統(tǒng)設(shè)計中的絕熱假設(shè)和忽略盤、蓋摩擦力矩的歐拉透平機械方程的推導(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(shè)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(shè)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?；透男驮O(shè)計。表1中給出了最終確定的離心葉輪主要設(shè)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(shè)計工況下離心葉輪性能進行了分析。

表1 離心葉輪主要設(shè)計參數(shù)

圖1 離心葉輪三維視圖

圖2 本文計算網(wǎng)格

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(jié)合當(dāng)?shù)貢r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。由于是定常計算，只針對離心葉輪的一個流道進行。

根據(jù)離心葉輪的設(shè)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(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給出了本文的計算網(wǎng)格，計算網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)約為60萬。計算結(jié)果表明：設(shè)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(shè)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(dāng)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(shè)是有效的?？墒牵S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(yīng)變大。此時，壁面絕熱的假設(shè)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(dǎo)致整個燃氣輪機系統(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?？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，是提高超微型燃氣輪機系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)。

圖3 離心葉輪性能曲線

圖4給出了設(shè)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(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。這是因為在壓縮過程中加熱流體，會導(dǎo)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4 設(shè)計流量下離心葉輪平均子午面靜壓云圖和流線圖

圖5 設(shè)計流量下離心葉輪平均子午面等溫線圖

圖5中給出了設(shè)計流量下離心葉輪平均子午面等溫線圖，可見圖中等溫線分布的趨勢基本相似，但從圖中可以清楚的看到采用等溫壁面邊界條件時，靠近壁面的流體被加熱的過程。

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(nèi)。壁面絕熱時，葉片尾跡區(qū)內(nèi)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(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)流動為絕熱時，流道內(nèi)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。

圖6 設(shè)計流量下離心葉輪50%葉高截面相對Mach數(shù)云圖

圖7 設(shè)計流量下離心葉輪50%葉高截面熵值云圖和等值線

4 結(jié)論

1）本文所設(shè)計的離心葉輪，設(shè)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(shè)；

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(guān)鍵技術(shù)。

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

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