張勇斌

（鄭州鐵路技師學(xué)院，河南 鄭州 450041）

汽車廢氣渦輪發(fā)電之渦輪機(jī)的匹配

張勇斌

（鄭州鐵路技師學(xué)院，河南 鄭州 450041）

本文系統(tǒng)的論述了汽車廢氣渦輪發(fā)電中渦輪機(jī)的匹配問題。其中對渦輪機(jī)的原理，特征曲線，分別作了介紹，對渦輪機(jī)的管徑和等效流通面積進(jìn)行了計(jì)算并得出了結(jié)果。

渦輪機(jī)；管徑；等效流通面積；計(jì)算

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-110-04

前言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使得能源消耗量急劇增加，能源的供需矛盾日益突出。汽車保有量越來越多，汽車的能源消耗在總能源消耗中所占的比例越來越高，汽車節(jié)能問題成為全球性關(guān)注的問題，也是當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)展的主題。汽車節(jié)能的方法很多，如改良燃料，燃料電池，利用廢熱制冷，取暖或驅(qū)動空調(diào)，渦輪增壓，混合動力等等。汽車廢氣渦輪發(fā)電是利用汽車排放的廢氣推動渦輪機(jī)渦輪轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電的新的節(jié)能方法，青島大學(xué)的張鐵柱教授為此設(shè)計(jì)了一種新裝置獲專利一項(xiàng)，日本的吉田佑也曾做此方面試驗(yàn)，證明廢氣渦輪發(fā)電量足以提供汽車運(yùn)行所需電能，但國內(nèi)部分學(xué)者仍持懷疑態(tài)度。對于汽車廢氣渦輪發(fā)電中渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)的確定是本文的主要內(nèi)容。

1、徑流式渦輪機(jī)的原理

渦輪的功用是將排氣所擁有的能量盡可能多的轉(zhuǎn)化為渦輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械功。燃?xì)庠跍u輪機(jī)中的流動

徑流式渦輪機(jī)主要由進(jìn)氣渦殼1，噴嘴環(huán)2，工作輪3以及出氣道系組成。有圖1所示。排氣從工作輪轉(zhuǎn)子的外緣由進(jìn)氣渦輪流入，經(jīng)過一系列工作路徑后從渦輪中心軸向流出。進(jìn)氣渦殼的作用是引導(dǎo)內(nèi)燃機(jī)的排氣均勻地進(jìn)入渦輪。蝸殼可以有一個(gè)或兩個(gè)甚至更多的進(jìn)氣口，由內(nèi)燃機(jī)中的排出的氣體具有一定壓力，溫度與速度經(jīng)進(jìn)氣渦殼后直接流入噴嘴環(huán)中，噴嘴環(huán)是周向均勻安裝，帶有一定傾角的葉片組成的多個(gè)漸縮通道，類似壓氣機(jī)中的有葉擴(kuò)壓器。只是氣流方向相反，氣流流過噴嘴環(huán)時(shí)部分壓力轉(zhuǎn)化成動能，氣體得到加速而壓力，溫度下降且具有很強(qiáng)的方向性便于均勻而有序的流入渦輪機(jī)的工作輪。

在渦輪工作輪中，氣體是向心流動的，工作輪上的葉片之間的通道也是呈漸縮狀。 氣體在通道中將繼續(xù)膨脹。當(dāng)氣流流過工作輪葉片時(shí)，氣流轉(zhuǎn)彎。由于離心力作用結(jié)果，在葉面的凹面上壓力得到提高，而在凸面則降低。作用在葉片表面的壓力的合力產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩。此時(shí)，在工作輪的出口處壓力，溫度，速度下降，而出口處的氣體速度已經(jīng)大大下降小于進(jìn)口速度。說明燃?xì)庠趪娮熘信蛎浰@得的動能已大部分傳給了工作輪。

總而言之，在排氣渦輪工作過成中，具有一定動能及壓力能的排氣在噴嘴環(huán)通道中僅部分 地得到加速而轉(zhuǎn)變?yōu)榕艢獾膭幽?，而從噴嘴環(huán)中流出的具有一定動能及壓力能的排氣則在工作輪中大部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械功最終用來驅(qū)動發(fā)電機(jī)。

2、渦輪機(jī)的特性曲線

將排氣能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的有效程度便是渦輪的效率。根據(jù)是否包含余項(xiàng)損失部分，渦輪效率又分為有效效率和等熵效率兩項(xiàng)。前者為渦輪機(jī)的實(shí)際焓降與可用焓降之比，后者為扣除余項(xiàng)后的有效焓降與可用焓降之比。

有效效率的定義式為：

其中WT為渦輪機(jī)軸上的有用功，即有效焓降，HT是排氣所擁有的能量，即可用焓降?？梢岳斫鉃榕艢庠跍u輪機(jī)入口處具有的壓力能與動能的總和。

當(dāng)可用焓降在渦輪機(jī)中絕熱膨脹至渦輪出口背壓時(shí)所做之功，就是實(shí)際上排氣可用能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的最高限額。為此定義一個(gè)假象的理論速度CO，可以認(rèn)為是排氣在入口處的滯止速度。計(jì)算式為：

則渦輪機(jī)的發(fā)出功率PT(KW)為：

其中PT為渦輪機(jī)功率，mT為排氣質(zhì)量流量（Kg/s），轉(zhuǎn)速nT(r/min)，排氣參數(shù)計(jì)算的壓力比πT（排氣滯止壓力與排氣背壓之比），以上為渦輪機(jī)的主要工作參數(shù)。當(dāng)渦輪機(jī)變工況運(yùn)行時(shí)，上述參數(shù)的關(guān)系就是渦輪機(jī)的特性。如圖2：

3、徑流式渦輪機(jī)等效流通面積的計(jì)算

確定渦輪的等效流通面積是一件十分麻煩的事，因?yàn)樗蜏u輪的膨脹比，轉(zhuǎn)速以及各種截面收縮系數(shù)等因數(shù)有關(guān)。令葉片數(shù)為z，葉片高度為h，葉片通道的出口平均寬度為截面收縮系數(shù)為u，則噴嘴環(huán)的有效流通面積可用下式計(jì)算：

動輪的有效流通面積為：

ρsp----噴嘴環(huán)的出口處的氣體密度

ρ4----動輪出口處的氣體密度

C0---對應(yīng)于渦輪級焓降的假想流速

ATeq----渦輪的等效流通面積

渦輪機(jī)和焓降是噴嘴環(huán)焓降加上動輪焓降的總和。對于徑流渦輪，一般噴嘴環(huán)焓降hN，動輪焓降hR和渦輪級焓降hadT可以按下列公式來計(jì)算：

當(dāng)⑴式代入⑵式得：

則由上式則：

再整理后得出徑流渦輪的等效流通面積：

4、渦輪機(jī)管徑的確定思路

渦輪機(jī)的流量公式如下：

其中ATeq為串聯(lián)的渦輪噴嘴環(huán)和渦輪動輪的等效流通面積，其中已考慮了流通面積的收縮系數(shù)；α為脈沖流量系數(shù)，表征脈動氣流對流量的影響，在定壓渦輪系統(tǒng)中α=1；ψI以等效流通面積ATeq取代實(shí)際渦輪時(shí)的流量參數(shù)。其表達(dá)式為：

（其中3為渦輪前，4為渦輪后）

得出結(jié)論mT=0.1671kg/s，并代入p3=0.3MPa，T3=725.9k，α=1（取定壓渦輪）則得出：

5、渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)的初步確定

渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速問題是一個(gè)關(guān)鍵的問題，直接影響到發(fā)電機(jī)的匹配問題。渦輪機(jī)與發(fā)電機(jī)是同軸的，如果知道了渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速那么發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也便知道了。在考慮這個(gè)問題時(shí)我們會發(fā)現(xiàn)對于渦輪機(jī)其他一些參數(shù)也會有新的認(rèn)識。

廢氣的能量在渦輪機(jī)中經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)換。廢氣流經(jīng)裝在汽缸上的噴管時(shí)，將勢能變成動能，即廢氣在噴管中膨脹，壓力降低使氣流速度增大，然后從噴管出來的高速廢氣沖到裝在葉輪上的工作葉片使葉片輪轉(zhuǎn)動，從而使廢氣的動能轉(zhuǎn)變成機(jī)械功。

為了方便研究問題，通常用i—s圖來直觀的看待渦輪機(jī)的工作情況。如圖4：

則廢氣的反動級膨脹過程可以在i—s圖上表示.

其中：H0-----級的理想焓降，KJ/kg）

HC-----噴管的理想焓降，KJ/kg）

Hτ -----工作葉片的理想焓降，KJ/kg）

工作葉片的焓降Hτ與噴管及工作葉片的理想焓降之和HC+Hτ的比值稱為級的反動度ρ即：

對于沖動級，Hτ=0因此沖動級的反動度為零。如果級的反動度ρ=0.005—0.15左右，則這種級仍稱為沖動級或稱帶有少量的反動度的沖動級。通常所稱為反動級是指反動度ρ=0.5的級。此時(shí)Hτ=HC。

以反動級渦輪為例，已經(jīng)知道了渦輪的H0（前面叫等熵焓降）為：

最佳速度比的求法

對于具有z列工作的葉片速度級，輪緣功率等于：

具有z列工作葉片的速度級的輪緣效率為：

為了求出最大的ημ，則將ημ對x1求一階導(dǎo)數(shù)并令其為零。

則此時(shí)最大的輪緣效率為：

靜葉片的出口角和動葉片的出口角a1=β2=180--200，（φ叫做工作葉輪的速度系數(shù)，為廢氣流出工作葉片氣道的實(shí)際相對速度w2與理想相對速度w2t的比值）

根據(jù)空氣動力學(xué)有：

實(shí)際的噴管出口絕對速度C1為：

hc---噴管的有用焓降

在渦輪機(jī)的熱力計(jì)算中，廣泛采用速度系數(shù)來考慮實(shí)際流動的速度損失，即：

這樣噴管中的能量損失：

以求得了H0=72958J/kg，則接反動級則： HC

* =36479J/ kg 左右

φ一般在0。95左右我們?nèi)ˇ?0.95 則：

再根據(jù)最佳速度比來計(jì)算出μ的值：（以三級為例）

也可以根據(jù)速度三角型來計(jì)算（略）。

一般功率在10千瓦下的渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速大都在3000r/min左右，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)渦輪機(jī)是就考慮到了轉(zhuǎn)速的問題，于是設(shè)計(jì)時(shí)就對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列的調(diào)整，所以就按這個(gè)轉(zhuǎn)速來進(jìn)行計(jì)算。這樣有公式：

這樣有μ=38.4m/s ，n=3000r/min,則：

即為渦輪機(jī)級的平均直徑。

6、結(jié)語

本文通過計(jì)算汽車廢氣渦輪發(fā)電裝置中渦輪機(jī)的等效流通面積和渦輪機(jī)級的平均直徑，初步的確定了渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)，對于EQ6100型內(nèi)燃機(jī)汽車廢氣渦輪發(fā)電中渦輪機(jī)尺寸和型號的確定建立了理論依據(jù)。

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Matching vehicle exhaust turbine power generation turbines

Zhang Yongbin
（Zhengzhou Railway Technician College, Henan Zhengzhou 450041）

This paper discusses the system matching vehicle exhaust turbine power generation turbines. In which the principles of the turbine, the characteristic curve, respectively, were introduced, and the equivalent diameter of the flow area of the turbine were calculated and the results obtained.

Turbines；Diameter；Equivalent circulation area；Calculate

U463.6

A

1671-7988(2015)01-110-04

張勇斌，就職于鄭州鐵路技師學(xué)院。