特種車輛燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)與熱力學(xué)特性研究

張更云+白創(chuàng)軍+劉鋒+邢俊文

摘 要：本文針對(duì)我國高機(jī)動(dòng)性運(yùn)載車輛燃?xì)廨啓C(jī)的缺乏，介紹了國外研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)，以設(shè)計(jì)的特種車輛燃?xì)廨啓C(jī)為對(duì)象，闡述車輛燃?xì)廨啓C(jī)的主要結(jié)構(gòu)與技術(shù)，以粒子分離器、可調(diào)導(dǎo)葉渦輪等特有部件為例進(jìn)行熱力學(xué)特性計(jì)算與分析，為特種車輛燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的研究與開發(fā)提供了可行的途徑。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)；可調(diào)導(dǎo)葉渦輪；熱力學(xué)

中圖分類號(hào)：TK47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Point out the situation of the lack of gas turbine engine for the transport vehicle of high mobility， the general aspect and the trend of the development of the investigation of the gas turbine engine in our country and in abroad is introduced. Taking the gas turbine engine for the special vehicle as the object， the main structure technic of gas turbine engine for the special-purpose vehicle is described， and taking the special parts of the particle separator and adjustable-vane turbine as examples， the analysis and calculation for the parts and overall thermodynamic characteristic is taken. Thus， the feasible way is given for the investigation and development of the gas turbine engine system for the special-purpose vehicle.

Keywords：gas turbine engine；adjustable-vane turbine； thermodynamics

重型高機(jī)動(dòng)運(yùn)載車輛要求動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)具有足夠的功率與高的功重比、良好的低溫起動(dòng)性、全地域全天候適應(yīng)性能、多種燃料適應(yīng)性能、低油料消耗和使用維護(hù)簡(jiǎn)便等，隨著高能束武器系統(tǒng)、先進(jìn)防護(hù)系統(tǒng)、智能靈活操控系統(tǒng)的應(yīng)用，傳統(tǒng)的往復(fù)活塞式柴油機(jī)在功率、振動(dòng)、起動(dòng)、多燃料等方面存在的不足越來越突出。美國和俄羅斯已將燃?xì)廨啓C(jī)成熟應(yīng)用到坦克上，并在未來坦克動(dòng)力發(fā)展上占駐了制高點(diǎn)。我國對(duì)坦克燃?xì)廨啓C(jī)的研究還處于自發(fā)階段，對(duì)此，我們?cè)O(shè)計(jì)和完成了特種車輛燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)、總體熱力學(xué)特性研究，以期實(shí)現(xiàn)我國特種車輛動(dòng)力系統(tǒng)的新突破。

1.國內(nèi)外研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)

國外方面，發(fā)達(dá)的燃機(jī)研制國家對(duì)燃機(jī)的應(yīng)用有全面的規(guī)劃，產(chǎn)品系列化、貨柜化。美國、俄羅斯等將航空燃機(jī)技術(shù)應(yīng)用于裝甲車輛動(dòng)力等特種車輛及地面能源系統(tǒng)等領(lǐng)域，燃料從航煤發(fā)展到柴油、天然氣和煤層氣等；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從單維度、單結(jié)構(gòu)可調(diào)發(fā)展到多維度、多結(jié)構(gòu)可調(diào)；性能設(shè)計(jì)從單參數(shù)、穩(wěn)態(tài)發(fā)展到多參數(shù)、瞬態(tài)可調(diào)；燃機(jī)總體熱力計(jì)算也隨之發(fā)展為多參數(shù)、多維度、瞬態(tài)、全流程、全系統(tǒng)的高精度計(jì)算?？傮w熱力計(jì)算在商業(yè)軟件的基礎(chǔ)上根據(jù)燃機(jī)的分類進(jìn)行了專業(yè)化開發(fā)，并經(jīng)多輪的試驗(yàn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)?？傮w熱力計(jì)算在燃機(jī)全仿真結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)了全流程、多狀態(tài)的平衡研究，壓氣機(jī)和渦輪采用主動(dòng)控制精準(zhǔn)計(jì)算次流、動(dòng)態(tài)渦、激波、級(jí)柵間、附面層等影響，協(xié)調(diào)壓力、溫度、速度等參數(shù)沿葉型通道型面在外界環(huán)境多變下的綜合匹配；燃燒室采用多相流、變比熱的熱傳導(dǎo)、熱輻射等全真仿真計(jì)算，考慮燃燒損失、氣流交換損失；在燃機(jī)熱力學(xué)特性研究中，既實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)葉片可調(diào)，也實(shí)現(xiàn)渦輪導(dǎo)向葉片可調(diào)的熱力協(xié)調(diào)，同時(shí)考慮因熱脹冷縮引起的結(jié)構(gòu)改變的影響。

國內(nèi)方面，燃機(jī)總體熱力學(xué)特性分析基于經(jīng)驗(yàn)法或國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法進(jìn)行單點(diǎn)穩(wěn)態(tài)工況精確計(jì)算在總體參數(shù)調(diào)和下的各部件特性，在次流、動(dòng)態(tài)渦等分析研究上很難做到精準(zhǔn)，由于經(jīng)驗(yàn)的不足造成總體和部件特性匹配存在偏差，不考慮熱脹冷縮引起結(jié)構(gòu)改變的瞬態(tài)影響。白創(chuàng)軍等對(duì)渦輪損失計(jì)算采用基于經(jīng)驗(yàn)的方法，提出不同損失模型的預(yù)測(cè)結(jié)果有一定的差異。白創(chuàng)軍等針對(duì)氣膜孔角度對(duì)渦輪氣動(dòng)性能影響的數(shù)值研究，詳細(xì)分析了在設(shè)計(jì)冷卻流量條件下，不同徑向射流角的變化對(duì)葉片表面氣動(dòng)參數(shù)和冷卻效率的影響，以及分析了冷氣摻混機(jī)理。葛滿初，齊宗敏，盤應(yīng)曦，陳東，侯建飛等針對(duì)渦輪葉片的數(shù)值模擬、流線分析、葉柵氣動(dòng)損失等，都是基于一定的模型和工程經(jīng)驗(yàn)方法，假定了前提條件和特定要素。單就燃機(jī)的渦輪特性研究而言，國內(nèi)權(quán)威文獻(xiàn)幾乎都是在既定條件下簡(jiǎn)化外部影響?；M(jìn)行的，部分根據(jù)部件試驗(yàn)器試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正，與其他部件或總體熱力協(xié)調(diào)很少，而且大多是就特定結(jié)構(gòu)影響或單設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行了研究。

2.特種車輛燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)

針對(duì)特種車輛動(dòng)力的需求，開展特種車輛燃?xì)廨啓C(jī)（下文簡(jiǎn)稱X燃機(jī)）研制工作。X燃機(jī)是三轉(zhuǎn)子兩側(cè)輸出的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.1工作原理

X燃機(jī)采用簡(jiǎn)單循環(huán)（圖1）。工作時(shí)，空氣由進(jìn)氣機(jī)匣流入壓氣機(jī)，先經(jīng)低壓離心壓氣機(jī)，隨著葉輪高速旋轉(zhuǎn)，空氣壓力和速度增加，接著空氣進(jìn)入低壓擴(kuò)壓器，在擴(kuò)散形槽道內(nèi)減速增壓，而后經(jīng)回流器，進(jìn)入高壓離心壓氣機(jī)進(jìn)一步增壓，再進(jìn)入燃燒室，在燃燒室內(nèi)與噴入的燃油混合燃燒，形成高溫高壓燃?xì)猓細(xì)馐紫冗M(jìn)入高壓渦輪膨脹做功，帶動(dòng)高壓壓氣機(jī)工作，再進(jìn)入低壓渦輪膨脹做功，帶動(dòng)低壓壓氣機(jī)工作，而后燃?xì)膺M(jìn)入單級(jí)動(dòng)力渦輪膨脹做功，動(dòng)力渦輪的功率經(jīng)減速箱傳動(dòng)后由兩側(cè)輸出軸輸出，燃?xì)庥晌矅姽芘懦觥ndprint

2.2 X燃機(jī)主要性能參數(shù)

輸出凈功率：600 kW～900kW；

增壓比：10.5；

空氣流量：4.3kg/s；

滑油消耗率：0.3L/h；

輸出轉(zhuǎn)速：3154r/min（雙側(cè)輸出）；

凈功率耗油率：310g/（kW·h）；

海拔能力：4500m；

環(huán)境溫度范圍：-45℃～+55℃；

燃料：柴油、煤油、汽油；

起動(dòng)特性：≤40s（在規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)不需要預(yù)熱）；

組合重量：1450kg（不帶粒子分離器1050kg）。

2.3 X燃機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征

X燃機(jī)由帶滑油散熱器的粒子分離器、帶自清潔功能的封閉式離心葉輪的雙軸雙級(jí)壓氣機(jī)、兩型兩組分級(jí)混燃的環(huán)形回流燃燒室、帶空冷導(dǎo)葉及自清潔工作葉片的高壓渦輪、傳動(dòng)主要附件的低壓渦輪、帶大角度無級(jí)可調(diào)導(dǎo)葉的動(dòng)力渦輪、異形尾噴管、兩側(cè)輸出的減速器及附件傳動(dòng)裝置等構(gòu)成。集成進(jìn)氣除塵裝置、滑油和機(jī)動(dòng)平臺(tái)的液壓油散熱器、減速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)、高壓氣源系統(tǒng)等。

（1）粒子分離器

地面燃機(jī)吸入的空氣中存在較多雜質(zhì)，雜質(zhì)影響性能并降低燃機(jī)使用壽命。粒子分離器（圖2）安裝在壓氣機(jī)進(jìn)口前，主要由粒子分離器體、分離器殼體和滑油散熱器組成。

粒子分離器體與滑油散熱器左右各一個(gè)。粒子分離器與主流氣路有關(guān)的部件主要有兩個(gè)，分別為28個(gè)粒子分離管道和兩個(gè)集氣室。粒子分離器為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，出口與壓氣機(jī)對(duì)接。各粒子分離管相同，每個(gè)分離管中包含一個(gè)渦輪的一個(gè)百葉窗管道。氣流進(jìn)入渦輪后開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的氣流逐漸由百葉窗外側(cè)向內(nèi)側(cè)流動(dòng)，由于離心力的作用雜質(zhì)顆粒則留在了百葉窗的外側(cè)。氣流在集氣室中匯聚，并通過圓截面管道進(jìn)入壓氣機(jī)。

滑油散熱器用空氣散熱，通過安裝在前傳動(dòng)兩側(cè)的鼓風(fēng)機(jī)吸氣，利用吸進(jìn)的空氣對(duì)滑油進(jìn)行冷卻，百葉窗控制流量，保證滑油供油溫度在一定范圍內(nèi)。

（2）離心壓氣機(jī)

X燃機(jī)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)為雙軸雙級(jí)封閉式離心壓氣機(jī)，軸向尺寸小，空氣流量大，設(shè)計(jì)流量為4.3kg/s，額定工況增壓比達(dá)到10.5。離心葉輪采用整體閉式葉輪。低壓、高壓壓氣機(jī)都使用了除塵裝置，用以清除葉輪內(nèi)的沉積物，如圖3所示。

（3）燃燒室

燃燒室位于高壓壓氣機(jī)與高壓渦輪之間，使從高壓壓氣機(jī)過來的高壓空氣與燃油混合燃燒，形成高溫、高壓的燃?xì)狻Ｖ饕苫鹧嫱?、燃燒室機(jī)匣、彎管外壁轉(zhuǎn)接段、9個(gè)離心噴嘴和9個(gè)氣助霧化噴嘴等組成，如圖3所示。

（4）燃?xì)鉁u輪

X燃機(jī)燃?xì)鉁u輪由高壓渦輪和低壓渦輪組成，均為軸流式渦輪，如圖4所示。高壓渦輪由53片高壓渦輪工作葉片、高壓渦輪盤、高壓渦輪軸和高壓渦輪導(dǎo)向器等組成。高壓渦輪工作葉片為不帶葉冠的長(zhǎng)柄樅樹型，由葉身和榫頭組成。葉片與輪盤的連接方式采用樅樹型榫頭。高壓渦輪盤與軸是一體的。低壓渦輪由63片低壓渦輪工作葉片、低壓渦輪盤、低壓渦輪軸及低壓渦輪導(dǎo)向器等組成。低壓渦輪葉片為帶葉冠的長(zhǎng)柄樅樹型。

（5）動(dòng)力渦輪及尾噴管

動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子由與軸制成一體的輪盤和68個(gè)葉片組成（圖5），動(dòng)力渦輪盤和軸是一體的，葉片為帶葉冠的長(zhǎng)柄樅樹型。動(dòng)力渦輪導(dǎo)向器葉片為26片可調(diào)式葉片，其角度由導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器控制，兩端帶有圓柱軸頸，分別安裝在機(jī)匣內(nèi)環(huán)和外環(huán)上。葉片的軸頸上壓裝有套筒，起到滑動(dòng)軸承的作用，每個(gè)葉片就可控制轉(zhuǎn)動(dòng)。尾噴管將燃?xì)鈱?dǎo)出，其上裝有一個(gè)測(cè)量動(dòng)力渦輪后燃?xì)鉁囟鹊臒犭娕?，機(jī)匣下部設(shè)有3個(gè)漏油管，將沉積在底部的余油排出，如圖6所示。

（6）減速器與附件傳動(dòng)裝置

減速器用于降低動(dòng)力渦輪輸出轉(zhuǎn)速，分三級(jí)減速，總傳動(dòng)比為8.45，如圖7所示。附件傳動(dòng)裝置由燃?xì)獍l(fā)生器的高、低壓轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)，分為中央傳動(dòng)、上傳動(dòng)、下傳動(dòng)和前傳動(dòng)。中央傳動(dòng)是高、低轉(zhuǎn)子向上、下傳動(dòng)傳輸功率的中介；上傳動(dòng)由高壓轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)起動(dòng)電機(jī)、燃油泵和計(jì)量裝置、主滑油泵、轉(zhuǎn)速傳感器和油霧分離器；下傳動(dòng)帶動(dòng)前傳動(dòng)、增壓泵、空氣壓縮機(jī)、起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、柱塞泵和轉(zhuǎn)速傳感器；前傳動(dòng)由下傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)前傳動(dòng)的離心葉輪。

3.特種車輛燃機(jī)部件特性分析

粒子分離器是特種車輛燃機(jī)的特殊部件，以X燃機(jī)粒子分離器為例，介紹部件特性分析研究途徑。

3.1粒子分離器CFD建模（圖8）

由于28個(gè)粒子分離管道是相同的，并且每個(gè)粒子分離管道內(nèi)的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，完全模擬比較困難。CFD策略是將粒子分離器分成兩個(gè)CFD模型，分別為粒子分離管道和集氣室。首先CFD計(jì)算得到粒子分離管道的總壓恢復(fù)系數(shù)，并獲得粒子分離管道出口的總壓。將粒子分離管道出口的總壓設(shè)定為集氣室進(jìn)口的總壓并進(jìn)行CFD計(jì)算，得到集氣室的總壓恢復(fù)系數(shù)。

3.2粒子分離器特性分析

渦輪總壓恢復(fù)系數(shù)為0.999，壓力損失非常小。百葉窗管道的總壓恢復(fù)系數(shù)為0.994，壓力損失也比較小。集氣室的總壓恢復(fù)系數(shù)為0.967，壓力損失比較大，這主要是因集氣室內(nèi)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，空氣流動(dòng)也比較復(fù)雜，因此壓力損失比較大。整合3個(gè)部件的總壓恢復(fù)系數(shù)，得到粒子分離器的總壓恢復(fù)系數(shù)為0.96，粒子分離器的總壓損失將對(duì)整機(jī)性能產(chǎn)生一定影響?？紤]到建模差別和CFD誤差，確定粒子分離器的實(shí)際總壓恢復(fù)系數(shù)為0.95。

3.3粒子分離器流場(chǎng)分析

粒子分離器分成了兩個(gè)獨(dú)立計(jì)算域進(jìn)行CFD計(jì)算，渦輪和百葉窗管道分成一個(gè)計(jì)算域，集氣箱劃分成一個(gè)計(jì)算域。圖9為渦輪不同葉高截面馬赫數(shù)分布圖，由于葉型比較簡(jiǎn)單，因此3個(gè)葉高截面的流動(dòng)都不是特別理想，尤其是葉高80%截面葉背發(fā)生了較大的分離。圖10為渦輪出口截面總壓分布圖，圖中顯示靠近葉背的區(qū)域發(fā)生了較大的分離，主要原因是葉型比較簡(jiǎn)單和葉尖稠度太小。圖11為集氣箱內(nèi)部流線圖，氣流經(jīng)由粒子分離器管道進(jìn)入集氣室，由于集氣室壁面不規(guī)則，存在很多直角結(jié)構(gòu)，使得集氣室內(nèi)的流動(dòng)比較混亂，在一些區(qū)域出現(xiàn)了較大的渦。

結(jié)論

通過對(duì)X燃機(jī)粒子分離器及其他部件氣動(dòng)特性研究，得到以下結(jié)論：粒子分離器總壓恢復(fù)系數(shù)為0.95；低壓和高壓壓氣機(jī)最高效率超過0.80，兩個(gè)徑向擴(kuò)壓器分離較嚴(yán)重；燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)為0.96，設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)附近燃燒效率達(dá)到了0.99，燃燒室性能較高；高壓渦輪最高效率0.87，低壓渦輪最高效率達(dá)到了0.925，動(dòng)力渦輪最高效率達(dá)到了0.91。

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