軸流式動(dòng)力渦輪絕熱效率特性的測(cè)試方法研究

霍學(xué)敏，姚素娟，王振彪，閻瑞乾，辛鴻，梁玉明

(中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)，天津 300400)

動(dòng)力渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)是指在渦輪增壓柴油機(jī)的渦輪出口加裝一個(gè)動(dòng)力渦輪，使其進(jìn)一步回收排氣能量，從而能夠進(jìn)一步提高整機(jī)的能量利用率，降低燃油消耗量[1-2]。動(dòng)力渦輪回收的功率可以通過(guò)功率耦合機(jī)構(gòu)匯集到柴油機(jī)曲軸對(duì)外輸出，能使柴油機(jī)整機(jī)的功率提高3%～5%；也可以通過(guò)高速發(fā)電機(jī)使其轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存，以供車(chē)載電氣設(shè)備使用。對(duì)于運(yùn)行工況相對(duì)平穩(wěn)的柴油機(jī)(如長(zhǎng)途重載貨車(chē)、長(zhǎng)途客車(chē)等)而言，動(dòng)力渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)是極具吸引力的增壓技術(shù)之一[3]。

某型柴油機(jī)動(dòng)力渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)采用軸流式動(dòng)力渦輪，以期利用軸流渦輪在U/C值較低時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的渦輪效率，從而滿(mǎn)足動(dòng)力渦輪低膨脹比、低轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)要求。動(dòng)力渦輪部件的性能指標(biāo)，直接影響復(fù)合增壓系統(tǒng)的匹配，故而需要針對(duì)動(dòng)力渦輪的部件指標(biāo)如膨脹比、輸出功率、絕熱效率等進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，為系統(tǒng)整體匹配提供依據(jù)。本研究通過(guò)試驗(yàn)方法對(duì)該型軸流式動(dòng)力渦輪絕熱效率進(jìn)行了測(cè)定。

1 軸流式動(dòng)力渦輪

圖1示出某型柴油機(jī)動(dòng)力渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)采用的軸流式動(dòng)力渦輪結(jié)構(gòu)，擬安裝在原增壓器渦輪下游，實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣能量的進(jìn)一步回收利用。該型動(dòng)力渦輪的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 某柴油機(jī)用軸流式動(dòng)力渦輪結(jié)構(gòu)

動(dòng)力渦輪型式軸流式設(shè)計(jì)點(diǎn)流量/kg·s-10.6設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)口壓力/kPa150～180(絕對(duì)壓力)設(shè)計(jì)點(diǎn)出口壓力/kPa0(絕對(duì)壓力)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速/r·min-150 000輸出功率/kW約50

圖2示出根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)和完成試制的動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子、靜子等關(guān)鍵零部件。該型軸流式動(dòng)力渦輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

1) 進(jìn)氣導(dǎo)流錐：由耐熱鋼06Cr19Ni10制成，位于動(dòng)力渦輪靜子盤(pán)前端，用于將管路內(nèi)的燃?xì)鈦?lái)流整流為環(huán)狀進(jìn)氣，并按照水平方向進(jìn)入靜子盤(pán)。

2) 轉(zhuǎn)靜子結(jié)構(gòu)：動(dòng)力渦輪由靜子盤(pán)和轉(zhuǎn)子盤(pán)構(gòu)成，其中靜子盤(pán)用于改變?nèi)細(xì)鈦?lái)流的氣流角度，使其按照設(shè)計(jì)速度和角度進(jìn)入轉(zhuǎn)子盤(pán)葉片，轉(zhuǎn)子盤(pán)為轉(zhuǎn)動(dòng)部件，用于將燃?xì)鈦?lái)流的焓降轉(zhuǎn)化為葉輪機(jī)械能；轉(zhuǎn)子盤(pán)、靜子盤(pán)由K418高溫合金精密鑄造而成；渦輪轉(zhuǎn)軸材料為42CrMo，與渦輪轉(zhuǎn)子盤(pán)通過(guò)摩擦焊完成連接。

3) 排氣殼體：位于動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子盤(pán)后端，用于收集膨脹做功之后的燃?xì)獠⑵湎虼髿馀懦??？紤]到動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速以及進(jìn)口氣流的流量變化，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子出口的氣流方向也會(huì)發(fā)生變化。因此，動(dòng)力渦輪排氣殼體采用無(wú)旋向設(shè)計(jì)，即排氣殼體內(nèi)部通道截面積沿圓周方向大小不變，以適用于動(dòng)力渦輪不同工況下的低背壓排氣要求。

4) 軸承結(jié)構(gòu)：該型動(dòng)力渦輪軸承結(jié)構(gòu)充分借鑒了傳統(tǒng)渦輪增壓器的軸承結(jié)構(gòu)，采用雙浮動(dòng)軸承和動(dòng)壓滑動(dòng)止推軸承分別滿(mǎn)足轉(zhuǎn)子支撐和軸向止推；采用密封環(huán)式+甩油盤(pán)結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足高速旋轉(zhuǎn)工況下的油氣雙向密封。

5) 功率輸出結(jié)構(gòu)：該型動(dòng)力渦輪功率輸出結(jié)構(gòu)為斜齒輪結(jié)構(gòu)，擬將動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子的輸出功率傳遞至功率耦合機(jī)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)與柴油機(jī)曲軸的連接。輸出斜齒輪通過(guò)軸端螺母壓緊與動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)軸以及其他旋轉(zhuǎn)件形成一體化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

圖2 試制完成的動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子、靜子

圖3示出試制完成的帶輸出齒輪結(jié)構(gòu)的動(dòng)力渦輪樣機(jī)。

圖3 帶輸出齒輪動(dòng)力渦輪樣機(jī)

2 測(cè)試方案及試驗(yàn)樣機(jī)

2.1 試驗(yàn)方案

為測(cè)得動(dòng)力渦輪在不同轉(zhuǎn)速下的絕熱效率，需要在試驗(yàn)過(guò)程中控制并測(cè)算以下參數(shù)[4]：

1) 動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速，需要能夠調(diào)節(jié)動(dòng)力渦輪負(fù)載，在不同進(jìn)氣條件下實(shí)現(xiàn)某個(gè)轉(zhuǎn)速的控制；

2) 動(dòng)力渦輪進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)(總溫總壓)，以及排氣狀態(tài)參數(shù)(靜壓)，用于計(jì)算動(dòng)力渦輪的膨脹比以及絕熱焓降；

3) 動(dòng)力渦輪吸收功，可通過(guò)高速測(cè)功機(jī)直接測(cè)定動(dòng)力渦輪的輸出軸功，稱(chēng)之為“直測(cè)法”；也可以通過(guò)渦輪進(jìn)排氣狀態(tài)的溫度降來(lái)測(cè)算動(dòng)力渦輪的吸收功，稱(chēng)之為“溫降法”。

對(duì)于以上參數(shù)而言，動(dòng)力渦輪進(jìn)排氣狀態(tài)參數(shù)為常規(guī)測(cè)試參數(shù)，關(guān)鍵的是如何控制動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速，同時(shí)測(cè)算動(dòng)力渦輪的吸收功。試驗(yàn)過(guò)程中，動(dòng)力渦輪需要連接能夠吸收其輸出功率的負(fù)載元件，同時(shí)需要通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載來(lái)改變或保持動(dòng)力渦輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速[5]。

對(duì)于“直測(cè)法”而言，可以通過(guò)調(diào)節(jié)高速測(cè)功機(jī)負(fù)載來(lái)控制渦輪轉(zhuǎn)速，同時(shí)通過(guò)高速測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩直接測(cè)定渦輪輸出軸功。問(wèn)題在于，一方面直測(cè)法測(cè)得的輸出軸功包含了動(dòng)力渦輪的軸系損失，因此無(wú)法直接得到準(zhǔn)確的渦輪自身絕熱效率，另一方面測(cè)試轉(zhuǎn)速高于50 000 r/min的高速測(cè)功機(jī)極其精密而且昂貴，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)條件的要求極為苛刻。

對(duì)于“溫降法”而言，測(cè)試難度在于如何準(zhǔn)確測(cè)量動(dòng)力渦輪排氣狀態(tài)下的燃?xì)鉁囟群蛪毫ΑＳ捎跍u輪排氣氣流存在一定的不規(guī)則旋流，因此很難準(zhǔn)確測(cè)量排氣的狀態(tài)參數(shù)，而排氣狀態(tài)下的溫度、壓力測(cè)量值直接影響動(dòng)力渦輪絕熱效率的計(jì)算結(jié)果。

在綜合考慮現(xiàn)有試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，最終采用“溫降法”進(jìn)行動(dòng)力渦輪絕熱效率測(cè)量，同時(shí)采用負(fù)載壓氣機(jī)作為耗功部件，通過(guò)調(diào)整負(fù)載壓氣機(jī)的流量來(lái)改變動(dòng)力渦輪的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速[6]。

2.2 試驗(yàn)樣機(jī)

采用負(fù)載壓氣機(jī)作為動(dòng)力渦輪的耗功元件，并在負(fù)載壓氣機(jī)出口處加裝背壓調(diào)節(jié)閥，以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的調(diào)節(jié)，并專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了帶負(fù)載壓氣機(jī)的動(dòng)力渦輪試驗(yàn)樣機(jī)[7]。

結(jié)合動(dòng)力渦輪的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和最大輸出功率等參數(shù)，匹配適用的負(fù)載壓氣機(jī)Map圖(見(jiàn)圖4)。負(fù)載壓氣機(jī)既能滿(mǎn)足動(dòng)力渦輪50 000 r/min的轉(zhuǎn)速要求，也能滿(mǎn)足動(dòng)力渦輪最大輸出功率50 kW左右的耗功要求。

圖4 負(fù)載壓氣機(jī)Map圖

改變軸流式動(dòng)力渦輪原先的斜齒輪功率輸出結(jié)構(gòu)，使之與負(fù)載壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)集成。集成負(fù)載壓氣機(jī)的軸流式動(dòng)力渦輪實(shí)物見(jiàn)圖5。

圖5 帶負(fù)載壓氣機(jī)的軸流式動(dòng)力渦輪

3 試驗(yàn)方法

動(dòng)力渦輪絕熱效率是指動(dòng)力渦輪相對(duì)其進(jìn)出口氣流狀態(tài)的總靜效率，計(jì)算公式為[8-9]

式中：下標(biāo)1，2分別表示動(dòng)力渦輪進(jìn)出口的氣流狀態(tài)；πT為動(dòng)力渦輪的膨脹比。

動(dòng)力渦輪絕熱效率的測(cè)試采用溫降法，從絕熱效率的公式定義可知，動(dòng)力渦輪絕熱效率的測(cè)定主要在于盡量保證在絕熱狀態(tài)下測(cè)定渦輪進(jìn)出口的溫度和壓力[10]。

該動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)點(diǎn)的進(jìn)口溫度為550 ℃左右，實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中高溫氣體通過(guò)管路對(duì)周邊環(huán)境的散熱會(huì)導(dǎo)致一定的散熱溫降，進(jìn)而使整個(gè)渦輪進(jìn)出口的溫差增大，從而使測(cè)試得到的絕熱效率出現(xiàn)較大偏差。

基于盡量減少管路散熱的考慮，同時(shí)利用旋轉(zhuǎn)機(jī)械相似性原理，動(dòng)力渦輪絕熱效率的測(cè)試采用低溫驅(qū)動(dòng)法，即試驗(yàn)工況點(diǎn)與設(shè)計(jì)工況點(diǎn)保持相似轉(zhuǎn)速一致。

低溫驅(qū)動(dòng)法是指使用不高于80 ℃的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)動(dòng)力渦輪，壓縮空氣由電加熱器進(jìn)行加熱并進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。在保證測(cè)試工況點(diǎn)相似參數(shù)一致的情況下，盡量使渦輪入口溫度接近于負(fù)載壓氣機(jī)的出口溫度，這樣可以進(jìn)一步使被測(cè)動(dòng)力渦輪處于熱平衡狀態(tài)，減少傳熱帶來(lái)的測(cè)試誤差。同時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)該保證被測(cè)動(dòng)力渦輪與負(fù)載壓氣機(jī)的軸向承載能力，防止某些工況下軸向力過(guò)大造成被測(cè)動(dòng)力渦輪損壞。

為了保證被測(cè)動(dòng)力渦輪的絕熱狀態(tài)，一般還應(yīng)該對(duì)整個(gè)被測(cè)動(dòng)力渦輪和相關(guān)管路進(jìn)行隔熱處理[11]。

相似轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：

由此計(jì)算得到，動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)工況轉(zhuǎn)速(50 000 r/min)的相似轉(zhuǎn)速為1 743 r/(min·K0.5)；試驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)際控制轉(zhuǎn)速通過(guò)試驗(yàn)工況下動(dòng)力渦輪進(jìn)口的氣體總溫反算得到[12-13]。例如：如果動(dòng)力渦輪進(jìn)口氣流總溫為50 ℃，則對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速(50 000 r/min)的試驗(yàn)控制轉(zhuǎn)速為31 325 r/min；其他工況依此類(lèi)比。

4 試驗(yàn)臺(tái)架

按照軸流式動(dòng)力渦輪的氣流方向特點(diǎn)搭建動(dòng)力渦輪絕熱效率試驗(yàn)臺(tái)架，試驗(yàn)臺(tái)架構(gòu)成見(jiàn)圖6。渦前調(diào)節(jié)閥用于調(diào)整動(dòng)力渦輪流量，電加熱器用于調(diào)整進(jìn)入動(dòng)力渦輪的壓縮空氣溫度；動(dòng)力渦輪出口為穩(wěn)壓筒，用于測(cè)量動(dòng)力渦輪出口溫度和壓力；負(fù)載壓氣機(jī)后背壓閥用于調(diào)整負(fù)載壓氣機(jī)流量從而改變其耗功，最終調(diào)整動(dòng)力渦輪的運(yùn)行轉(zhuǎn)速[14]。

圖6 動(dòng)力渦輪絕熱效率測(cè)試臺(tái)架

1) 電加熱調(diào)溫

利用溫降法進(jìn)行動(dòng)力渦輪絕熱效率測(cè)定需要盡量保證動(dòng)力渦輪的絕熱；除了采用冷吹方式減少高溫管路散熱之外，還需要盡量減小動(dòng)力渦輪和負(fù)載壓氣機(jī)及軸承體之間的熱傳導(dǎo)。

本研究中渦輪進(jìn)口氣體采用電加熱調(diào)溫，在每個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)使渦輪進(jìn)口的氣流溫度盡量接近于負(fù)載壓氣機(jī)出口的氣流溫度，盡可能減小動(dòng)力渦輪與負(fù)載壓氣機(jī)之間的溫差[15]。試驗(yàn)過(guò)程中，每個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)均要求系統(tǒng)達(dá)到熱平衡(即各部分溫度測(cè)試值保持穩(wěn)定)狀態(tài)。

2) 出口穩(wěn)壓處理

動(dòng)力渦輪出口氣流存在軸向速度分量，并且葉根和葉尖的出口速度不一致，這都會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力渦輪出口流場(chǎng)存在旋流，從而無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量動(dòng)力渦輪出口處的溫度。

本研究采用了動(dòng)力渦輪出口穩(wěn)壓裝置，使動(dòng)力渦輪出口氣流在偏心穩(wěn)壓筒內(nèi)充分穩(wěn)流之后，在指定位置對(duì)出口溫度進(jìn)行測(cè)量[16]。

3) 整體管路包裹

為進(jìn)一步減小管路對(duì)周邊環(huán)境的散熱導(dǎo)致動(dòng)力渦輪進(jìn)出口的溫度差測(cè)量出現(xiàn)較大誤差，對(duì)動(dòng)力渦輪的進(jìn)出口管路均進(jìn)行絕熱包裹。

5 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

以被測(cè)軸流式動(dòng)力渦輪的設(shè)計(jì)工況為參照，按照相似原理，分別測(cè)定了對(duì)應(yīng)實(shí)際轉(zhuǎn)速50 000 r/min和45 000 r/min兩條轉(zhuǎn)速線(進(jìn)口溫度均為550 ℃)的絕熱效率分布(見(jiàn)圖7)。

圖7 動(dòng)力渦輪絕熱效率

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：利用溫降法對(duì)軸流式動(dòng)力渦輪的絕熱效率進(jìn)行測(cè)定，得到了對(duì)應(yīng)動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速50 000 r/min和45 000 r/min工況下的絕熱效率變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果符合軸流式渦輪的絕熱效率變化規(guī)律。

試驗(yàn)結(jié)果表明：被測(cè)軸流式動(dòng)力渦輪在550 ℃，50 000 r/min和45 000 r/min的工況下，其絕熱效率居于67%～72%之間，45 000 r/min工況下的絕熱效率要稍高于50 000 r/min工況。

6 結(jié)束語(yǔ)

利用溫降法對(duì)軸流式動(dòng)力渦輪絕熱效率進(jìn)行了測(cè)定，并得到可信的試驗(yàn)結(jié)果。在試驗(yàn)過(guò)程中，按照相似原理進(jìn)行相似轉(zhuǎn)速折算，并綜合采用電加熱調(diào)溫、出口穩(wěn)壓、管路包裹等技術(shù)措施，能夠使試驗(yàn)工況更接近于理想絕熱狀態(tài)，同時(shí)能夠提高試驗(yàn)結(jié)果的測(cè)試精度。