摘 要：以目前广泛使用的车用柴油机废气涡轮增压器为研究对象，提出了基于车用涡轮增压器的微型燃气动力发电方案。通过燃气动力发电工作过程热力计算，验证了燃气动力发电方案的可行性，在此基础上对系统进行了结构设计，为样机的研制提供了参考。

关键词：动力机械工程 涡轮增压器 微型燃气轮机 燃气发电

中图分类号：TK421.8 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（b）-0118-01

随着世界能源危机和环境污染的日益加剧，人们对动力设备的技术革新已开始从追求单一设备的高效率和低能耗向注重能源梯级、高效综合利用及环境保护等方向转变[1]。微型燃气轮机是新近发展起来的一类小型热力发动机，与其它往复式小型发电装置相比，微型燃气轮机是一种更好的环保型发电装置。微型燃气轮机尺寸小、重量轻，工作时振动小，运行平稳，安装方便。辅助系统结构简单，无需用水冷却，因此运行维护费用大大低于柴油机[2]。由于运动部件和摩擦部件少，燃气初温较低，故机组工作寿命长。

车用废气涡轮增压器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。目前车用废气涡轮增压器组件已经能够大批量生产，相关组件的成本低廉。其转子部分结构和运行参数与微型燃气轮机发电装置十分相似，因此利用车用废气涡轮增压器组件实现燃气动力发电过程，可以改善目前往复式发电装置存在的不足，具有很好的应用前景。

本文根据燃气轮机发电的工作原理，以目前广泛使用的车用废气涡轮增压器为研究对象，建立了系统工作过程的热力学模型，基于MATLAB程序讨论了燃气动力发电的可行性，并对系统的主要部件进行了选型研究。

1 微型燃气动力发电系统总体设计

1.1 系统组成及工作原理

系统由车用涡轮废气涡轮增压器、燃烧室、高速电机、电控单元和储能单元组成。工作时，由电控单元输出相应信号控制储能单元释放能量驱动电动机工作，带动压气机和涡轮旋转，向燃烧室提供空气。由燃烧室喷油器喷入的燃料与空气混合，高温燃气驱动涡轮转动，带动压气机和发电机做功，由机械能转化的电能储存在储能单元中，最后供负载使用。

1.2 系统主要部件选型及结构设计

1.2.1 车用废气涡轮增压器的选型

系统在进行发电时，涡轮增压器组件在高转速、高压比的条件下运转。随着转速的提高，压气机叶轮受到很高的离心力作用，减小叶轮直径可以改善叶轮的受力情况。随着叶轮直径的减小，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[3～4]。目前在车用涡轮增压器中大量使用效率最高的带有后弯叶片的压气机。

涡轮做功要同时带动自身叶轮、压气机叶轮和发电/电动机的转子运转，因此要选择具有足够大做功能力的涡轮。径流式涡轮为车用涡轮增压器广泛采用。

1.2.2 转子轴承

轴承是构成系统的重要部件之一，也是整机结构中的薄弱环节[4]。车用涡轮增压器一般在转速为50000～150000 r/min的条件下工作。目前，车用涡轮增压器普遍采用的滑动轴工作可靠，寿命可以满足发电系统长时间运行的需要。

1.2.3 电动/发电机

目前用于微型燃气轮机的高速电动/发电机的转子表面线速度不能超过200～250 m/s。从功率密度和效率角度来看，永磁电机的功率密度可达8.9 kW/kg[5]，因此在微型燃气轮机发电机组中可选用永磁高速同步电机。

1.2.4 微型单管燃烧室

燃烧室是燃气动力发电系统能量转换的重要组成部分，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。单管燃烧室具有结构简单，制造费用较低和可批量生产等优点，可作为燃气动力发电系统燃烧室的设计方案。单管燃烧室主要由内筒、外筒、旋流器和点火器组成。燃烧室气体流路设计有顺流与逆流两种选择方案。考虑到车用废气涡轮增压器的实际结构，选择流动损失较小的顺流方案。

2 微型燃气动力发电系统热力过程计算

2.1 热力循环计算模型

为评估系统的可行性，根据能量守恒定理，对微型燃气动力发电系统设计工况点的热力参数进行计算，判断其主要运行参数是否与车用废气涡轮增压器性能参数相匹配。即依据系统工作过程和给定的各个部件的效率，计算系统各截面的热力参数和性能参数，依据燃气动力发电系统的功率确定空气流量，或者根据给定的空气流量计算系统的净功率[6]。

在进行系统的可行性分析时，本文作了如下假设：（1）忽略系统各部件的气体泄漏量。（2）压气机和涡轮分别视为绝热多变压缩过程和绝热多变膨胀过程。（3）燃烧过程为等压吸热过程。

2.2 计算结果及分析

根据以上计算模型，利用MATLAB语言编制了相应的热力循环计算程序。根据目前微型燃气轮机的性能参数，计算了在系统在海平面状况下，涡轮进口温度为973 K时系统的性能参数。计算得到的额定工况点性能如表1所示。

从以上计算结果可得，微型燃气动力发电方案在设计点的性能与使用的废气涡轮增压器的性能参数具有很好的匹配特性。当燃气动力发电系统的空气流量为0.229 kg/s时，系统可以发出20 kW的净功率。该空气流量数值在增压器的常用空气流量范围之内，说明不需要对涡轮增压器的转子部分进行较大改动，便可使系统额定点性能参数均在涡轮增压器工作的范围之内。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，从而保证整个系统的正常工作。

3 结论

本文提出了一种基于车用废气涡轮增压器的燃气动力发电装置，通过编写其工作过程的热力学程序，对其设计点性能进行了计算和讨论，根据目前车用涡轮增压器的结构和实际运行参数，对系统的主要部件进行了选型和设计，结果表明了系统的可行性。本文的研究工作可为系统样机的设计和深入研究提供参考。

参考文献

[1]徐建中.分布式供电和冷热电联产的前景[J].节能与环保，2002，3.

[2]赵士杭.新概念的微型燃气轮机的发展[J].燃气轮机，2001，14（2）：10-11.

[3]王延生，黄佑生.车用发动机废气涡轮增压[M].北京：国防工业出版社，1984：56-58.

[4]朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M].北京：机械工业出版社，1992：63-64，122-124.

[5]王凤翔.高速机的设计特点及相关技术研究[J].沈阳工业大学学报，2006，28（3）：951-957.

[6]朱行健，王雪瑜.燃气轮机工作原理及性能[M].北京：科学出版社，1992：8-73.