特种车辆燃气轮机技术与热力学特性研究

张更云+白创军+刘锋+邢俊文

摘 要：本文针对我国高机动性运载车辆燃气轮机的缺乏，介绍了国外研究的概况和发展趋势，以设计的特种车辆燃气轮机为对象，阐述车辆燃气轮机的主要结构与技术，以粒子分离器、可调导叶涡轮等特有部件为例进行热力学特性计算与分析，为特种车辆燃气轮机系统的研究与开发提供了可行的途径。

关键词：燃气轮机；可调导叶涡轮；热力学

中图分类号：TK47 文献标识码：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

重型高机动运载车辆要求动力系统发动机具有足够的功率与高的功重比、良好的低温起动性、全地域全天候适应性能、多种燃料适应性能、低油料消耗和使用维护简便等，随着高能束武器系统、先进防护系统、智能灵活操控系统的应用，传统的往复活塞式柴油机在功率、振动、起动、多燃料等方面存在的不足越来越突出。美国和俄罗斯已将燃气轮机成熟应用到坦克上，并在未来坦克动力发展上占驻了制高点。我国对坦克燃气轮机的研究还处于自发阶段，对此，我们设计和完成了特种车辆燃气轮机的结构与工艺设计、总体热力学特性研究，以期实现我国特种车辆动力系统的新突破。

1.國内外研究的概况和发展趋势

国外方面，发达的燃机研制国家对燃机的应用有全面的规划，产品系列化、货柜化。美国、俄罗斯等将航空燃机技术应用于装甲车辆动力等特种车辆及地面能源系统等领域，燃料从航煤发展到柴油、天然气和煤层气等；结构设计从单维度、单结构可调发展到多维度、多结构可调；性能设计从单参数、稳态发展到多参数、瞬态可调；燃机总体热力计算也随之发展为多参数、多维度、瞬态、全流程、全系统的高精度计算。总体热力计算在商业软件的基础上根据燃机的分类进行了专业化开发，并经多轮的试验数据校准。总体热力计算在燃机全仿真结构下实现了全流程、多状态的平衡研究，压气机和涡轮采用主动控制精准计算次流、动态涡、激波、级栅间、附面层等影响，协调压力、温度、速度等参数沿叶型通道型面在外界环境多变下的综合匹配；燃烧室采用多相流、变比热的热传导、热辐射等全真仿真计算，考虑燃烧损失、气流交换损失；在燃机热力学特性研究中，既实现压气机叶片可调，也实现涡轮导向叶片可调的热力协调，同时考虑因热胀冷缩引起的结构改变的影响。

国内方面，燃机总体热力学特性分析基于经验法或国内外经验参数法进行单点稳态工况精确计算在总体参数调和下的各部件特性，在次流、动态涡等分析研究上很难做到精准，由于经验的不足造成总体和部件特性匹配存在偏差，不考虑热胀冷缩引起结构改变的瞬态影响。白创军等对涡轮损失计算采用基于经验的方法，提出不同损失模型的预测结果有一定的差异。白创军等针对气膜孔角度对涡轮气动性能影响的数值研究，详细分析了在设计冷却流量条件下，不同径向射流角的变化对叶片表面气动参数和冷却效率的影响，以及分析了冷气掺混机理。葛满初，齐宗敏，盘应曦，陈东，侯建飞等针对涡轮叶片的数值模拟、流线分析、叶栅气动损失等，都是基于一定的模型和工程经验方法，假定了前提条件和特定要素。单就燃机的涡轮特性研究而言，国内权威文献几乎都是在既定条件下简化外部影响模化进行的，部分根据部件试验器试验结果进行了经验数据的修正，与其他部件或总体热力协调很少，而且大多是就特定结构影响或单设计状态进行了研究。

2.特种车辆燃气轮机设计

针对特种车辆动力的需求，开展特种车辆燃气轮机（下文简称X燃机）研制工作。X燃机是三转子两侧输出的涡轴发动机。

2.1工作原理

X燃机采用简单循环（图1）。工作时，空气由进气机匣流入压气机，先经低压离心压气机，随着叶轮高速旋转，空气压力和速度增加，接着空气进入低压扩压器，在扩散形槽道内减速增压，而后经回流器，进入高压离心压气机进一步增压，再进入燃烧室，在燃烧室内与喷入的燃油混合燃烧，形成高温高压燃气，燃气首先进入高压涡轮膨胀做功，带动高压压气机工作，再进入低压涡轮膨胀做功，带动低压压气机工作，而后燃气进入单级动力涡轮膨胀做功，动力涡轮的功率经减速箱传动后由两侧输出轴输出，燃气由尾喷管排出。endprint

2.2 X燃机主要性能参数

输出净功率：600 kW～900kW；

增压比：10.5；

空气流量：4.3kg/s；

滑油消耗率：0.3L/h；

输出转速：3154r/min（双侧输出）；

净功率耗油率：310g/（kW·h）；

海拔能力：4500m；

环境温度范围：-45℃～+55℃；

燃料：柴油、煤油、汽油；

起动特性：≤40s（在规定的环境温度范围内不需要预热）；

组合重量：1450kg（不带粒子分离器1050kg）。

2.3 X燃机结构设计特征

X燃机由带滑油散热器的粒子分离器、带自清洁功能的封闭式离心叶轮的双轴双级压气机、两型两组分级混燃的环形回流燃烧室、带空冷导叶及自清洁工作叶片的高压涡轮、传动主要附件的低压涡轮、带大角度无级可调导叶的动力涡轮、异形尾喷管、两侧输出的减速器及附件传动装置等构成。集成进气除尘装置、滑油和机动平台的液压油散热器、减速转向机构、冷却系统、高压气源系统等。

（1）粒子分离器

地面燃机吸入的空气中存在较多杂质，杂质影响性能并降低燃机使用寿命。粒子分离器（图2）安装在压气机进口前，主要由粒子分离器体、分离器壳体和滑油散热器组成。

粒子分离器体与滑油散热器左右各一个。粒子分离器与主流气路有关的部件主要有两个，分别为28个粒子分离管道和两个集气室。粒子分离器为对称结构，出口与压气机对接。各粒子分离管相同，每个分离管中包含一个涡轮的一个百叶窗管道。气流进入涡轮后开始旋转，旋转的气流逐渐由百叶窗外侧向内侧流动，由于离心力的作用杂质颗粒则留在了百叶窗的外侧。气流在集气室中汇聚，并通过圆截面管道进入压气机。

滑油散热器用空气散热，通过安装在前传动两侧的鼓风机吸气，利用吸进的空气对滑油进行冷却，百叶窗控制流量，保证滑油供油温度在一定范围内。

（2）离心压气机

X燃机压气机设计为双轴双级封闭式离心压气机，轴向尺寸小，空气流量大，设计流量为4.3kg/s，额定工况增压比达到10.5。离心叶轮采用整体闭式叶轮。低压、高压压气机都使用了除尘装置，用以清除叶轮内的沉积物，如图3所示。

（3）燃烧室

燃烧室位于高压压气机与高压涡轮之间，使从高压压气机过来的高压空气与燃油混合燃烧，形成高温、高压的燃气。主要由火焰筒、燃烧室机匣、弯管外壁转接段、9个离心喷嘴和9个气助雾化喷嘴等组成，如图3所示。

（4）燃气涡轮

X燃机燃气涡轮由高压涡轮和低压涡轮组成，均为轴流式涡轮，如图4所示。高压涡轮由53片高压涡轮工作叶片、高压涡轮盘、高压涡轮轴和高压涡轮导向器等组成。高压涡轮工作叶片为不带叶冠的长柄枞树型，由叶身和榫头组成。叶片与轮盘的连接方式采用枞树型榫头。高压涡轮盘与轴是一体的。低压涡轮由63片低压涡轮工作叶片、低压涡轮盘、低压涡轮轴及低压涡轮导向器等组成。低压涡轮叶片为带叶冠的长柄枞树型。

（5）动力涡轮及尾喷管

动力涡轮转子由与轴制成一体的轮盘和68个叶片组成（图5），动力涡轮盘和轴是一体的，叶片为带叶冠的长柄枞树型。动力涡轮导向器叶片为26片可调式叶片，其角度由导叶调节器控制，两端带有圆柱轴颈，分别安装在机匣内环和外环上。叶片的轴颈上压装有套筒，起到滑动轴承的作用，每个叶片就可控制转动。尾喷管将燃气导出，其上装有一个测量动力涡轮后燃气温度的热电偶，机匣下部设有3个漏油管，将沉积在底部的余油排出，如图6所示。

（6）减速器与附件传动装置

减速器用于降低动力涡轮输出转速，分三级减速，总传动比为8.45，如图7所示。附件传动装置由燃气发生器的高、低压转子驱动，分为中央传动、上传动、下传动和前传动。中央传动是高、低转子向上、下传动传输功率的中介；上传动由高压转子驱动，带动起动电机、燃油泵和计量装置、主滑油泵、转速传感器和油雾分离器；下传动带动前传动、增压泵、空气压缩机、起动发动机、柱塞泵和转速传感器；前传动由下传动驱动，带动前传动的离心叶轮。

3.特种车辆燃机部件特性分析

粒子分离器是特种车辆燃机的特殊部件，以X燃机粒子分离器为例，介绍部件特性分析研究途径。

3.1粒子分离器CFD建模（图8）

由于28个粒子分离管道是相同的，并且每个粒子分离管道内的结构相对比较复杂，完全模拟比较困难。CFD策略是将粒子分离器分成两个CFD模型，分别为粒子分离管道和集气室。首先CFD计算得到粒子分离管道的总压恢复系数，并获得粒子分离管道出口的总压。将粒子分离管道出口的总压设定为集气室进口的总压并进行CFD计算，得到集气室的总压恢复系数。

3.2粒子分离器特性分析

涡轮总压恢复系数为0.999，压力损失非常小。百叶窗管道的总压恢复系数为0.994，压力损失也比较小。集气室的总压恢复系数为0.967，压力损失比较大，这主要是因集气室内的结构比较复杂，空气流动也比较复杂，因此压力损失比较大。整合3个部件的总压恢复系数，得到粒子分离器的总压恢复系数为0.96，粒子分离器的总压损失将对整机性能产生一定影响。考虑到建模差别和CFD误差，确定粒子分离器的实际总压恢复系数为0.95。

3.3粒子分离器流场分析

粒子分离器分成了两个独立计算域进行CFD计算，涡轮和百叶窗管道分成一个计算域，集气箱划分成一个计算域。图9为涡轮不同叶高截面马赫数分布图，由于叶型比较简单，因此3个叶高截面的流动都不是特别理想，尤其是叶高80%截面叶背发生了较大的分离。图10为涡轮出口截面总压分布图，图中显示靠近叶背的区域发生了较大的分离，主要原因是叶型比较简单和叶尖稠度太小。图11为集气箱内部流线图，气流经由粒子分离器管道进入集气室，由于集气室壁面不规则，存在很多直角结构，使得集气室内的流动比较混乱，在一些区域出现了较大的涡。

结论

通过对X燃机粒子分离器及其他部件气动特性研究，得到以下结论：粒子分离器总压恢复系数为0.95；低压和高压压气机最高效率超过0.80，两个径向扩压器分离较严重；燃烧室总压恢复系数为0.96，设计状态点附近燃烧效率达到了0.99，燃烧室性能较高；高压涡轮最高效率0.87，低压涡轮最高效率达到了0.925，动力涡轮最高效率达到了0.91。

參考文献

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