一种超高速特斯拉涡轮式煤油发电机的研究

孙东宁，刘会祥，朱 熠，夏银亮，李 娜

（1.北京精密机电控制设备研究所，北京，100076;2.航天伺服驱动与传动技术实验室，北京，100076）

0 引 言

引流高压煤油伺服电源利用引流发动机的高压煤油做功，带动高速发电机进行发电，在电源管理模块的调控下为发动机摇摆采用的电静压伺服系统进行供电。本文提出一种超高速特斯拉涡轮式煤油发电机方案[1]，采用引流火箭发动机高压煤油作用在特斯拉涡轮转子叶片上，将流体作用于叶片的流体剪切力转化为向外输出的旋转机械能，驱动发电机同步旋转进行发电。

特斯拉涡轮机的原理是流体的边界层效应（Boundary Layer Effect），流体受黏滞力影响，会在管壁或者其它物体边缘形成一层很薄的边界层，在边界层内，固定表面的流速为0，离表面越远速度越大[2]。利用这个效应就可以让高速运动的流体带动一组圆盘转动，它的效率比普通的叶片涡轮机高得多。特斯拉涡轮[3]的一组薄板圆盘安装在涡轮内套的轴进行旋转，高速的蒸汽进入在薄板圆盘边缘，蒸汽流动状态是向内自由涡旋路径，最终在中心排气口流出。除与蒸汽压力及流速、流量有关外，还取决于流体粘附和粘度性质。

其中，佛罗伦萨大学能源工程部提出了一种应用于有机朗肯循环的特斯拉涡轮设计和优化方法[4]，可用于小微发电系统。在有机朗肯循环应用程序中，低成本组件对于开发剩余压降非常有吸引力，在研究中通过评估各部件的损耗，并引入一个创新的转子模型，实现了一种全程优化方法。另外，涡轮圆盘的形变问题已被部分解决，主要是新材料的应用，如使用碳纤维来制造涡轮盘。一个很好的例子是PNGinc 公司和国际涡轮与动力有限公司都在他们的特斯拉涡轮设计中用到了碳纤维材料。目前，中国高校对特斯拉涡轮做了一些相关研究，例如安徽理工大学黄绍服教授，依据特斯拉涡轮机原理，设计了一种电极转速可调电加工装置[5]，通过调节电极转速及管电极末端出口工作液压力，实现电极转速可调电加工。

1 特斯拉涡轮式煤油发电机结构与工作原理

超高速特斯拉涡轮式煤油发电机是由特斯拉涡轮、高速发电机、大流量过滤器及导管组件等组成，见图1。

图1 特斯拉涡轮式煤油发电机外形示意Fig.1 Outline Drawing of Tesla Turbine Kerosene Generator

由火箭发动机引流的高压高速煤油驱使特斯拉涡轮的转子高速旋转，使其带动高速发电机进行同步旋转做功，产生的电能通过电连接器向外输送，通过转速传感器实现对发电机转速的监测。通过导管组件中的阻尼结构将引流高压煤油转换成低压煤油对后侧轴承润滑冷却，另外特斯拉涡轮做功后的煤油，同时实现对发电机前侧轴承的润滑冷却。整个发电机装置不消耗煤油，利用完的煤油经大流量过滤器过滤后，回到煤油发动机进行二次循环利用。装置部组件壳体之间的连接采用螺钉连接，密封结构采用机械密封、端面密封以及径向密封，对外流体接口只有引流煤油入口和过滤器出口，密封结构可靠，整体结构紧凑。

图2 为特斯拉涡轮式煤油发电机剖视图。引流的高压煤油经引流管接嘴入口进入特斯拉涡轮壳体内部，驱动特斯拉涡轮转子组件高速旋转。而用于驱使特斯拉涡轮旋转做功的煤油，一部分可以对发电机前侧轴承进行润滑冷却，另一部分直接经过滤器出口回收。位于管接嘴处的导管组件作用是将引流的高压煤进行降压后对发电机后侧轴承进行润滑冷却，之后油液经发电机壳体内部油道流入大流量过滤器进行过滤后经出口回收，同时也起到对发电机的冷却。

图2 特斯拉涡轮式煤油发电机剖面示意Fig.2 Cross-sectional View of Tesla Turbine Kerosene Generator

为减少内部油液对发电机的影响并提高效率，在发电机两侧端盖转子轴承支撑部位内侧加装机械密封，将外部煤油与发电机转子定子围成的容腔进行隔离。

图3 为特斯拉涡轮转子组件结构示意。特斯拉涡轮的转子组件通过多个转子叶片叠放而成，相邻转子叶片间加装调整垫片用于调整间距。为增强特斯拉涡轮转子叶片的强度，在转子叶片靠近边缘处、沿圆周均匀设置轴向通孔，该轴向通孔中加装连接销钉。在轴与叶片组件、调整垫片和连接销钉组合体安装的圆周接触面进行滚花处理，采用过盈压装的方式将叶片组件与轴肩贴合装配，叶片组件另一侧采用轴套与泵轴过盈压装进行定位。同时，在转子叶片靠近根部位置径向开有出油孔，将引流做功完的煤油从该处喷出，一侧对发电机前侧轴承润滑冷却（经内部流道流入过滤器），一侧直接流入过滤器内部。三路油液（包括对后侧轴承润滑冷却油液）最终都汇入大流量过滤器内，对其进行过滤后循环使用。表1 为发电机的基本参数。

图3 特斯拉涡轮转子组件结构示意Fig.3 Structure Diagram of Tesla Turbine Rotor Component

表1 发电机基本参数Tab.1 Basic Parameters of Electric Generator

2 特斯拉涡轮式煤油发电机仿真计算

2.1 特斯拉涡轮转子受力计算

特斯拉涡轮转子主要是运用流体的边界层效应而工作的，边界层厚度δ与流体的运动粘度υ以及边界层所在位置的坐标χ的平方根成正比和势流速度v的平方根成反比。即流体越粘稠，势流速度越小，边界层越厚。

根据平板边界层厚度计算公式：

式中v∞为势流速度（m/s）；v为运动粘度（m2/s）；x为边界层所在位置坐标（m）。

经计算边界层的厚度为

有研究学者研究发现[6]，对于一个有效的特斯拉涡轮，要对转子叶片内外径比K，及叶片数a进行控制，要求K=D/d＞0.5，经验证该取值满足要求。转子基本参数如表2 所示。

表2 转子基本参数Tab.2 Basic Parameters of Rotor

2.2 流场仿真计算

对于特斯拉涡轮转子流域仿真计算，国外研究学者做了相关的研究[7]，特斯拉的涡轮机采用有机液体通过内部二维代码开发的EES 环境和计算流体力学商业软件的模拟运行，比较性能预测，以及评估的主要流动特征。采用Ansys Fluent 19.1 软件并基于可压缩雷诺平均纳维-斯托克斯方程对实际气体流经特斯拉的转子涡轮采用三维CFD 模拟，对R404a、R134a 和R245fa 3 种工质进行分析，以确定相关因素性能参数。

对特斯拉涡轮转子流场区域进行三维建模，运用ANSYS CFX 流场仿真软件对其进行流场仿真计算，网格采用ICEM 结构化网格。为了减少流场仿真的计算量，转子流场模型的叶片数为5，如图4 所示。

图4 三维转子流域仿真模型Fig.4 Simulation Model of 3D Rotor Drainage Area

边界条件设置：

a）进口设置压力入口（矩形喷嘴处）：总压32 MPa；

b）出口设置（圆柱喷嘴处）：自由出流；

c）叶片与流域接触面：wall；

d）进出口与叶片间流域接触面：interface。

经过软件计算及后处理，可以得到特斯拉涡轮转子流场区域的流场速度矢量云图，如图5 所示。

图5 转子流域速度矢量云图Fig.5 Velocity Vector Nephogram of Rotor Drainage Area

由图5 可以看出，流体经入口喷射进入叶片之间的间隙，在内部做旋转运动，最终汇集于轴中心处，由位于中心处的排油孔排出。最大速度位于喷嘴与叶片接触处（射入叶片间隙速度），其值为224.9 m/s（喷射速度）。而此时叶片外缘实际旋转切线速度经计算为

式中ω为角速度（rad/s）；τ为扭矩（N·m）。

符合驱动其转动的条件。

经过计算得到转子流场区域总压云图，见图6。

图6 转子流域总压云图Fig.6 Total Pressure Nephogram of Rotor Drainage Area

由图6 可以看出，入口处的总压大约为32 MPa，出口处的总压大约为5 MPa。同时结合图5 计算得出入口流量为70 L/min。

经计算得出：进出口压差为27 MPa，流体做功功率为31.5 kW，经仿真计算得出转子的输出扭矩τ=2.32 N·m。

则对应的转子输出的功率为

从仿真结果看，转子出油孔处油液的压力为5 MPa，流速约为100 m/s，为具有一定的压力和流量的流体，可以实现对发电机前后轴承润滑冷却及发电机本身的散热。经计算，得出特斯拉涡轮转子由高压煤油转换而来的机械能的效率为53%左右。

后经验证，可以通过增加叶片数，实现功率输出等级的增加。如果要实现输出功率30 kW 的电能，另外考虑多方面的因素，则至少需要20 个叶片。

2.3 发电机仿真计算

利用Ansoft 软件对发电机空载进行有限元分析，得出发电机空载直流电压波形如图7 所示。从图可以看出，通过电路模型中电压表（IVoltmeter84）测得直流侧输出电压（NodeVoltage）均方根值（rms）的大小为355.67 V。

图7 发电机空载直流电压波形Fig.7 No-live Load DC Voltage Waveform of Generator

另外，同样对发电机负载进行有限元分析，永磁同步发电机转速为70 000 r/min，三相输出经整流后接纯电阻负载（R=2.5 Ω）时直流电压波形如图8 所示。

图8 发电机带载直流电压波形示意Fig.8 Loading DC Voltage Waveform of Generator

从图8 中可以看出，通过电路模型中电压表（IVoltmeter84）测得直流侧输出电压（NodeVoltage）均方根值为259.78 V；电流表（VAmmeter85）测得直流侧输出电流（Brach Current）的均方根值为103.91 A。

由空载和负载的仿真结果可知，由于发电机磁场受到电枢反应的影响，其产生的三相感应电动势不是正弦的，存在各次谐波电动势。故可将Uz与相电压UP之间的关系等效为

式中δ为变换系数；2.34δ为整流因数。

经仿真计算得出电机负载性能仿真结果见表3。

表3 仿真计算结果Tab.3 Simulation Results

由表3 中发电机在带载条件下的数据结果可以看出，满足设计指标要求。

2.4 发电机转子轴系动力学分析

运用Matlab 软件对发电机转子组件（包括泵组件及发电机转子）进行了临界转速计算，计算模型见图9。

图9 发电机转子组件仿真模型Fig.9 Simulation Model of Generator Rotor Component

在结构设计中选择角接触轴承，经计算：一阶临界转速为 107 970 r/min，二阶临界转速为155 730 r/min，三阶临界转速为461 330 r/min。

从整机结构要求来看，一阶转速内已完全满足转速设计要求。其中，轴结构振型图如图10 所示。

图10 一阶转速轴系结构振型Fig.10 Shafting Mode of First-order Rotational Speed

从图10 中可以看出，振型幅度较大的地方位于叶片转子悬臂轴端一侧，在轴承位置（轴向距离50 mm、190 mm 处）振型幅度为0。

另外，运用Ansys 仿真软件中静力学模块，对发电机转子部分进行动力学分析[8]，对轴系两处轴承安装面设置为圆柱支撑，对整个轴系加载转速70 000 r/min，其轴系形变云图如图11 所示。

从图11 可以得出，轴系最大形变值为0.0042 mm，位于泵转子叶片外缘处，证实发电机转子组件能够符合转速要求。

图11 发电机转子组件形变云图Fig.11 Deformation Nephogram of Generator Rotor Component

3 结 论

本文针对一种超高速特斯拉涡轮式煤油发电机的结构及工作原理进行了论述，运用理论计算方法和仿真计算方法，得到了以下结论：

a）该超高速特斯拉涡轮式煤油发电机结构设计合理，通过直接引流火箭发动机高压高速煤油，可实现向电能的转换和输出，并能实现工作介质循环利用和节能环保。

b）分别对特斯拉涡轮转子流域流场进行仿真及发电机负载及空载有限元分析，得出特斯拉涡轮转子流域压力分布云图及速度矢量云图、输出功率、扭矩等参数以及发电机对应工况下的性能参数值、转子组件临界转速及最大形变量，其结果符合设计要求。

该方案可以较好地利用火箭发动机所具有的先决条件，完成能量的转换，并且为超高速煤油发电机的方案设计提供了一个思路。但相对于气体作为工作介质，其效率还不容乐观，尤其是高速高压煤油经喷嘴进入到特斯拉涡轮转子流域对转子机械性能考验及流体所呈现的复杂形态还有待进一步细化研究，并结合实物进行试验验证。

后续将对高压高速煤油介质在特斯拉涡轮转子流域内的流体特性进行深入研究分析，并对发电机结构进一步优化，使其最大可能地发挥实现高转速的优势，提高比功率。