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电动汽车微型燃气轮机增程器向心涡轮设计方法研究

李超 郭志平 郭浩

李超,郭志平,郭浩. 电动汽车微型燃气轮机增程器向心涡轮设计方法研究[J]. 机械科学与技术,2022,41(9):1442-1449 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200506
引用本文: 李超,郭志平,郭浩. 电动汽车微型燃气轮机增程器向心涡轮设计方法研究[J]. 机械科学与技术,2022,41(9):1442-1449 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200506
LI Chao, GUO Zhiping, GUO Hao. A Design Method of Radial Turbine for Ultra-micro Gas Turbine[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(9): 1442-1449. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200506
Citation: LI Chao, GUO Zhiping, GUO Hao. A Design Method of Radial Turbine for Ultra-micro Gas Turbine[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(9): 1442-1449. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200506

电动汽车微型燃气轮机增程器向心涡轮设计方法研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200506
基金项目: 内蒙古自治区自然科学基金重大项目(2017ZD02)与内蒙古自治区自然科学基金项目(2019MS07021)
详细信息
    作者简介:

    李超(1989−),博士研究生,研究方向为发动机工作过程,lichao8922@126.com

    通讯作者:

    郭志平,教授,博士生导师, 121375322@qq.com

  • 中图分类号: U469.7

A Design Method of Radial Turbine for Ultra-micro Gas Turbine

  • 摘要: 本文首先通过匹配计算确定了微型燃气轮机增程器的主要性能指标,并通过模型分析得到微型向心涡轮的设计参数;其次根据向心涡轮工作过程建立损失模型,将遗传算法融入设计方案,编制了设计流程和计算程序;最后依据设计结果完成了微型向心涡轮结构设计,并利用CFD方法进行数值模拟计算。仿真计算结果表明:所设计的微型向心涡轮的轮周效率、轴效率以及输出功率均达到了设计要求,同时内部流场模拟结果显示涡轮也具有较好的气动性能,说明所采用的设计方法是可靠的。
  • 图  1  微型燃气轮机增程器系统图

    图  2  带回热single spool Turboshaft燃气轮机热力循环模型

    图  3  向心涡轮工作过程焓熵图

    图  4  向心涡轮速度三角形图

    图  5  微型向心涡轮优化设计流程图

    图  6  微型向心涡轮二维子午流道图

    图  7  叶轮子午流道及三维造型图

    图  8  导叶子午流道及三维造型图

    图  9  微型向心涡轮三维模型

    图  10  网格无关性验证

    图  11  静叶三维网格图

    图  12  动叶三维网格图

    图  13  50%叶高处的流线图

    图  14  50%叶高处的压力云图

    图  15  50%叶高处的温度云图

    表  1  电动汽车增程器对比

    增程器 功率密度
    /(kW·kg−1
    燃料适应性 噪声/dB 成本
    MGT 0.48 ~ 0.80 广泛 <65
    ICE 0.16 ~ 0.45 单一 >90
    PEFC 0.50 ~ 0.90 单一 <45
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    表  2  北汽EV150电动汽车主要技术参数

    参数名称 数值
    整车总质量/kg 1300
    最高车速/ (km·h−1 120
    最大爬坡度/% 20
    0 ~ 50 km加速时间/s 5.3
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    表  3  微型燃机热力循环分析主要设计条件

    参数名称 取值
    空气质量流量/(kg·s−1 0.1
    压气机压比 3
    涡轮膨胀比 2.8
    压气机效率 0.85
    燃烧室效率 0.8
    回热器效率 0.7
    涡轮效率 0.82
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    表  4  微型燃气轮机各部件主要性能参数

    参数名称 取值
    整机输出功率/kW 20
    转速/(r·min−1 200000
    压气机功耗/kW 12.5
    涡轮输出功率/kW 34
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    表  5  微型向心涡轮主要初始热力设计参数

    参数名称 取值
    涡轮进口总温/K 1200
    涡轮进口总压/kPa 303.9
    涡轮出口静压/kPa 108.5
    工质流量/(kg·s−1 0.1
    转速/(r·min−1 200000
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    表  6  遗传算法主要运行参数

    参数名称 数值
    种群大小 100
    最大迭代数 500
    选择方式 Roulette wheel selection
    交叉概率 0.8
    变异概率 0.001
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    表  7  微型向心涡轮一维设计所得主要参数

    参数名及单位 数值
    导叶出口直径DN /mm 58
    叶轮进口直径D1 /mm 50
    叶轮出口轮缘直径D2W /mm 40
    叶轮出口轮毂直径D2n /mm 11
    叶轮入口叶片高l1 /mm 9
    叶轮叶片数 13
    叶片厚度/mm 1
    叶顶间隙/mm 0.02
    轮周效率/% 93
    轴效率/% 80.8
    涡轮输出功率/kW 33.7
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    表  8  主要性能参数模拟值与一维设计值对比

    参数名称 模拟计算结果 一维设计结果 偏差
    轮周效率 89.5% 93% 3.7%
    涡轮输出功率 33.4 kW 33.7 kW 1.5%
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  • 收稿日期:  2021-01-10
  • 刊出日期:  2022-09-05

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