盤直徑對(duì)特斯拉渦輪性能影響的數(shù)值研究

張晶輝 孫大鵬

摘要：特斯拉渦輪由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、效率較高而廣泛應(yīng)用于低功率的動(dòng)力輸出，本文數(shù)值研究了特斯拉渦輪內(nèi)部的流動(dòng)特點(diǎn)及性能，比較了不同盤直徑時(shí)流動(dòng)結(jié)構(gòu)和總體性能的差異，主要結(jié)論如下：增加圓盤直徑可引起氣流和圓盤的作用區(qū)域增大，有利于輸出扭矩和功率，同時(shí)氣體的切向速度和圓盤的旋轉(zhuǎn)速度之差減小，引起渦輪效率的增加。轉(zhuǎn)速為30000r/min，盤直徑為120mm時(shí)，特斯拉渦輪輸出功率可達(dá)1088.7W，效率達(dá)24.5%。

關(guān)鍵詞：盤直徑;特斯拉渦輪;流動(dòng)結(jié)構(gòu);性能;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TK14? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0011-02

0  引言

渦輪是能量輸出裝置，大功率渦輪主要用在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、地面燃?xì)廨啓C(jī)、艦船用燃?xì)廨啓C(jī)、水輪機(jī)等情況，在輸出功率小的場(chǎng)合，特斯拉渦輪適用于粘度較高、含有固體顆粒等復(fù)雜工質(zhì)的情況，如生物質(zhì)能源、化工、余熱利用的能量回收，也可用于地?zé)岚l(fā)電，其因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低越來(lái)越受到重視。彭迪等人[1]較全面介紹了特斯拉渦輪機(jī)的研究現(xiàn)狀，它利用流體的剪切力驅(qū)動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，沒(méi)有傳統(tǒng)渦輪機(jī)械的葉片，對(duì)加工精度的要求較低。清華大學(xué)的顧春偉等人[2]把特斯拉渦輪應(yīng)用于膨脹器中，認(rèn)為特斯拉渦輪機(jī)可以較好利用于小型有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。

本文利用數(shù)值模擬方法，研究了特斯拉渦輪的內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)及性能，分析了盤直徑對(duì)流場(chǎng)及性能的影響，以期對(duì)優(yōu)化特斯拉渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)、提高渦輪機(jī)性能和效率提供參考。

1? 研究對(duì)象

特斯拉渦輪結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖1，4個(gè)氣流入口均布在外機(jī)匣圓周上，入口為矩形，高2mm，寬8mm，氣流進(jìn)氣角度與切向的夾角為10°，沿軸向共有5個(gè)特斯拉圓盤，每個(gè)圓盤上有四個(gè)通氣孔沿周向均勻分布，特斯拉圓盤直徑D1=80mm、100mm、120mm，機(jī)匣內(nèi)徑D2=82mm、102mm、122mm，圓盤和外機(jī)匣的間距為1mm，盤厚1mm，盤間距為0.5mm，出氣通道的外徑54mm，內(nèi)徑28.4mm。

2? 數(shù)值方法及邊界條件

因?yàn)樘厮估瓬u輪模型為左右對(duì)稱且軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，提取模型的1/8扇形域?yàn)橛?jì)算域，周向選取90°，軸向選取1/2，見(jiàn)圖2所示。采用軟件ANSYS-CFX求解三維非定常黏性雷諾平均的N-S方程，選取切應(yīng)力輸運(yùn)湍流模型（SST模型），工質(zhì)為理想氣體。在圓盤和外機(jī)匣內(nèi)壁之間的中間半徑位置設(shè)置轉(zhuǎn)靜交界面，包含動(dòng)盤的為轉(zhuǎn)子域，包含進(jìn)口的為靜子域，交界面為凍結(jié)轉(zhuǎn)靜交界面。周向旋轉(zhuǎn)面為旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件，轉(zhuǎn)子域和靜子域的軸對(duì)稱面都為對(duì)稱邊界條件。氣流入口給定總壓Pt01=340000Pa，總溫T01=373K，湍流度為5%，出口給定平均靜壓101325Pa，參考?jí)毫?，渦輪盤的轉(zhuǎn)速ω=30000r/min。

3? 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

選取圖1中盤腔1中間截面的流場(chǎng)進(jìn)行分析，流線圖見(jiàn)圖3。氣流從入口流進(jìn)特斯拉渦輪盤腔內(nèi)，吹動(dòng)渦輪盤沿氣流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)向中心流動(dòng)并從通氣孔流向出口。不同盤直徑時(shí)，流線整體上是相似的。盤直徑較小的80mm時(shí)，氣流還未與盤充分摩擦做功就通過(guò)通氣孔流出，隨著半徑增大，氣流與盤作用的區(qū)域增大。

3.2 壓力分布

在盤面上沿徑向劃分成寬度為2mm的環(huán)形區(qū)域，計(jì)算各區(qū)域內(nèi)面積平均的靜壓系數(shù)沿徑向的分布，圖4為盤1右側(cè)壁面靜壓系數(shù)沿徑向的分布，其中Ps為靜壓，盤面上靜壓隨著半徑的增大而升高。盤直徑越大，氣流進(jìn)入盤腔內(nèi)的面積越大，速度較小，靜壓較高，盤徑向壓差越大。

3.3 速度分布

圖5為盤腔1中間截面的切向速度系數(shù)分布，切向速度系數(shù)定義為切向速度（Vtan）與當(dāng)?shù)匕霃轿恢玫男D(zhuǎn)速度（rω）之比。整個(gè)盤腔內(nèi)大部分區(qū)域的氣流切向速度大于當(dāng)?shù)氐男D(zhuǎn)速度。隨著盤直徑的增大，高切向速度系數(shù)的區(qū)域減小了，氣流可以較為均勻得帶動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.4 性能比較

不同盤直徑下氣體的質(zhì)量流量、扭矩、功率和效率見(jiàn)表1，表中的數(shù)值為全模型（8倍計(jì)算域）的結(jié)果，效率的定義為，其中Tq為扭矩，為質(zhì)量流量，Pt03為出口面積平均的總壓，cp為空氣的定壓比熱容，γ=1.4為多變指數(shù)。隨著盤直徑的增加，氣體流量基本不變，輸出扭矩增加，輸出功率增加，渦輪效率增加，主要得益于氣流對(duì)圓盤的作用區(qū)域增大。

4? 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬方法，研究了特斯拉渦輪的內(nèi)部流場(chǎng)特點(diǎn)及性能，得到的結(jié)論如下：盤直徑較大會(huì)引起氣流和圓盤的作用區(qū)域增大，有利于輸出扭矩和功率。盤腔內(nèi)大部分區(qū)域氣體的切向速度高于圓盤的旋轉(zhuǎn)速度，隨著盤直徑增大，氣體的切向速度和圓盤的旋轉(zhuǎn)速度之差減小，引起渦輪效率增加。轉(zhuǎn)速為30000r/min，盤直徑為120mm時(shí)，渦輪輸出功率為1088.7W，效率為24.5%。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭迪，袁成清，孫玉偉.特斯拉渦輪技術(shù)研究進(jìn)展綜述[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2020，42（2）：12-19.

[2]李海波，紀(jì)星星，李博，顧春偉.某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪設(shè)計(jì)與分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2013，34（04）：637-640.