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2024年4月推进技术Apr.2024

第45卷第4期JOURNALOFPROPULSIONTECHNOLOGYVol.45No.4

局部进气裂解油气向心涡轮气动性能分析*

王永杰，徐国强，于喜奎，董苯思1121

（1.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191；

2.沈阳飞机设计研究所，辽宁沈阳110035）

摘要：为解决低进气量条件下油气涡轮功率与效率提升困难的问题，本文结合裂解油气物性特

点，针对性地提出了局部进气裂解油气向心涡轮设计方案。通过数值仿真详细分析了向心式油气涡轮在

设计工况下的内部流动特征，并总结了非设计工况下轮周效率随压比、转速以及正癸烷裂解度的变化规

律与影响机制。仿真结果表明，本文所设计油气涡轮在0.5kg/s进气量条件下可实现38.8kW功率输出，

轮周效率为68%，能够满足油气涡轮气动设计需求。根据结果分析可知，随着压比的增大，轮周效率呈

现出先增大后减小的趋势：低压比条件下轮周效率增大主要与转子入口攻角损失有关；高压比条件下轮

周效率降低则主要是由于激波损失及其引发的附面层分离损失不断增大导致的。研究表明，轮周效率随

转速、裂解度发生变化时与转子入口攻角有直接关系，其中，油气工质裂解度每提高20%，涡轮轮周效

率可提高13%左右。

关键词：局部进气；油气涡轮；向心涡轮；涡轮发电；数值模拟

中图分类号：V19；TK14文献标识码：A文章编号：1001-4055（2024）04-2309019-09

DOI：10.13675/j.cnki.tjjs.2309019

油气涡轮发电是利用裂解油气推动涡轮部件转

1引言

动并带动发电机发电的一种发电技术，有望解决高

随着飞行速度的增加以及机载设备性能的提超声速飞行器面临的“少电”难题，为高超声速飞行

升，高超声速飞行器面临着严峻的“多热少电”的问器提供持续的电力供应。涡轮作为油气涡轮发电系

题。一方面，在高马赫数飞行过程中，高超声速飞行统的关键部件，其气动性能的好坏对于整个发电系

器会产生大量气动热、燃烧热以及设备散热，各部件统来说至关重要。与此同时，考虑到高超声速飞行

［1］

所处热环境十分恶劣，“多热”问题异常突出；另一器所携带燃料有限，结构尺寸受限且电量需求较大

方面，随着高超声速飞行器中集成大功率航电设备的特点，油气涡轮设计方案需要同时满足低进气量、

（包括大功率雷达、电磁及定向能武器等）的大量应高效率、结构紧凑的设计要求。近年来，科研人员从

用，尤其是对于远距离、长航时及多功能高超声速飞系统与部件的角度对油气涡轮展开了一系列的研

行器，发电装置需要满足大功率机载设备持续用电［2］

究。Chen等首次提出了适用于Ma=4~8的高超声

的需求，“少电”问题也异常严峻。但由于超燃冲压速飞行器油气涡轮供给系统并通过计算分析指出油

发动机中缺少旋转部件，直接使用转轴带动发电机气涡轮在达到马赫数6以后可以正常工作。Sforza［3］

发电的传统设计方案并不可行。因此，如何将多余在研究中提到了利用高温煤油蒸气作为循环工质，

的热量转化为电能以解决机载