摘　要：作為一種新型熱機(jī)，微小型燃?xì)廨啓C(jī)具有清潔、可靠、多用途等特點(diǎn)，近年來(lái)得到了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。介紹微小型燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)以微小型燃?xì)廨啓C(jī)為核心的分布式發(fā)電和車輛動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行研究，并展望微小型燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：微小型燃?xì)廨啓C(jī)；分布式發(fā)電；車輛；動(dòng)力

微小型燃?xì)廨啓C(jī)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種小型熱機(jī)，其單機(jī)功率在1000kW以內(nèi)。受技術(shù)、材料、加工手段等條件的制約，早期的微小型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展較為緩慢，存在制造復(fù)雜、壽命短、可靠性差、熱效率低、費(fèi)效比高等諸多缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了微小型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是小型回?zé)崞鞯膽?yīng)用，微小型燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)難度逐漸降低，與無(wú)回?zé)崞鞯膫鹘y(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)相比，其熱效率大幅提高，接近或者超過(guò)內(nèi)燃機(jī)水平。此外，隨著能源與動(dòng)力需求的全球化，特別是發(fā)電機(jī)組和車輛動(dòng)力環(huán)保要求的普及化，微小型燃?xì)廨啓C(jī)在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，微小型燃?xì)廨啓C(jī)在經(jīng)濟(jì)性、可靠性、維護(hù)性及排放性方面都有了較大的進(jìn)步。其具有體積小、質(zhì)量輕、噪聲低、排放低、適合多種燃料并且燃料消耗率低、維護(hù)費(fèi)用經(jīng)濟(jì)、不需冷卻液、可靠近終端用戶安裝等一系列優(yōu)勢(shì)，可以廣泛應(yīng)用于分布式發(fā)電及熱電聯(lián)供。同時(shí)，微小型燃?xì)廨啓C(jī)在軍民用交通運(yùn)輸?shù)确矫嬉簿哂幸欢▋?yōu)勢(shì)。目前，基于微小型燃?xì)廨啓C(jī)的分布式供能技術(shù)已被列入我國(guó)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》。

1 微小型燃?xì)廨啓C(jī)基本原理及結(jié)構(gòu)

微小型燃?xì)廨啓C(jī)的基本原理及結(jié)構(gòu)與大中型燃?xì)廨啓C(jī)一致，主要由壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、動(dòng)力渦輪等結(jié)構(gòu)組成。微小型燃?xì)廨啓C(jī)功率較低，如果單純采用簡(jiǎn)單循環(huán)會(huì)導(dǎo)致熱效率偏低。所以在微小型燃?xì)廨啓C(jī)中通常采用間冷、回?zé)?、補(bǔ)燃等復(fù)雜循環(huán)手段來(lái)提高整機(jī)性能水平。

1.1 基本原理

微小型燃?xì)廨啓C(jī)的基本原理如圖1所示?？諝庥蛇M(jìn)氣口吸入，經(jīng)低壓壓氣機(jī)壓縮、間冷器降溫后由高壓壓氣機(jī)壓縮，而后流過(guò)回?zé)崞鬟M(jìn)入燃燒室燃燒。高壓渦輪的高溫燃?xì)饪梢赃M(jìn)行補(bǔ)燃（二次燃燒），補(bǔ)燃后的氣體通過(guò)動(dòng)力渦輪對(duì)外做功，完成復(fù)雜循環(huán)過(guò)程。

間冷器的作用是降低進(jìn)入高壓壓氣機(jī)的空氣溫度，以降低壓氣機(jī)功耗；回?zé)崞鞯淖饔檬鞘惯M(jìn)入燃燒室的空氣溫度提高，以提高燃燒室效率；補(bǔ)燃的作用是充分利用高溫燃?xì)猓蛊溥M(jìn)行二次燃燒。采用上述3種方法，可以提高整機(jī)的熱效率。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

微小型燃?xì)廨啓C(jī)主要由燃?xì)獍l(fā)生器和動(dòng)力渦輪部件組成。其中燃?xì)獍l(fā)生器由壓氣機(jī)，環(huán)形燃燒室，渦輪構(gòu)成。某小型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

該機(jī)采用帶環(huán)形過(guò)濾網(wǎng)的環(huán)形進(jìn)氣機(jī)匣，壓氣機(jī)由4級(jí)軸流式壓氣機(jī)與單級(jí)離心式壓氣機(jī)共同組成，帶21根擴(kuò)壓管的燃?xì)獍l(fā)生器機(jī)匣、14個(gè)單路離心式噴嘴的環(huán)形回流燃燒室、單級(jí)壓氣機(jī)渦輪及其氣冷式整體鑄造導(dǎo)向器、2級(jí)動(dòng)力渦輪及單口徑向排氣蝸殼。

2 車輛用微小型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的重型車輛都是用柴油機(jī)作為動(dòng)力。20世紀(jì)50年代起，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)取代活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上使用。部分發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始對(duì)采用燃?xì)廨啓C(jī)作為重型軍事車輛動(dòng)力進(jìn)行研究，經(jīng)過(guò)幾十年的不斷改進(jìn)，美國(guó)和俄羅斯的技術(shù)最為先進(jìn)，產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用。

2.1 美國(guó)的車輛用燃?xì)廨啓C(jī)

1976年，美國(guó)陸軍在新一代XM-1主戰(zhàn)坦克上使用AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)作為其動(dòng)力裝置。1978年，開(kāi)始對(duì)AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)在XM-1上的應(yīng)用進(jìn)行可靠性、耐久性試驗(yàn)。1979年，美國(guó)國(guó)防部批準(zhǔn)生產(chǎn)XM-1型坦克試。目前，M1，M1A1和M1A2都以AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)為動(dòng)力，總數(shù)量已超過(guò)1萬(wàn)余臺(tái)。

AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)在高溫和沙漠地區(qū)表現(xiàn)出極高的可靠性和易維護(hù)性，出勤率也非常出色，沒(méi)有一臺(tái)需要更換備用發(fā)動(dòng)機(jī)，也沒(méi)有遇到任何維護(hù)問(wèn)題。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣干凈，不冒煙，噪音小。發(fā)動(dòng)機(jī)功率大、體積小、質(zhì)量輕，使車輛表現(xiàn)出極高的機(jī)動(dòng)性。參戰(zhàn)的1956輛M1A1僅4輛被摧毀、4輛被擊傷，無(wú)人員死亡。但在其使用中存在油耗偏高的缺點(diǎn)。

AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)的剖面見(jiàn)圖3。該燃?xì)廨啓C(jī)為三軸結(jié)構(gòu)：低壓轉(zhuǎn)子、高壓轉(zhuǎn)子和動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子。5級(jí)軸流式低壓壓氣機(jī)帶可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)流葉片；高壓壓氣機(jī)由4級(jí)軸流式壓氣機(jī)和單級(jí)離心式壓氣機(jī)組成；每個(gè)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子由單級(jí)渦輪帶動(dòng)，高壓渦輪導(dǎo)向葉片與工作葉片均為空心氣冷。2級(jí)動(dòng)力渦輪帶可變幾何進(jìn)口導(dǎo)流葉片，高壓壓氣機(jī)排出的空氣經(jīng)回?zé)崞鞅粍?dòng)力渦輪排出的燃?xì)饧訜岷笤龠M(jìn)入單管式燃燒室。燃?xì)廨啓C(jī)由全功能數(shù)字電子調(diào)節(jié)器自動(dòng)控制。

2.2 俄羅斯的車輛用燃?xì)廨啓C(jī)

俄羅斯于20世紀(jì)60年代開(kāi)始對(duì)車輛用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行研究。1979年，功率為735kW的簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)裝備于т-80上。1984年，功率為809kW的гтд-1100型燃?xì)廨啓C(jī)裝備于т-80Б上。1990年，功率為909kW的гтд-1250型燃?xì)廨啓C(jī)裝備于т-80у上。20世紀(jì)90年代，俄羅斯開(kāi)發(fā)了新一代гтд-1500型燃?xì)廨啓C(jī)，其包含回?zé)嵫b置及高效率壓氣機(jī)。與以前的型號(hào)相比，新型號(hào)體積更小，質(zhì)量更輕，同時(shí)油耗也有所降低。

гтд-1250型燃?xì)廨啓C(jī)的外形與結(jié)構(gòu)分別見(jiàn)圖4和圖5。該機(jī)為簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，低壓壓氣機(jī)與高壓壓氣機(jī)均為單級(jí)離心式，燃燒室為回流環(huán)形，高壓渦輪、低壓渦輪與動(dòng)力渦輪均為單級(jí)軸流式。

3 車輛用微小型燃?xì)廨啓C(jī)綜合分析

自從20世紀(jì)70年代末燃?xì)廨啓C(jī)開(kāi)始大規(guī)模裝備于軍用車輛以來(lái)，人們對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)是否適用于車輛動(dòng)力的爭(zhēng)論就從未停止?？梢哉f(shuō)自車用燃?xì)廨啓C(jī)誕生之日起，就一直在爭(zhēng)論中坎坷發(fā)展。

3.1 車用燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)點(diǎn)

總體看來(lái)，采用燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力的車輛具有很多優(yōu)點(diǎn)：1）加速性能好。燃?xì)廨啓C(jī)功率大，從空載到最大功率只需不到3s，將50余t車輛從零加速到30km/h只需要6s左右，比柴油機(jī)快2～3倍，極大地提高了車輛的機(jī)動(dòng)性與生存性。2）功率密度高。與同功率檔的柴油機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)的功率質(zhì)量比為1.360，而柴油機(jī)為0.566；燃?xì)廨啓C(jī)的體積功率比為0.00073，而柴油機(jī)為0.00096。在同等功率下，燃?xì)廨啓C(jī)可以做得更小更輕，以便車輛承擔(dān)更多負(fù)載或燃料。3）噪音低。柴油機(jī)工作時(shí)噪音大、顆粒污染物多，而燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度低、雜質(zhì)少、噪音低50%以上。同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)還具有啟動(dòng)方便、可以使用多種燃料、低轉(zhuǎn)速扭矩高等一系列優(yōu)點(diǎn)。

3.2 車用燃?xì)廨啓C(jī)的缺點(diǎn)

隨著新技術(shù)、新材料等的逐步應(yīng)用，車輛用燃?xì)廨啓C(jī)的早期缺點(diǎn)不斷改進(jìn)，但其仍存在空氣濾清量大、制造及使用成本高、沖擊負(fù)荷大、頻繁變換工況導(dǎo)致燃油消耗量大等問(wèn)題。

4 車用燃?xì)廨啓C(jī)燃油消耗量大的解決途徑

燃?xì)廨啓C(jī)在低工況燃油消耗量大是各功率檔燃?xì)廨啓C(jī)都存在的共性問(wèn)題，在此不做詳細(xì)討論，僅根據(jù)車用燃?xì)廨啓C(jī)的工作特性，提出一些解決辦法。

從同時(shí)具備間冷回?zé)岬膹?fù)雜循環(huán)燃機(jī)WR-21工作曲線可以看出，與同功率簡(jiǎn)單循環(huán)燃機(jī)相比，不僅其額定功率高，而且在大部分功率范圍內(nèi)具有較為平坦的耗油率曲線（在35%額定負(fù)荷下，其耗油率也接近額定負(fù)荷）。因此，采用復(fù)雜循環(huán)技術(shù)是提高燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要途徑。

AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)具有回?zé)嵫b置。按照車輛使用性質(zhì)，美國(guó)陸軍分別在公路、越野、怠速3種不同工況下對(duì)柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)。表1為該實(shí)驗(yàn)的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

來(lái)源于航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的LM2500燃?xì)廨啓C(jī)自誕生之日起，逐步采用各種最新技術(shù)，從最初的18MW到G4的33.4MW，LM2500燃機(jī)涵蓋了2個(gè)連續(xù)的功率等級(jí)，充分滿足了各類客戶的需求。可以認(rèn)為，LM2500燃機(jī)是世界上最成功和優(yōu)秀的燃?xì)廨啓C(jī)，其研制及發(fā)展歷程為我國(guó)大規(guī)模開(kāi)展燃機(jī)輪機(jī)研究提供了不可多得的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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(本文作者：沈燁 中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015)