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国家973计划课题“微型能源动力系统的设计与系统集成”简介(上)
发稿时间:2014-11-20         作者:孔文俊          来源:燃气轮机实验室     【字号:

  自电池发明以来,电气设备的小型化和便携化发展迅速,从民用的手机、笔记本电脑,到军用的无人驾驶飞机和通讯器材,几乎所有的便携式电气设备都靠电池提供动力。电池虽然形式多样,使用简便,但由于蓄电量有限、能量密度低、体积大、单位体积重量大,必须经常更换或充电来维持电子设备工作,在能源供应的持久性和连续性方面受到一定限制。此外,从生产和回收的角度看,使用电池也是不经济的。据估算,制造一个电池所消耗的能量,要比电池本身所提供的能量大2000倍。如果再考虑到处理废旧电池所消耗的能量,那么使用电池的成本就更高了。为了解决这一难题,从上世纪九十年代起,世界各国的研究者提出了利用传统碳氢燃料的微型能源动力系统。典型碳氢燃料的能量密度可达50KJ/g,是目前最先进可充电电池的100倍左右,且此类系统燃料补充迅速,易于更换。

  近二十年来,基于使用传统碳氢燃料的微型能源动力系统的研究十分活跃,科研人员相继研究出了不同类型的微型能源动力系统,一类是微型热机系统,采用微型化的燃气轮机和内燃机产生能源、动力;另一类是微型反应器系统,利用热电和热光伏效应,将燃烧产生的热直接转化为电。

  一、微型热机系统

  对于微型热机来说,从循环方面考虑,不仅有Brayton循环,可供选择的还包括Rankine循环、Stirling循环和Otto循环等。

  Brayton循环的主要优点是结构简单(只有转子这一个运动部件),功率密度高(单位面积的质量流率高),可获得压缩空气用于冷却等。主要的不足是部件最小效率(一般是40~50%)必须满足循环能自维持,同时还要有净功输出。对于微型能源动力系统,这是一种多学科的综合性挑战,尤其对于微制造技术,非常重要。从这方面看,Brayton循环具有很大的吸引力。美国麻省理工学院于上世纪九十年代首次提出了采用传统碳氢燃料的微型燃气轮机系统。该微型燃气轮机系统采用Brayton循环,为使系统具有高的功率密度,要求燃烧室排气温度尽可能高(1400-1800K),且压比要大于2,最好能大于4。图1为氢燃料燃气轮机简单循环的热力计算结果,从图1可以看出,1mm2的吸入面积下,可以产生几十瓦的输出轴功。

 

  1 氢燃料燃气轮机简单循环性能图 

  对燃气轮机这类旋转机械,其功率密度和转子应力与周向速度的平方成比例,因此高功率密度必然是大应力转子结构。周向速度如果为300-600m/s,对离心压气机,其压比要求达到2:1-5:1,这意味着转子的离心应力将具有几百MPa。如果转子直径只有几毫米,要求转速达到每分钟1-3百万转,这要求轴承摩擦低。同时高速旋转机械也要求精密制造,以保证间隙公差和动平衡要求。对毫米级大小的机械设备要有米级大小设备的精度,几何公差上要求具有微米量级。 

  从上述热力学角度考虑,尺寸减小后循环并没有发生实质性改变,但从力学角度看,无论是结构力学、流体力学还是机电学,尺寸改变后将发生显著的变化,尺度减小后设备的性能将以特征尺度1000倍的因子减小。 

  从结构力学看,材料性质与尺度相关,目前只有少数几种材料可以用于微加工技术中,如硅、碳化硅和砷化镓等,对于高速旋转机械更是如此,微尺度下,硅和碳化硅比常规经常使用的钢、钛基和镍基高温合金都要优越。硅和碳化硅在常规尺度的大型旋转机械中并不采用,因为其易脆而损坏,但在微尺度加工中则是理想材料。微加工中除考虑离心应力外,还要考虑热冲击,例如对于高温陶瓷能耐很高温,微尺度下离心应力也很高,但在热冲击下易脆,所以也不能用于微尺度加工。 

  从流体力学看,尺度变化对其影响也很大,在小尺度下粘性力变得更重要。压比2-4意味着处于高超声速或高亚音速区,例如对于叶片弦长几毫米,在室温下工作的压气机其雷诺数是几万。而对于高温下工作的透平,其雷诺数只有几千。这与常规大型旋转机械中雷诺数范围为105-106相比是个很小值,粘性损失也相应增大。但在高速旋转机械中,粘性损失大约是总流体损失的三分之一,因此微型化后设备效率随尺寸减小的程度并不剧烈。粘性力的增大也意味着小的间歇和旋转轮盘上流体阻力相对增大了。对于流体通道大于1微米的情形,都可以作为连续流动考虑,此时努森(Knudsen)数可以不考虑。传热是微尺度设备中流体力学改变的另一个表现,如果流体的温度和速度相同,但粘性力增大了,传热系数也将增大。不仅传热增大,尺度变小后导热也增大,因此温度梯度将减小,这有助于减小热应力,但却给隔热带来了挑战。 

  从制造方面看,目前的微加工技术采用了与生产大规模集成电路相似的技术,但其加工能力受到极大的限制,能加工的几何形状及其有限。主要的微加工工具是光刻定义的平面几何形状蚀刻法,这导致加工出来的形状主要是柱形或者层压。理论上三维形状可以由多个精确排列的二维层板构成,因此,一般由多层硅片或者碳化硅片组成,在真空下层压成型。因此对于复杂的旋转叶轮机械叶片加工带来了困难。图2为在硅片上采用深反应离子刻蚀法加工技术获得的向心透平,该透平转子直径4mm,在叶尖速度为500m/s下设计输出机械功60W,叶型高度为200微米,其中心的柱形结构为轴向气动轴承的推力衬垫。转子和静叶之间的间隙为15微米的气体轴承,要求能承载径向载荷。转子叶片尾缘为25微米厚,叶根有半径10微米的内圆角以减轻应力。图2中,叶型看起来像平面型,实际上从轮毂到叶尖是锥形的,锥度为3050,具有正、负梯度。叶片高度为蚀刻率(大约每分钟3微米)。压气机叶片具有类似几何结构,叶高为400微米。 

 

  2 转子直径为4mm的径向透平 

  上述描述的是采用半导体加工技术(MEMS)制作微尺度动力系统的过程,当系统尺度增大到厘米量级,可采用其他的加工技术来制作微型动力系统,包括精密制造技术等。 

  通过上述设计、加工等方面的考虑, Epstein等人于1996年完成了微型燃气轮机系统设计,如图3所示。 

 

  3 MIT研制的微型燃气轮机 

  该微型燃气轮机为单轴布局,采用离心压气机和向心透平,气动轴承支撑,压气机和透平采用空心轴连接;透平转子叶尖速度500m/s,绝热压比为4,带启动电机;采用氢燃料预混燃烧,设计了火焰稳定器,燃烧为贫燃,当量比为0.3-0.4,燃烧室出口温度1600K;透平采用碳化硅,设计中采用高的透平进口温度,在单位空气流量下获得最多的功;转子直径4mm,空气流量0.15g/s,转速2.4M rpm,输出功1020W。整个发动机为8片晶片制作,并层压成型。 

  此外,日本还研制了微型燃气轮机,如图4所示,其外形尺寸为直径10cm,长15cm。它由直径16mm的压气机、直径17.4mm的透平、环形燃烧室和永磁电机组成。压气机和透平由直径8mm的镍基高温合金作连接轴。转子重量约为37克,工作转速为360000rpm,透平进口温度为800-900℃。该微小型燃气轮机采用精密制造加工技术,其研制成功开辟了微小型热机在便携式设备中的应用之门。 

 

  4 日本研制的微小尺度燃气轮机发动机 

 
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