渦輪增壓器壓氣機性能優(yōu)化設(shè)計研究

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1、渦輪增壓器壓氣機性能優(yōu)化設(shè)計研究 渦輪增壓器壓氣機性能優(yōu)化設(shè)計研究 2019/06/30 摘要：從葉輪、擴壓器、葉輪與壓殼間隙３個方面對壓氣機性能進行了優(yōu)化設(shè)計、計算與試驗研究，結(jié)果表明，徑斜流式葉輪壓氣機較徑流式葉輪壓氣機效率更高，弧形出口擴壓器壓氣機較平行直面出口壓氣機壓比和效率更高，減少壓氣機葉輪與壓殼間隙可改善壓氣機性能，同時減小增壓器葉輪與壓殼間隙和渦輪與渦輪殼間隙，可以改善增壓器與發(fā)動機的匹配性能。 關(guān)鍵詞：渦輪增壓器；壓氣機性能；優(yōu)化設(shè)

2、計；葉輪；擴壓器；間隙 引言 渦輪增壓器（以下簡稱“增壓器”）可以提高發(fā)動機動力性，改善燃油經(jīng)濟性，降低排放、噪聲和實現(xiàn)高原功率恢復(fù)。離心壓氣機（以下簡稱“壓氣機”）是增壓器的重要組成部件，其參數(shù)設(shè)計和性能匹配直接影響增壓器及發(fā)動機性能。國內(nèi)對壓氣機性能開展的研究很多，張虹等研究了壓氣機葉輪幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法，分析了幾何參數(shù)對壓氣機性能的影響，建立了壓氣機設(shè)計系統(tǒng)幾何參數(shù)的優(yōu)化策略［１］；彭森等研究了前傾角對壓氣機性能的影響，發(fā)現(xiàn)在相同流量情況下，隨前傾角的增大，葉輪壓比下降，合適的前傾角有利于擴大壓氣機工作范圍，改善流道內(nèi)的流動，提高等熵效率［２］；梁曉瑜

3、等采用ＣＦＤ軟件分析了壓氣機的內(nèi)部流動情況，對葉輪長短葉片的凹凸面進行了速度場和壓力場的計算分析［３］；張希以１．５Ｌ缸內(nèi)直噴（ＧＤＩ）汽油機為背景，開展了壓氣機的設(shè)計與優(yōu)化，研究了壓氣機進出口幾何參數(shù)對壓氣機不同工況性能的影響，發(fā)現(xiàn)葉輪進口相對直徑、進口葉尖角、出口相對寬度以及出口后彎角是影響壓氣機性能的主要參數(shù)，其中葉輪進口直徑和進口葉尖角對壓氣機的壓比和效率影響較大，葉輪進口直徑對喘振邊界影響較大，葉輪出口寬度和后彎角對堵塞邊界影響較大［４］；周成堯等研究分析了壓氣機葉輪進出口速度三角形、壓氣機結(jié)構(gòu)參數(shù)、幾何參數(shù)等對增壓器壓氣機空氣動力學(xué)性能的影響，并對各參數(shù)的經(jīng)驗設(shè)計值進行了總結(jié)［５］

4、。壓氣機主要由進氣道、葉輪、擴壓器、集氣器（壓氣機蝸殼）組成，通過對空氣做功，引導(dǎo)氣流更好的進入工作葉輪。擴壓器的作用是對經(jīng)葉輪壓縮后的空氣進一步壓縮。壓氣機蝸殼的作用是進一步將空氣的動能轉(zhuǎn)換為壓力能。壓氣機的每一個部分及葉輪與壓殼之間的間隙都對壓氣機性能有重要影響，其中葉輪、擴壓器、壓氣機蝸殼對壓氣機性能影響相對較大些。 １葉輪優(yōu)化設(shè)計 葉輪的作用是將旋轉(zhuǎn)葉輪吸收的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Γ▌菽埽┘八俣龋▌幽埽，F(xiàn)有壓氣機葉輪出口結(jié)構(gòu)普遍為徑流式見圖１，將葉輪出口結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計成徑斜流式見圖２，可降低空氣在葉輪出口處的氣流流動損失。徑斜流壓氣機葉輪其葉輪出口采用斜流和徑

5、流相結(jié)合，葉輪斜流出口斜邊與徑流出口邊線的相交處采用圓弧過渡，以減少相交處應(yīng)力集中。斜流出口可以改善因葉輪輪緣曲率太大而導(dǎo)致的葉輪出口展向流場分布不均勻的狀態(tài)，徑流出口可以平衡因斜流出口設(shè)置不當(dāng)而導(dǎo)致的擴壓器入口輪轂處出現(xiàn)回流的情況。通過斜流出口與徑流出口的有效組合，可明顯改善葉輪輪轂和輪緣兩側(cè)的流場，使無葉擴壓器入口流場分布更理想，可提高壓氣機效率和流量范圍［６］。在某型發(fā)動機增壓器上，對２種葉輪進行性能模擬仿真計算。結(jié)論表明：葉輪直徑相同時，各種轉(zhuǎn)速工況下徑流葉輪壓比較徑斜流葉輪略高；而徑斜流葉輪效率較徑流葉輪略高，在中、小流量時高約２％。對２種葉輪進行流場分析，在小流量近喘振點工況，徑流

6、葉輪的輪緣一側(cè)出現(xiàn)了較大范圍的回流，徑斜流葉輪回流較小，如圖３所示，徑流葉輪熵值較大，能量損失較大，而徑斜流葉輪熵值較小，能量損失較小，如圖４所示；在最高效率點附近工況，靠近輪轂一側(cè)徑斜流葉輪在出口處熵值較徑流葉輪??；在大流量堵塞工況點，徑斜流葉輪效率值下降較慢，效率值要比徑流葉輪略高。 ２擴壓器優(yōu)化設(shè)計 擴壓器的作用是將從葉輪出來的高速空氣的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，由壓氣機蝸殼和背盤的兩平行壁面組成。將擴壓器的出口由平行直面改成弧形面，如圖５所示，可減少氣流流動損失，提高壓氣機的工作效率。對２種壓氣機進行性能仿真對比計算，結(jié)果表明２種壓氣機流線形狀較為相似，僅在擴壓

7、器下端壁與壓殼聯(lián)接的拐角處有些區(qū)別，平行直面出口擴壓器壓氣機內(nèi)存在較小范圍的回流，如圖６所示，導(dǎo)致了少量的能量損失，使壓比和效率降低，弧形出口擴壓器壓氣機其壓比和效率均有增加，壓比增加約０．５％，效率增加約０．５％。 ３葉輪與壓殼間隙優(yōu)化設(shè)計 增壓器小型化后，葉輪與壓殼間隙占據(jù)葉高比重增大，而間隙增大，流體泄漏損失增加，使得對壓氣機性能的影響變得更加突出。葉輪與壓殼間隙分徑向間隙、軸向間隙２種，間隙大小對壓氣機性能有較大影響，其中軸向間隙影響更大。對某一小型增壓器壓氣機進行性能仿真計算，在保持徑向間隙０．４０ｍｍ的情況下，當(dāng)軸向間隙由０．４０ｍｍ變?yōu)椋蔼保罚埃恚?/p>

8、時，壓氣機效率降低２％左右［７］。因此，減少壓氣機葉輪與壓殼間隙可改善壓氣機性能。為驗證增壓器間隙對增壓器與發(fā)動機匹配性能的影響，在某２．２Ｌ增壓中冷國Ⅴ柴油機上進行試驗研究，發(fā)動機主要結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)如表１所示。增壓器方案Ａ為正常間隙的增壓器，方案Ｂ為壓端（即葉輪與壓殼）間隙和渦端（即渦輪與渦輪殼）間隙均減少０．１５ｍｍ的增壓器。為更加凸顯增壓器間隙對增壓器匹配發(fā)動機性能的影響，同時對壓端和渦端間隙進行了設(shè)計改進。在相同試驗條件下，方案Ａ和方案Ｂ增壓器與發(fā)動機進行匹配試驗，發(fā)動機主要性能指標對比如圖７～１２所示（由于試驗的特殊性，橫坐標僅指各工況點）。從圖７可看出，方案Ｂ較方案Ａ扭矩大。在整條

9、外特性扭矩曲線上，方案Ｂ較方案Ａ平均高１０％（即２Ｎｍ），最大提高１．９％（即４Ｎｍ）。從圖８可看出，方案Ｂ的外特性燃油消耗率較方案Ａ的低，平均降低０７％（即１．６ｇ／（ｋＷｈ）），最多降低了２．５％（即５．２ｇ／（ｋＷｈ））。的中冷前壓力相同，但在外特性其它轉(zhuǎn)速點，方案Ｂ的中冷前壓力較方案Ａ的高，平均高６．０％（即４ｋＰａ），最大高１３．０％（即１０．８ｋＰａ），優(yōu)勢明顯。從圖１０可看出，方案Ｂ的外特性進氣流量較方案Ａ大，平均增大２．６％（即５ｋｇ／ｈ）。從圖１１可看出，方案Ｂ的外特性空燃比較方案Ａ高，平均高０．６。從圖１２可看出，方案Ｂ的外特性壓氣機效率較方案Ａ高，平均高２．０％。綜上

10、所述，在相同試驗邊界條件下，將增壓器由方案Ａ正常間隙增壓器改為方案Ｂ小間隙增壓器，發(fā)動機的扭矩變大，燃油消耗率降低，中冷前壓力變高、進氣流量變大，空燃比變高，壓氣機效率變高，性能改善明顯。 ４結(jié)束語 ａ．壓氣機葉輪出口結(jié)構(gòu)由徑流式改成徑斜流式，可明顯改善葉輪輪轂和輪緣兩側(cè)的流場，使無葉擴壓器入口流場分布更理想，可提高壓氣機的效率和流量范圍。ｂ．將擴壓器的出口結(jié)構(gòu)由平行直面改成弧形面，可減少氣流流動損失，提高壓氣機的工作效率。ｃ．減少壓氣機葉輪與壓殼的間隙可提高壓氣機效率，改善壓氣機性能。ｄ．減小增壓器間隙，可改善增壓器與發(fā)動機的匹配性能，提高發(fā)動機的扭矩、降低發(fā)

11、動機燃油消耗率、提高增壓器增壓壓力和進氣流量、提高壓氣機效率。 參考文獻： ［１］張虹，馬朝臣．車用渦輪增壓器壓氣機葉輪幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和性能分析［Ｊ］．北京理工大學(xué)學(xué)報，２００５（１）：２２－２６． ［２］彭森，楊策，馬朝臣，等．前傾角對離心壓氣機葉輪性能的影響［Ｊ］．清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），２００５（２）：１９－２３． ［３］梁曉瑜，畢玉華，申立中．渦輪增壓器壓氣機內(nèi)部流場的ＣＦＤ分析［Ｊ］．小型內(nèi)燃機與摩托車，２００７（５）：１２－２４． ［４］張希．車用渦輪增壓器離心壓氣機氣動優(yōu)化設(shè)計［Ｄ］．北京：北京理工大學(xué)，２０１１． ［５］周成堯，胡遼平，楊國旗，等．渦輪增壓器壓氣機空氣動力學(xué)性能設(shè)計［Ｊ］．現(xiàn)代車用動力，２０１６（４）：１０－１５． ［６］李慶斌，曹剛，閆海東，等．徑流和斜流相結(jié)合的渦輪增壓器壓氣機葉輪：２０１４２０６３２７１３．５［Ｐ］．２０１４－１０－２９． ［７］李慶斌，張愛明，劉麟，等．葉輪出口結(jié)構(gòu)形式對壓氣機性能及軸向載荷影響分析［Ｊ］．車用發(fā)動機，２０１６（１）：２８－３２．