渦輪增壓器壓氣機(jī)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

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1、渦輪增壓器壓氣機(jī)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 渦輪增壓器壓氣機(jī)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 2019/06/30 摘要：從葉輪、擴(kuò)壓器、葉輪與壓殼間隙３個(gè)方面對(duì)壓氣機(jī)性能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)、計(jì)算與試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，徑斜流式葉輪壓氣機(jī)較徑流式葉輪壓氣機(jī)效率更高，弧形出口擴(kuò)壓器壓氣機(jī)較平行直面出口壓氣機(jī)壓比和效率更高，減少壓氣機(jī)葉輪與壓殼間隙可改善壓氣機(jī)性能，同時(shí)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(dòng)機(jī)的匹配性能。 關(guān)鍵詞：渦輪增壓器；壓氣機(jī)性能；優(yōu)化設(shè)

2、計(jì)；葉輪；擴(kuò)壓器；間隙 引言 渦輪增壓器（以下簡(jiǎn)稱“增壓器”）可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，改善燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放、噪聲和實(shí)現(xiàn)高原功率恢復(fù)。離心壓氣機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“壓氣機(jī)”）是增壓器的重要組成部件，其參數(shù)設(shè)計(jì)和性能匹配直接影響增壓器及發(fā)動(dòng)機(jī)性能。國(guó)內(nèi)對(duì)壓氣機(jī)性能開(kāi)展的研究很多，張虹等研究了壓氣機(jī)葉輪幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，分析了幾何參數(shù)對(duì)壓氣機(jī)性能的影響，建立了壓氣機(jī)設(shè)計(jì)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(duì)壓氣機(jī)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(kuò)大壓氣機(jī)工作范圍，改善流道內(nèi)的流動(dòng)，提高等熵效率［２］；梁曉瑜

3、等采用ＣＦＤ軟件分析了壓氣機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)情況，對(duì)葉輪長(zhǎng)短葉片的凹凸面進(jìn)行了速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的計(jì)算分析［３］；張希以１．５Ｌ缸內(nèi)直噴（ＧＤＩ）汽油機(jī)為背景，開(kāi)展了壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，研究了壓氣機(jī)進(jìn)出口幾何參數(shù)對(duì)壓氣機(jī)不同工況性能的影響，發(fā)現(xiàn)葉輪進(jìn)口相對(duì)直徑、進(jìn)口葉尖角、出口相對(duì)寬度以及出口后彎角是影響壓氣機(jī)性能的主要參數(shù)，其中葉輪進(jìn)口直徑和進(jìn)口葉尖角對(duì)壓氣機(jī)的壓比和效率影響較大，葉輪進(jìn)口直徑對(duì)喘振邊界影響較大，葉輪出口寬度和后彎角對(duì)堵塞邊界影響較大［４］；周成堯等研究分析了壓氣機(jī)葉輪進(jìn)出口速度三角形、壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、幾何參數(shù)等對(duì)增壓器壓氣機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響，并對(duì)各參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)值進(jìn)行了總結(jié)［５］

4、。壓氣機(jī)主要由進(jìn)氣道、葉輪、擴(kuò)壓器、集氣器（壓氣機(jī)蝸殼）組成，通過(guò)對(duì)空氣做功，引導(dǎo)氣流更好的進(jìn)入工作葉輪。擴(kuò)壓器的作用是對(duì)經(jīng)葉輪壓縮后的空氣進(jìn)一步壓縮。壓氣機(jī)蝸殼的作用是進(jìn)一步將空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能。壓氣機(jī)的每一個(gè)部分及葉輪與壓殼之間的間隙都對(duì)壓氣機(jī)性能有重要影響，其中葉輪、擴(kuò)壓器、壓氣機(jī)蝸殼對(duì)壓氣機(jī)性能影響相對(duì)較大些。 １葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì) 葉輪的作用是將旋轉(zhuǎn)葉輪吸收的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Γ▌?shì)能）及速度（動(dòng)能）?，F(xiàn)有壓氣機(jī)葉輪出口結(jié)構(gòu)普遍為徑流式見(jiàn)圖１，將葉輪出口結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)成徑斜流式見(jiàn)圖２，可降低空氣在葉輪出口處的氣流流動(dòng)損失。徑斜流壓氣機(jī)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(guò)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(chǎng)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(kuò)壓器入口輪轂處出現(xiàn)回流的情況。通過(guò)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(chǎng)，使無(wú)葉擴(kuò)壓器入口流場(chǎng)分布更理想，可提高壓氣機(jī)效率和流量范圍［６］。在某型發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器上，對(duì)２種葉輪進(jìn)行性能模擬仿真計(jì)算。結(jié)論表明：葉輪直徑相同時(shí)，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(shí)高約２％。對(duì)２種葉輪進(jìn)行流場(chǎng)分析，在小流量近喘振點(diǎn)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(diǎn)附近工況，靠近輪轂一側(cè)徑斜流葉輪在出口處?kù)刂递^徑流葉輪?。辉诖罅髁慷氯r點(diǎn)，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(kuò)壓器優(yōu)化設(shè)計(jì) 擴(kuò)壓器的作用是將從葉輪出來(lái)的高速空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽蓧簹鈾C(jī)蝸殼和背盤(pán)的兩平行壁面組成。將擴(kuò)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(dòng)損失，提高壓氣機(jī)的工作效率。對(duì)２種壓氣機(jī)進(jìn)行性能仿真對(duì)比計(jì)算，結(jié)果表明２種壓氣機(jī)流線形狀較為相似，僅在擴(kuò)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(kuò)壓器壓氣機(jī)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(kuò)壓器壓氣機(jī)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(jì) 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(duì)壓氣機(jī)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(duì)壓氣機(jī)性能有較大影響，其中軸向間隙影響更大。對(duì)某一小型增壓器壓氣機(jī)進(jìn)行性能仿真計(jì)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(shí)，壓氣機(jī)效率降低２％左右［７］。因此，減少壓氣機(jī)葉輪與壓殼間隙可改善壓氣機(jī)性能。為驗(yàn)證增壓器間隙對(duì)增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配性能的影響，在某２．２Ｌ增壓中冷國(guó)Ⅴ柴油機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)增壓器匹配發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，同時(shí)對(duì)壓端和渦端間隙進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)。在相同試驗(yàn)條件下，方案Ａ和方案Ｂ增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行匹配試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能指標(biāo)對(duì)比如圖７～１２所示（由于試驗(yàn)的特殊性，橫坐標(biāo)僅指各工況點(diǎn)）。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(diǎn)，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(shì)明顯。從圖１０可看出，方案Ｂ的外特性進(jìn)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(jī)效率較方案Ａ高，平均高２．０％。綜上

10、所述，在相同試驗(yàn)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(dòng)機(jī)的扭矩變大，燃油消耗率降低，中冷前壓力變高、進(jìn)氣流量變大，空燃比變高，壓氣機(jī)效率變高，性能改善明顯。 ４結(jié)束語(yǔ) ａ．壓氣機(jī)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(chǎng)，使無(wú)葉擴(kuò)壓器入口流場(chǎng)分布更理想，可提高壓氣機(jī)的效率和流量范圍。ｂ．將擴(kuò)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(dòng)損失，提高壓氣機(jī)的工作效率。ｃ．減少壓氣機(jī)葉輪與壓殼的間隙可提高壓氣機(jī)效率，改善壓氣機(jī)性能。ｄ．減小增壓器間隙，可改善增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配性能，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩、降低發(fā)

11、動(dòng)機(jī)燃油消耗率、提高增壓器增壓壓力和進(jìn)氣流量、提高壓氣機(jī)效率。 參考文獻(xiàn)： ［１］張虹，馬朝臣．車(chē)用渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能分析［Ｊ］．北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，２００５（１）：２２－２６． ［２］彭森，楊策，馬朝臣，等．前傾角對(duì)離心壓氣機(jī)葉輪性能的影響［Ｊ］．清華大學(xué)學(xué)報(bào)（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(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的ＣＦＤ分析［Ｊ］．小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē)，２００７（５）：１２－２４． ［４］張希．車(chē)用渦輪增壓器離心壓氣機(jī)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)［Ｄ］．北京：北京理工大學(xué)，２０１１． ［５］周成堯，胡遼平，楊國(guó)旗，等．渦輪增壓器壓氣機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)性能設(shè)計(jì)［Ｊ］．現(xiàn)代車(chē)用動(dòng)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(jī)葉輪：２０１４２０６３２７１３．５［Ｐ］．２０１４－１０－２９． ［７］李慶斌，張愛(ài)明，劉麟，等．葉輪出口結(jié)構(gòu)形式對(duì)壓氣機(jī)性能及軸向載荷影響分析［Ｊ］．車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，２０１６（１）：２８－３２．