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涡轮增压器压气机性能优化设计研究

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摘要:从叶轮、扩压器、叶轮与压壳间隙3个方面对压气机性能进行了优化设计、计算与试验研究,结果表明,径斜流式叶轮压气机较径流式叶轮压气机效率更高,弧形出口扩压器压气机较平行直面出口压气机压比和效率更高,减少压气机叶轮与压壳间隙可改善压气机性能,同时减小增压器叶轮与压壳间隙和涡轮与涡轮壳间隙,可以改善增压器与发动机的匹配性能。

关键词:涡轮增压器;压气机性能;优化设计;叶轮;扩压器;间隙

引言

涡轮增压器(以下简称“增压器”)可以提高发动机动力性,改善燃油经济性,降低排放、噪声和实现高原功率恢复。离心压气机(以下简称“压气机”)是增压器的重要组成部件,其参数设计和性能匹配直接影响增压器及发动机性能。国内对压气机性能开展的研究很多,张虹等研究了压气机叶轮几何参数的优化设计方法,分析了几何参数对压气机性能的影响,建立了压气机设计系统几何参数的优化策略[1];彭森等研究了前倾角对压气机性能的影响,发现在相同流量情况下,随前倾角的增大,叶轮压比下降,合适的前倾角有利于扩大压气机工作范围,改善流道内的流动,提高等熵效率[2];梁晓瑜等采用CFD软件分析了压气机的内部流动情况,对叶轮长短叶片的凹凸面进行了速度场和压力场的计算分析[3];张希以1.5L缸内直喷(GDI)汽油机为背景,开展了压气机的设计与优化,研究了压气机进出口几何参数对压气机不同工况性能的影响,发现叶轮进口相对直径、进口叶尖角、出口相对宽度以及出口后弯角是影响压气机性能的主要参数,其中叶轮进口直径和进口叶尖角对压气机的压比和效率影响较大,叶轮进口直径对喘振边界影响较大,叶轮出口宽度和后弯角对堵塞边界影响较大[4];周成尧等研究分析了压气机叶轮进出口速度三角形、压气机结构参数、几何参数等对增压器压气机空气动力学性能的影响,并对各参数的经验设计值进行了总结[5]。压气机主要由进气道、叶轮、扩压器、集气器(压气机蜗壳)组成,通过对空气做功,引导气流更好的进入工作叶轮。扩压器的作用是对经叶轮压缩后的空气进一步压缩。压气机蜗壳的作用是进一步将空气的动能转换为压力能。压气机的每一个部分及叶轮与压壳之间的间隙都对压气机性能有重要影响,其中叶轮、扩压器、压气机蜗壳对压气机性能影响相对较大些。

1叶轮优化设计

叶轮的作用是将旋转叶轮吸收的机械能转变为压力(势能)及速度(动能)。现有压气机叶轮出口结构普遍为径流式见图1,将叶轮出口结构优化设计成径斜流式见图2,可降低空气在叶轮出口处的气流流动损失。径斜流压气机叶轮其叶轮出口采用斜流和径流相结合,叶轮斜流出口斜边与径流出口边线的相交处采用圆弧过渡,以减少相交处应力集中。斜流出口可以改善因叶轮轮缘曲率太大而导致的叶轮出口展向流场分布不均匀的状态,径流出口可以平衡因斜流出口设置不当而导致的扩压器入口轮毂处出现回流的情况。通过斜流出口与径流出口的有效组合,可明显改善叶轮轮毂和轮缘两侧的流场,使无叶扩压器入口流场分布更理想,可提高压气机效率和流量范围[6]。在某型发动机增压器上,对2种叶轮进行性能模拟仿真计算。结论表明:叶轮直径相同时,各种转速工况下径流叶轮压比较径斜流叶轮略高;而径斜流叶轮效率较径流叶轮略高,在中、小流量时高约2%。对2种叶轮进行流场分析,在小流量近喘振点工况,径流叶轮的轮缘一侧出现了较大范围的回流,径斜流叶轮回流较小,如图3所示,径流叶轮熵值较大,能量损失较大,而径斜流叶轮熵值较小,能量损失较小,如图4所示;在最高效率点附近工况,靠近轮毂一侧径斜流叶轮在出口处熵值较径流叶轮小;在大流量堵塞工况点,径斜流叶轮效率值下降较慢,效率值要比径流叶轮略高。

2扩压器优化设计

扩压器的作用是将从叶轮出来的高速空气的动能转变为压力能,由压气机蜗壳和背盘的两平行壁面组成。将扩压器的出口由平行直面改成弧形面,如图5所示,可减少气流流动损失,提高压气机的工作效率。对2种压气机进行性能仿真对比计算,结果表明2种压气机流线形状较为相似,仅在扩压器下端壁与压壳联接的拐角处有些区别,平行直面出口扩压器压气机内存在较小范围的回流,如图6所示,导致了少量的能量损失,使压比和效率降低,弧形出口扩压器压气机其压比和效率均有增加,压比增加约0.5%,效率增加约0.5%。

3叶轮与压壳间隙优化设计

增压器小型化后,叶轮与压壳间隙占据叶高比重增大,而间隙增大,流体泄漏损失增加,使得对压气机性能的影响变得更加突出。叶轮与压壳间隙分径向间隙、轴向间隙2种,间隙大小对压气机性能有较大影响,其中轴向间隙影响更大。对某一小型增压器压气机进行性能仿真计算,在保持径向间隙0.40mm的情况下,当轴向间隙由0.40mm变为070mm时,压气机效率降低2%左右[7]。因此,减少压气机叶轮与压壳间隙可改善压气机性能。为验证增压器间隙对增压器与发动机匹配性能的影响,在某2.2L增压中冷国Ⅴ柴油机上进行试验研究,发动机主要结构和技术参数如表1所示。增压器方案A为正常间隙的增压器,方案B为压端(即叶轮与压壳)间隙和涡端(即涡轮与涡轮壳)间隙均减少0.15mm的增压器。为更加凸显增压器间隙对增压器匹配发动机性能的影响,同时对压端和涡端间隙进行了设计改进。在相同试验条件下,方案A和方案B增压器与发动机进行匹配试验,发动机主要性能指标对比如图7~12所示(由于试验的特殊性,横坐标仅指各工况点)。从图7可看出,方案B较方案A扭矩大。在整条外特性扭矩曲线上,方案B较方案A平均高10%(即2N•m),最大提高1.9%(即4N•m)。 从图8可看出,方案B的外特性燃油消耗率较方案A的低,平均降低07%(即1.6g/(kW•h)),最多降低了2.5%(即5.2g/(kW•h))。的中冷前压力相同,但在外特性其它转速点,方案B的中冷前压力较方案A的高,平均高6.0%(即4kPa),最大高13.0%(即10.8kPa),优势明显。从图10可看出,方案B的外特性进气流量较方案A大,平均增大2.6%(即5kg/h)。从图11可看出,方案B的外特性空燃比较方案A高,平均高0.6。从图12可看出,方案B的外特性压气机效率较方案A高,平均高2.0%。综上所述,在相同试验边界条件下,将增压器由方案A正常间隙增压器改为方案B小间隙增压器,发动机的扭矩变大,燃油消耗率降低,中冷前压力变高、进气流量变大,空燃比变高,压气机效率变高,性能改善明显。

4结束语

a.压气机叶轮出口结构由径流式改成径斜流式,可明显改善叶轮轮毂和轮缘两侧的流场,使无叶扩压器入口流场分布更理想,可提高压气机的效率和流量范围。b.将扩压器的出口结构由平行直面改成弧形面,可减少气流流动损失,提高压气机的工作效率。c.减少压气机叶轮与压壳的间隙可提高压气机效率,改善压气机性能。d.减小增压器间隙,可改善增压器与发动机的匹配性能,提高发动机的扭矩、降低发动机燃油消耗率、提高增压器增压压力和进气流量、提高压气机效率。

参考文献:

[1]张虹,马朝臣.车用涡轮增压器压气机叶轮几何参数优化设计和性能分析[J].北京理工大学学报,2005(1):22-26.

[2]彭森,杨策,马朝臣,等.前倾角对离心压气机叶轮性能的影响[J].清华大学学报(自然科学版),2005(2):19-23.

[3]梁晓瑜,毕玉华,申立中.涡轮增压器压气机内部流场的CFD分析[J].小型内燃机与摩托车,2007(5):12-24.

[4]张希.车用涡轮增压器离心压气机气动优化设计[D].北京:北京理工大学,2011.

[5]周成尧,胡辽平,杨国旗,等.涡轮增压器压气机空气动力学性能设计[J].现代车用动力,2016(4):10-15.

[6]李庆斌,曹刚,闫海东,等.径流和斜流相结合的涡轮增压器压气机叶轮:201420632713.5[P].2014-10-29.

[7]李庆斌,张爱明,刘麟,等.叶轮出口结构形式对压气机性能及轴向载荷影响分析[J].车用发动机,2016(1):28-32.

作者:周马兰 周成尧 李庆斌 杨国旗 刘麟 曹刚 闫海东 单位:湖南天雁机械有限责任公司

涡轮增压器压气机性能优化设计研究责任编辑:张雨    阅读:人次
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