雙流道渦輪非穩(wěn)態(tài)性能的數(shù)值研究.pdf

1、現(xiàn)在對(duì)增壓器渦輪性能的研究普遍采用穩(wěn)態(tài)方法，而在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)其排氣過(guò)程卻是一個(gè)周期性的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，從排氣管進(jìn)入渦輪增壓器的廢氣以脈沖波形式隨著曲軸轉(zhuǎn)角周期性地變化，因此，采用穩(wěn)態(tài)研究方法不能真實(shí)地反映渦輪實(shí)際的工作情況。
　　 本文利用ANSYS CFX商用CFD軟件對(duì)現(xiàn)在廣泛使用的雙流道渦輪的性能進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)條件下的數(shù)值模擬研究，并輔以柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)渦輪非穩(wěn)態(tài)模擬進(jìn)行間接驗(yàn)證。
　　 首先從雙流道渦輪的穩(wěn)態(tài)模擬研究中找

2、出最佳渦輪結(jié)構(gòu)。在驗(yàn)證了計(jì)算模型的可行性后，以原機(jī)的全周進(jìn)氣雙流道渦輪為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了0截面面積相等分隔式雙流道蝸殼，并對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)的全工況性能分析，結(jié)果表明，分隔式渦輪的效率高于全周進(jìn)氣雙流道渦輪效率，最大可相對(duì)高出10％。針對(duì)分隔式雙流道渦輪，設(shè)計(jì)了0截面面積不同的三個(gè)方案，進(jìn)行全工況的性能模擬和分析后表明，0截面面積最小的分隔式蝸殼方案的渦輪效率最高，為相對(duì)最佳渦輪結(jié)構(gòu)。
　　 第二，以0截面面積最小的分隔式蝸殼方

3、案為研究對(duì)象展開(kāi)渦輪非穩(wěn)態(tài)特性的研究。提出一種解決非穩(wěn)態(tài)參數(shù)時(shí)間滯后問(wèn)題的方法，針對(duì)渦輪非穩(wěn)態(tài)效率大于1和小于0的非正常現(xiàn)象，改進(jìn)了渦輪非穩(wěn)態(tài)效率的計(jì)算方法。利用AVLBOOST軟件模擬柴油機(jī)的實(shí)際工況，得到渦輪進(jìn)口非穩(wěn)態(tài)邊界條件。通過(guò)數(shù)值模擬得到典型的渦輪非穩(wěn)態(tài)特性圈，尋找渦輪非穩(wěn)態(tài)特性與脈沖波的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析了渦輪的充盈和排空效應(yīng)和渦輪內(nèi)外流道非穩(wěn)態(tài)性能的差別。
　　 第三，探索了渦輪轉(zhuǎn)速和脈沖幅值對(duì)渦輪非穩(wěn)態(tài)性能的影響。結(jié)

4、果表明，渦輪轉(zhuǎn)速對(duì)渦輪脈沖平均性能影響有限;在所研究范圍內(nèi)，脈沖峰值較高時(shí)，渦輪的輸出功率較大，渦輪效率較高，而流動(dòng)損失反而較小。隨后研究不同發(fā)動(dòng)機(jī)外特性工況下的渦輪非穩(wěn)態(tài)性能的變化規(guī)律;在所研究的工況范圍內(nèi)，隨著柴油機(jī)工況的升高，渦輪脈沖循環(huán)的平均效率、平均輸出功率和平均流量參數(shù)不斷上升，對(duì)廢氣能量的利用率逐漸升高。隨著柴油機(jī)工況的升高，而渦輪的整體熵增呈減小趨勢(shì)。
　　 第四，研究了全周進(jìn)氣渦輪和三個(gè)分隔式渦輪的非穩(wěn)態(tài)性能的

5、異同。通過(guò)同邊界條件下的模擬和分析后得知，0截面面積相等的全周進(jìn)氣蝸殼與分隔式蝸殼的平均效率基本相等，沒(méi)有明顯差別。對(duì)于0截面面積不同的分隔式雙流道蝸殼，0截面面積最小的蝸殼方案的脈沖平均效率最高，0截面面積最大的方案的平均效率最低，而三個(gè)分隔式方案的整體流動(dòng)損失沒(méi)有明顯差別，熵增最大差值在0.3％以?xún)?nèi)。
　　 第五，對(duì)分別安裝上述四種渦輪結(jié)構(gòu)增壓器的柴油機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，在同一柴油機(jī)轉(zhuǎn)速工況時(shí)，各個(gè)方案的增壓器轉(zhuǎn)速并不

6、一樣。相對(duì)于原機(jī)方案，0截面面積最大的分隔式蝸殼方案沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì);與原機(jī)0截面面積相等的分隔式蝸殼方案的優(yōu)勢(shì)在1700r/min以上的工況;0截面面積最小的分隔式蝸殼方案在所有工況下都有優(yōu)勢(shì)，其扭矩和功率均高于原機(jī)方案，最大高出11.5％，而油耗率均低于原機(jī)方案，油耗最大可降低10.2％。柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)間接地驗(yàn)證了渦輪非穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算的有效性。
　　 最后，根據(jù)柴油機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，改進(jìn)了渦輪非穩(wěn)態(tài)計(jì)算的邊界條件，從而探索了上述四