VGT涡轮增压器涡轮级性能仿真预测研究

采用Fine/Turbo软件对某可变截面涡轮增压器涡轮级进行数值模拟及流场分析。介绍了VGT涡轮增压器涡轮级建模及分析过程,研究了VGT涡轮增压器涡轮端MAP图性能仿真方法,并与涡轮机性能试验数据进行了对比。结果表明,采用VGT数值模拟和流场分析的方法对VGT增压器性能进行预测是可行的,可以满足增压器多方案性能优化选型需求。     

涡轮增压器轴向力稳态数值模拟及优化

采用Numeca数值分析软件建立了某增压器涡轮机及压气机端流场网格模型,并计算出发动机不同转速下涡轮增压器的涡轮端及压气机端的稳态轴向力分布,分析得出由涡轮端指向压气机端方向的轴向力值较大,而由压气机端指向涡轮端方向的轴向力值较小。对压气机叶轮流场进行了分析,发现压气机叶轮背部间隙内的静压分布与轴向力大小紧密相关;研究了叶轮叶顶间隙对轴向力的影响,发现叶轮轴向间隙对轴向力的影响比径向间隙大,但效率损失亦较大。在保证涡轮机效率不降低的原则下,对涡轮箱流道截面进行了改进,轴向力在发动机高转速下降低约8N。     

柴油机涡轮增压器叶轮优化设计

以某废气涡轮增压柴油机为研究对象,以提高发动机性能为目标,使用CFD方法对其涡轮增压器的叶轮进行优化设计。通过分析叶轮内部流场,将叶轮叶片的叶型进行了改进设计,叶轮内部流场得到了优化。通过CFD计算得到了优化后的压气机MAP图,并将优化设计后的增压器安装到柴油机上进行了试验研究。结果表明,根据CFD计算结果对压气机叶轮结构进行优化设计具有可行性,优化设计的压气机能够在全转速范围内降低发动机燃油消耗率。     

周向进气角对部分进气涡轮性能影响的数值研究

针对一种新型的部分进气可变截面涡轮增压器,采用数值研究方法对不同周向进气角涡轮的低速工况性能及内部流场进行了分析研究,掌握了部分进气涡轮的工作特性和内部流动损失机理,明确了周向进气角对涡轮效率和流量的影响程度,为实现增压器与不同类型发动机的匹配提供了依据。     

柴油机涡轮增压器冷却数值研究

某柴油机在标定点工作时涡轮箱进气口排气温度为763℃,要求增压器在此温度下能长期可靠工作。在考虑压气机端和涡轮端流场对轴承体进行热传递的情况下,运用CFD软件进行热流固耦合分析,得到非水冷轴承体与水冷轴承体浮动轴承温度场和涡端密封环处的温度,以评价增压器工作的可靠性,并通过试验验证数值仿真的准确性,为增压器冷却性能的进一步研究提供依据。     

增压器压气机密封性能模拟与试验研究

采用Numeca数值分析软件建立了某汽油机增压器压气机端流场网格模型,并计算出增压器在低速近堵塞工况下进口压力为负压时压气机性能曲线,对压气机流场分析发现,轮背压力沿径向方向逐渐降低,在轴中心位置附近达到最小值,而在周向方向则变化较小。此外,在不同的转速下,随着进气口负压程度的加大,在轮背建立起来的压力逐渐降低,当进气负压增加到某一值时,若轮背临近密封环处的压力在大气压力附近波动,压气机发生漏油的风险提高。为了验证压气机负压能力预测的准确性,在现有压气机性能测试试验台架上开展了压气机密封性能测试,结果发现,在50 000r/min时,增压器压气机在-6kPa开始发生漏油,50 000r/min转速下则在-12kPa发生漏油,模拟分析结果与试验结果存在一些差异,而后就可能存在的原因进行了分析,以完善分析方法,提高增压器产品性能预测能力。     

车用小型涡轮增压器叶顶间隙可磨耗涂层控制技术研究

采用Numeca数值分析软件建立了车用小型涡轮增压器压气机端流场网格模型,并研究了不同叶顶间隙对压气机性能的影响,分析得出叶顶间隙对压气机性能影响较大,每增加0.1 mm间隙后压比降低约3%,效率则降低约2%。研制了压气机叶轮叶顶间隙可磨耗涂层,减小了叶顶间隙,研究发现:压气机试验峰值效率提升了近1.5%,各转速下压比也得到了不同程度的提升,涂层在增压器高转速运转较长时间后磨耗均匀,叶轮与涂层刮擦后完好无损。研制了涡轮机叶顶间隙耐高温可磨耗涂层,经发动机匹配试验对比发现,中低速扭矩提升了2%左右,燃油消耗率在1 883 r/min下降低了3.5%。对蜗壳涂层开展了200 h可靠性考核验证,发现涂层磨耗均匀无掉块,涡轮叶片与高温涂层刮擦后无损伤,验证了可磨耗涂层技术在车用小型涡轮增压器领域应用的可行性。     

某新型压气机的仿真与试验交互验证设计研究

采用增压器台架试验与模拟计算相结合的方法对一新型压气机开展研究。首先针对压气机首轮性能试验与预测相差较大的问题,详细分析了原样机的特性并进行了三维数值模拟,依据样机分析与数值分析的结果针对性地提出了多方面的改进措施,包括变换壳体支撑型式、消除加工误差、优化高压级叶轮等。再对改进后的压气机进行了试验,新一轮样机的台架试验最终满足设计要求。     

无叶扩压器收缩角对车用离心压气机性能影响的数值研究

对采用不同收缩角无叶扩压器的同一离心压气机进行了数值模拟,并就收缩角对压气机性能影响进行了详尽分析,并结合流场分析得出了这些影响所对应的流动机理,为进一步提升该压气机性能及为以后离心压气机无叶扩压器的设计提供参考。     

脉冲全周进气和非全周进气涡轮性能比较的数值研究

分别设计了全周进气双流道涡轮和非全周进气双流道涡轮,通过数值模拟,对两种结构进行了全工况性能分析。结果表明,非全周进气双流道涡轮的效率高于全周进气双流道涡轮。通过流场分析揭示了涡轮内部流动损失机理,从而了解两种结构对涡轮效率和输出功率的影响,为涡轮增压器的进一步开发提供一定的理论依据。     

双涡轮增压系统压气机通流特性匹配方法

通过离心式压气机特性图谱分析,建立了压气机通流特性模型来表征节流线。基于压气机通流特性模型,针对车用柴油机典型工况建立了性能指标函数,从而指导增压系统匹配方案的确定。针对典型双涡轮增压系统,明确了增压系统匹配流程,建立基于压气机通流特性的匹配方法。针对某型6缸增压柴油机不同工况的性能参数指标,进行了相继增压系统和可调两级增压系统匹配计算,分别进行了大小增压器和高低压级增压器选型。通过搭建柴油机相继和可调两级增压系统试验台架,试验验证了双涡轮增压系统匹配方案,试验结果表明,所匹配的相继和可调两级增压系统能够满足不同典型工况的压比和流量要求,进而实现柴油机不同工况的性能指标,保证了柴油机全工况范围的正常运行。同时根据柴油机试验结果,以燃油经济性最优为目标,确定了相继和可调两级增压系统全工况控制策略。     

增压器压气机叶轮在高原环境下的失效分析与改进

针对高原环境下增压器超速引起的压气机叶片断裂的问题,介绍了故障定位、故障分析、故障再现以及改进等处理全过程。从增压器工作载荷谱入手,分析了叶轮的应力分布、叶片模态变化,确定了叶片不同部位的失效模式。从降低转速、提高叶片固有频率和提高出口处叶片的抗疲劳强度三方面优化了压气机叶轮,通过故障再现的对比性试验、性能对比试验等验证,结果表明,改进后的增压器最高许用转速提高10%,满足了发动机变海拔的使用要求。     

叶轮出口结构形式对压气机性能及轴向载荷影响分析

采用Numeca数值分析软件分析了3种不同出口结构形式的压气机叶轮性能,等出口大径情况下径流叶轮压比最高,斜流叶轮压比最低,效率方面则是半斜流叶轮最高。通过压气机流场分析发现,各转速小流量下,径流叶轮在叶轮出口轮缘一侧产生大范围的回流,斜流叶轮则在轮毂一侧产生较大范围的回流,而半斜流叶轮兼有径流叶轮和斜流叶轮设计特点,轮毂和轮缘两侧的流场均得到明显改善。在堵塞流量附近工况点,半斜流叶轮和斜流叶轮出口相对马赫数较径流叶轮略小,利于堵塞流量的增加。通过轴向载荷分析发现,由于斜流叶轮和半斜流叶轮相比等直径的径流叶轮压比较低,导致由压气机轮背指向压气机进口的轴向力减小,使得整个增压器转轴有向涡端运动的趋势,由此容易导致止推轴承压端磨损严重;与此同时,转轴移动也会使得叶轮与压气机蜗壳的轴向间隙增大,导致半斜流叶轮与斜流叶轮效率降低。     

车用增压器离心压气机改型设计

为缩短研制周期,提高设计成功率,降低研制风险,基于当代工具预测设计方法,开展了某车用增压器跨音速离心压气机设计和试验验证。研究结果表明:压比3为亚音和跨音速临界压比,高于此临界压比,叶轮进入跨音速流动,流量范围急剧变窄;压比大于4,流量范围不高于20%,需采用机匣处理等流量拓宽装置以获得宽广压气机特性;采用机匣处理装置后,跨音速流量范围可拓宽15%左右;采用两区模型性能预测技术和控制载荷叶片造型技术可获得高压比宽流量范围的高性能压气机。     

离心压气机叶轮顶切的数值研究

通过数值模拟方法研究了叶轮顶切程度对压气机性能影响的规律,并进行了相应的流动机理分析。研究表明,叶轮顶切后虽然压气机整体性能略有降低,但可以使性能曲线整体向小流量方向偏移,是一种不需重新设计就可以满足小排量发动机增压匹配要求的简单有效的方法,为采用叶轮顶切方法实现压气机产品系列化提供了依据。     

车用增压发动机匹配仿真方法研究

利用仅有的压气机MAP数据,通过调节涡轮入口直径和效率,研究了发动机与增压器的匹配。在此基础上,利用仿真软件GT-Power建立了TCD1015V06增压直喷发动机1-D模型,并通过DOE方法优化涡轮参数,完成了增压器匹配仿真。仿真结果与试验数据的最大误差小于4.5%。