高功率柴油机用的可变截面涡轮增压器

高功率涡轮增压柴油机需要一个装有高压比、宽流量、不喘振的高效率压气机的有效进气系统,同样,也需要有可变截面喷咀的高效率涡轮,以便在发动机低转速和小空气流量运转时,涡轮保持高转速。 为了满足上述要求,美国陆军坦克机动车辆研究发展局制订了一项研制涡轮增压器的规划,其中规定涡轮增压器采用后弯叶轮的离心式压气机和径流式涡轮。为了控制喘振,压气机采用楔形可转动叶片扩压器;为了控制涡轮进气面积,径流式涡轮采用可转动喷咀叶片。 涡轮增压器经过几次反复设计和台架试验后,又同发动机一起进行了广泛的试验。通过试验证实,采用这种涡轮增压器能使柴油机性能得到相当大的改善。     

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。     

蜗壳结构参数对离心式压气机性能的影响

为研究压气机蜗壳结构参数对离心式压气机性能的影响而设计了两款不同面径比的压气机蜗壳,并在增压器性能试验台上进行试验研究。结果表明,与匹配Ⅰ型蜗壳的压气机相比,匹配Ⅱ型蜗壳的压气机增压比、流量和绝热效率均提高:不同转速下,最大增压比提高1.44%~3.86%,最大流量增加3.85%~10.71%,且高转速下增幅明显;压气机最高效率由72%提高到74%;压气机喘振线更加平滑,无明显拐点,低转速下喘振线向大流量方向偏移量较少,而高转速下与之相反。     

进气旁通对涡轮增压柴油机性能影响的试验研究

本文在实验研究的基础上,对增压柴油机采用进气旁通的一些规律性问题进行了分析,指出影响柴油机性能的最主要因素是控制增压比及压气机绝热效率。当控制适当的增压比时,进气旁通增压柴油机的扭矩特性、动力性和经济性都获得较大改善,而采用高效率、小流量、高压比的增压器是充分发挥进气旁通系统优点的关键。     

可变截面涡轮增压器离心式压气机的研制

为了控制军用可变截面涡轮增压器的喘振和满足其空气流量的要求,现已研制成一种离心式压气机的可变几何形状扩压器。此外还研制和试验了以下二种压气机叶轮:径向叶轮和后弯叶轮。 性能试验结果表明,可变几何形状压气机在所要求的大多数工况下,达到了流量和效率的指标。由工作曲线图可以看出,后弯叶轮比径向叶轮好。在空气流量大的工况下(在发动机额定转速时)后弯叶轮的压气机效率已高达80％;只是在空气流量非常小的工况下(发动机在最低工作转速时)由于叶轮开始失速,引起效率下降。因此可以确认:可变几何形状压气机适用于效率高和流量范围宽的涡轮增压器。     

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。     

涡轮增压器进气旁通再循环系统的研究

通过对增压器压气机进气旁通再循环系统不同环槽结构、环槽位置的设置,验证其对压气机性能的影响程度,从而优化压气机进气旁通再循环系统的结构参数,为拓宽增压器压气机的适用流量范围提供依据。     

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。     

拓宽特性曲线装置在涡轮增压器压气机上的应用

采用一般离心式压气机的涡轮增压器使柴油机的工作范围受到限制。采用导风轮再循环旁通解决了拓宽压气机特性曲线的问题。该装置能灵活地与发动机匹配,扩大所有压比时的喘振范围,增加压气机阻塞流量。改善了发动机的高海拔性能,扩大了发动机的转速范围,增加了扭矩储备。     

国外单级大流量高压比增压技术发展综述

针对现代发动机高功率密度和低排放对高压比增压技术的需求,主要介绍了ABB,IHI,KBB,MAN BW,MTU等世界著名公司单级大流量高压比增压技术的发展。针对压比提升后增压器有效运行范围变窄、效率降低、可靠性变差等问题,总结了各公司单级高压比增压技术的设计特点。