渦輪增壓離心壓氣機(jī)非對(duì)稱擴(kuò)壓器擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理研究

渦輪增壓技術(shù)是內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排、滿足未來(lái)嚴(yán)格排放法規(guī)的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著能源與環(huán)境問(wèn)題的日益凸顯，要求柴油機(jī)不斷提高增壓比，同時(shí)汽油機(jī)采用渦輪增壓技術(shù)縮小排量也成為各大汽車企業(yè)的戰(zhàn)略選擇，這就對(duì)離心壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍提出了更高的要求，使得離心壓氣機(jī)的流動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題非常突出，成為制約內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排的主要瓶頸之一。.渦輪增壓離心壓氣機(jī)蝸殼結(jié)構(gòu)在周向上固有的非對(duì)稱性，導(dǎo)致壓氣機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下流場(chǎng)結(jié)構(gòu)周向不均勻；但傳統(tǒng)流動(dòng)控制措施都是基于軸對(duì)稱假設(shè)，忽略了此流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性。申請(qǐng)人基于渦輪增壓離心壓氣機(jī)固有的非對(duì)稱流場(chǎng)特征，提出了非對(duì)稱流動(dòng)控制思想。擴(kuò)壓器是影響渦輪增壓離心壓氣機(jī)穩(wěn)定性的關(guān)鍵部件之一；本項(xiàng)目基于上述思想，探索非對(duì)稱擴(kuò)壓器的擴(kuò)穩(wěn)機(jī)制及擴(kuò)穩(wěn)新方法，以期實(shí)現(xiàn)渦輪增壓離心壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的大幅度拓寬，從而滿足高增壓柴油機(jī)和渦輪增壓汽油機(jī)對(duì)離心壓氣機(jī)寬廣工作范圍的迫切需求。

突擴(kuò)擴(kuò)壓器在環(huán)形擴(kuò)壓器進(jìn)口有一個(gè)前置擴(kuò)壓器，在其出口突然擴(kuò)張并產(chǎn)生一對(duì)大旋渦，用來(lái)縮短擴(kuò)壓器長(zhǎng)度，突擴(kuò)擴(kuò)壓器對(duì)進(jìn)口流場(chǎng)變化不敏感。

中文名稱

突擴(kuò)擴(kuò)壓器

英文名稱

dump diffuser

定　　義

在環(huán)形擴(kuò)壓器進(jìn)口有一個(gè)前置擴(kuò)壓器，在其出口突然擴(kuò)張并產(chǎn)生一對(duì)大旋渦，用來(lái)縮短擴(kuò)壓器長(zhǎng)度，突擴(kuò)擴(kuò)壓器對(duì)進(jìn)口流場(chǎng)變化不敏感。

應(yīng)用學(xué)科

航空科技（一級(jí)學(xué)科），推進(jìn)技術(shù)與航空動(dòng)力裝置（二級(jí)學(xué)科）

擴(kuò)壓器研究對(duì)象

研究對(duì)象原型為JP88型無(wú)葉擴(kuò)壓離心壓氣 機(jī)，設(shè) 計(jì) 轉(zhuǎn) 速 70000r/min，設(shè) 計(jì) 質(zhì) 量 流 量0．3k_g/s。在原型基礎(chǔ)上，基于CFD分析和優(yōu)化，進(jìn)行了進(jìn)口導(dǎo)葉及葉片擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)。為了保持原有壓氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，葉片擴(kuò)壓器的高度與原無(wú)葉擴(kuò)壓器高度相同。

擴(kuò)壓器數(shù)值模型

數(shù)值方法與計(jì)算網(wǎng)格

本文采用FINE/TURBO進(jìn)行壓氣機(jī)的三維流動(dòng)計(jì) 算 分 析。控 制 方 程 為 三 維 Re_ynolds時(shí) 均Navier－Stokes方程湍流模型選擇Spalart－Almaras模型。計(jì)算采用中心差分格式離散控制方程，用四階Runge－Kutta法進(jìn)行時(shí)間推進(jìn)求解并結(jié)合當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長(zhǎng)、隱式殘差光順技術(shù)和多重網(wǎng)格技術(shù)以加速收斂。計(jì)算網(wǎng)格采用塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對(duì)比計(jì)算中，原無(wú)預(yù)旋、無(wú) 葉擴(kuò)壓器 的 壓 氣 機(jī) 計(jì) 算 網(wǎng) 格 總 數(shù) 為890526，引入葉片導(dǎo)葉和葉片擴(kuò)壓器的壓氣機(jī)計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)為1115060，其中葉輪網(wǎng)格完全相同。計(jì)算網(wǎng)格的壁面_y值約為8，滿足低雷諾數(shù)S_palart－Almaras湍流模型對(duì)于黏性網(wǎng)格的要求。對(duì)半徑為90mm的離心壓氣機(jī)進(jìn)行了數(shù)值分析和優(yōu)化，其中的數(shù)值分析所得到的壓氣機(jī)性能與試驗(yàn)結(jié)果吻合非常好，驗(yàn)證了數(shù)值方法的正確性。本文采用同樣的方法和相似的計(jì)算網(wǎng)格，可以認(rèn)為結(jié)果具有較高的可信度。

邊界條件與收斂判據(jù)

壓氣機(jī)進(jìn)口參數(shù)皆相同，對(duì)應(yīng)的進(jìn)口總壓為101325Pa，總溫為293K，氣流方向?yàn)檩S向進(jìn)氣，固壁采用絕熱無(wú)滑移邊界條件。指定轉(zhuǎn)速下，壓氣機(jī)工況特性線通過(guò)逐漸提高壓氣機(jī)出口背壓的方法獲得。

根據(jù)推進(jìn)求解過(guò)程中計(jì)算所得的壓氣機(jī)進(jìn)出口流量、總體性能（包括效率和總壓比）的變化特性判定計(jì)算收斂性。計(jì)算所得的壓氣機(jī)進(jìn)出口流量相對(duì)誤差小于0．5%，且對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)總性能（進(jìn)口流量、出口流量、效率及壓比）在足夠長(zhǎng)的推進(jìn)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生變化或出現(xiàn)小幅周期振蕩均認(rèn)為收斂；當(dāng)出口背壓輕微變化導(dǎo)致計(jì)算監(jiān)控的性能指標(biāo)及進(jìn)出口流量波動(dòng)幅度隨時(shí)間增大時(shí)。

（1）采用無(wú)預(yù)旋導(dǎo)葉，壓氣機(jī)的流量范圍與原機(jī)相同；導(dǎo) 葉 預(yù) 旋－8°后，壓 氣 機(jī) 流 量 范 圍 拓 寬16．7%，同時(shí)壓氣機(jī)壓比仍然處于較高的水平。

（2）與無(wú)葉擴(kuò)壓器相比，葉片擴(kuò)壓器能夠有效控制葉輪內(nèi)部的不均勻氣流，使擴(kuò)壓器出口氣流角整體減小約10°，有助于減小下游的沿程損失。

（3）在設(shè)計(jì)工況下，葉片擴(kuò)壓器可有效提高壓氣機(jī)的效率，效率提高約1．7%；在非設(shè)計(jì)工況下，通過(guò)調(diào)節(jié)擴(kuò)壓器角度減小擴(kuò)壓器進(jìn)口攻角，可使壓氣機(jī)的壓比在小流量區(qū)提高約7%，效率整體提高約1．2%。 2100433B