雙渦管渦輪機氣流摻混要素分析及優(yōu)化.pdf

1、廢氣渦輪增壓技術(shù)越來越多的被現(xiàn)代高效多缸發(fā)動機作為關(guān)鍵技術(shù)所采用。渦輪機是渦輪增壓器中驅(qū)動壓氣機做功的核心部件，通過高效的利用發(fā)動機排出的高溫廢氣中的能量來實現(xiàn)對空氣或混合器的壓縮，以解決現(xiàn)代發(fā)動機在提升動力性和改善扭矩特性時的進氣瓶頸問題。雙渦管渦輪機可以更加有效的利用發(fā)動機排氣中的脈沖能量，以兼顧發(fā)動機中低速和高速工況的運行要求。從上世紀九十年代開始，雙渦管渦輪機及相關(guān)技術(shù)成熟的應(yīng)用于增壓六缸柴油發(fā)動機上，2012年后，該技術(shù)被越來

2、越多的應(yīng)用于先進的增壓汽油發(fā)動機上，很好的滿足了發(fā)動機對低速扭矩、低速響應(yīng)性和高速功率的需求。雖然已有眾多應(yīng)用，但行業(yè)內(nèi)對雙渦管渦輪機的一些摻混損失研究的少，在通過減少氣體摻混損失、控制和約束氣體膨脹過程，來提升雙渦管渦輪機效率方面，急需開展相關(guān)工作。
　　本文基于日常工作中發(fā)現(xiàn)的雙渦管渦輪機存在的摻混問題，借助CFD專業(yè)軟件NUMECA，對雙渦管渦輪機進行建模和數(shù)值模擬，著重分析雙渦管渦輪機喉口、廢氣旁通、渦輪出口等位置的摻混流

3、動特性。首先，對雙渦管渦輪機喉口位置的摻混過程進行了分析，發(fā)現(xiàn)該位置的摻混不僅會影響增壓器渦輪機的效率，因為渦輪機脈沖能量的存在，也會對渦輪產(chǎn)生額外的激勵，導致高頻噪音問題的出現(xiàn);然后，對雙渦管渦輪機廢氣旁通的氣體與渦輪后的氣體摻混過程進行了分析，發(fā)現(xiàn)相對于渦輪出口的乏氣，通過渦輪機旁通的高壓、高溫廢氣會對渦輪的做功能力產(chǎn)生負面影響，影響渦輪機效率;最后，對于渦輪出口的乏氣的自由膨脹與約束膨脹進行了分析，發(fā)現(xiàn)渦輪后乏氣自由膨脹會因為氣體

4、流速的迅速下降，導致渦輪出口部分的壓力提升，不利于渦輪機做功，影響渦輪機效率。
　　本文結(jié)合上述雙渦管渦輪機摻混損失模型及各部分的分析結(jié)果，創(chuàng)新性的設(shè)計了雙渦管渦輪機前后置喉口結(jié)構(gòu)，通過該結(jié)構(gòu)減少了喉口位置的氣流摻混，解決了渦輪機高頻氣動噪音問題，通過實際測試，渦輪機最高效率提升了6％以上;針對廢氣旁通的氣動摻混，設(shè)計了廢氣旁通摻混導流結(jié)構(gòu)，通過新結(jié)構(gòu)約束旁通廢氣摻混進入的位置和方向，減少了廢氣旁通過程對渦輪機的影響，通過實際測試

5、，渦輪機最高效率提升了2％;針對渦輪機出口乏氣的自由膨脹過程，設(shè)計了膨脹氣體約束裝置，通過約束渦輪后乏氣的膨脹過程，改善了渦輪機的做功能力和效率，通過實際測試，渦輪機最高效率提升了1％。
　　本文通過對雙渦管渦輪機摻混要素的分析與優(yōu)化，從減少摻混損失的角度，找到了提升雙渦管渦輪機效率的方案并進行了實驗驗證。新設(shè)計的雙渦管渦輪機防摻混的結(jié)構(gòu)易于集成和產(chǎn)業(yè)化，成本與原有渦輪機結(jié)構(gòu)近似，核心技術(shù)已經(jīng)申請專利，并在國內(nèi)主流發(fā)動機企業(yè)獲得應(yīng)