徑流式渦輪噴嘴環(huán)低流損函數(shù)葉片設(shè)計方法研究.pdf

1、增壓技術(shù)是內(nèi)燃機技術(shù)的重要發(fā)展方向。近幾年，能源和環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，而增壓技術(shù)在提高功率、節(jié)省油耗、降低排氣污染等方面有顯著效果，因而使其在各種機型的內(nèi)燃機上得到廣泛的應(yīng)用，對增壓器的研究也越來越受到重視。提高增壓器的能量轉(zhuǎn)換效率是增壓器研究的重要內(nèi)容。理論研究表明，在其他條件不變情況下，噴嘴速度系數(shù)比葉輪速度系數(shù)對渦輪輪周效率的影響大得多，噴嘴速度系數(shù)如增加1％，渦輪輪周效率將增加l.5～2％；而葉輪速度系數(shù)增加1％，渦輪輪周效率只增

2、加0.1～0.2％。因此，降低噴嘴中的流動損失、提高其能量轉(zhuǎn)換效率，是提高渦輪效率進(jìn)而提高渦輪增壓器總效率的重要途徑。本文即是通過蝸殼及噴嘴流場的數(shù)值計算和分析，對有葉噴嘴的葉片提出一種低流損、高效率的函數(shù)型線的設(shè)計方法開展的研究。 增壓器渦輪蝸殼中的氣體流動是可壓縮的三維粘性流動，由于蝸殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對其進(jìn)行詳細(xì)的分析計算非常困難，以往的計算多是進(jìn)行了較大的簡化或人為的假定，如將三維簡化成兩維，將可壓縮簡化成不可壓縮，將粘性簡化

3、成非粘性等。其數(shù)值計算方法可以采用有限差分法、有限元法、有限體積法等方法。 本文將蝸殼及有葉噴嘴的流通區(qū)域進(jìn)行合成建模，對其進(jìn)行了三維、可壓縮、粘性流動的數(shù)值模擬。對SJl35增壓器的渦輪蝸殼及有葉噴嘴環(huán)用Pro/E進(jìn)行了流通區(qū)域建模，用AVL公司的FIRE軟件對建立的流通區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。利用FIRE軟件根據(jù)CFD基本方程和K—ε雙方程模型采用有限體積法對其進(jìn)行了三維可壓縮粘性流場數(shù)值計算。計算中采用的是等壓出口邊界條件。

4、通過計算，得到了流通區(qū)域壓力場、溫度場、速度場的模擬結(jié)果。計算結(jié)果直觀地反映了蝸殼及有葉噴嘴內(nèi)的流動情況，在流通通道過渡處或急彎處，以及噴嘴葉片進(jìn)口端部，均有氣流的滯止；在兩腔的交匯處和噴嘴葉片的出口端則有局部渦流；噴嘴出口氣流速度不均勻；這些現(xiàn)象都會造成能量轉(zhuǎn)換損失，可以作為改進(jìn)蝸殼和噴嘴的依據(jù)。 對利用Fire軟件計算具有渦漩特征的蝸殼流場的可行性進(jìn)行了試驗研究。對解剖開的SJl46—03J渦輪增壓器的無葉蝸殼的中心截面進(jìn)行

5、了壓力場和溫度場的實測。壓力用U型管壓力計測量，溫度用PM595紅外熱像儀測量，并對測量結(jié)果進(jìn)行了分析。同時，對同一蝸殼，用Fire軟件進(jìn)行了實際工況的流場數(shù)值計算，將試驗結(jié)果和計算結(jié)果進(jìn)行了分析對比。計算得到的蝸殼流場內(nèi)溫度和壓力的變化趨勢和實驗測得的變化趨勢基本吻合，并符合流體動力學(xué)理論。這說明用AVL Fire軟件對渦漩特征的蝸殼內(nèi)流場進(jìn)行計算，其結(jié)果能夠反應(yīng)真實的流動規(guī)律。 本文提出了一種流動損失小、能量轉(zhuǎn)化效率高的函數(shù)

6、葉片的設(shè)計原則，即：葉片應(yīng)由符合氣體動力學(xué)特性的數(shù)條連續(xù)曲線構(gòu)成；葉片入口處應(yīng)為盡量完整的連續(xù)曲線；葉片通道應(yīng)按噴嘴特性規(guī)律逐漸縮?。簤毫δ苻D(zhuǎn)化為動能的過程中呈現(xiàn)先大后小的轉(zhuǎn)化規(guī)律；不同曲線段的連接處應(yīng)連續(xù)過渡；葉片入口在最大氣流角范圍內(nèi)不出現(xiàn)撞擊損失或氣流脫離；葉片通道中渦流、橫流、氣流脫離等最少；葉片出口尾跡渦流應(yīng)為最少；葉片出口速度大，速度的大小、方向均勻。 根據(jù)低流損函數(shù)葉片的設(shè)計原則，結(jié)合原機葉片的結(jié)構(gòu)特征，提出利用連

7、續(xù)的函數(shù)曲線設(shè)計有葉噴嘴的頭部型線。提出了三種新型的函數(shù)葉片。葉片頭部的函數(shù)曲線分別為雙紐線、k=1.6和k=2的兩種玫瑰線，通過建立關(guān)聯(lián)公式，編制計算程序，利用迭代求解的方法確定了函數(shù)式的其他未定系數(shù)，得到三種函數(shù)葉片頭部型線的計算公式。葉身其他部位為四段圓弧構(gòu)成，根據(jù)不同曲線段在連接處一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)和原機葉片的長度及彎曲度，確定了各函數(shù)葉片的四段圓弧的弧長、半徑和圓心。提出了低流損函數(shù)葉片的設(shè)計方法。 對于三種型線的葉片

8、，各選擇了三種不同的安裝角度，構(gòu)成了九種噴嘴環(huán)方案。對九種方案分別用Fire軟件進(jìn)行了CFD計算，通過對計算結(jié)果的比較，在每種頭部型線方案中各選出一種方案，以噴嘴環(huán)出口氣流速度、蝸殼入口壓力、流場中的滯止區(qū)域和渦流區(qū)域大小作為評價指標(biāo)，進(jìn)一步進(jìn)行了對比分析。綜合分析結(jié)論為三種頭部函數(shù)型線方案中，雙紐線函數(shù)型線最好，k=1.6的玫瑰線函數(shù)型線其次，k=2的玫瑰線函數(shù)型線較差。 對于設(shè)計的三種噴嘴環(huán)葉片頭部函數(shù)型線，在各三種安

9、裝角度下形成的九種噴嘴葉片方案，進(jìn)行了AutoCAD設(shè)計，對頭部曲線進(jìn)行了二次曲線擬和，形成了DXF文件格式文件，輸入線切割機進(jìn)行了加工制造。 對加工的九種噴嘴環(huán)進(jìn)行了裝機，在保證額定工況功率相同的條件下封車，與原機進(jìn)行了推進(jìn)特性和外特性對比試驗，試驗結(jié)果103、102、202、201、203、303方案最大扭矩憂于原機，其中102、103方案提高幅度很大，如103方案提高6.52％。101、102、103、202方案排氣溫度比

10、原機有明顯降低，其中102方案降低65℃，有利于降低發(fā)動機熱負(fù)荷。由試驗結(jié)果分析，頭部型線為雙紐線函數(shù)曲線的方案顯示了較佳的性能。 根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對渦輪增壓器總效率進(jìn)行了計算，與原機對比，雙紐線的三種方案的增壓器總效率相對原機均有明顯提高，比原機有加大幅度提高。這個結(jié)果和發(fā)動機性能試驗以及數(shù)值計算結(jié)果的分析均能夠吻合。 對比各種方案，結(jié)合扭矩、油耗、排溫等指標(biāo)綜合評價，作者認(rèn)為102和103方案最佳，達(dá)到了降低流動損失，提