淺談渦輪增壓器壓氣機性能優化設計范文

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摘要：從葉輪、擴壓器、葉輪與壓殼間隙3個方面對壓氣機性能進行了優化設計、計算與試驗研究，結果表明，徑斜流式葉輪壓氣機較徑流式葉輪壓氣機效率更高，弧形出口擴壓器壓氣機較平行直面出口壓氣機壓比和效率更高，減少壓氣機葉輪與壓殼間隙可改善壓氣機性能，同時減小增壓器葉輪與壓殼間隙和渦輪與渦輪殼間隙，可以改善增壓器與發動機的匹配性能。

關鍵詞：渦輪增壓器；壓氣機性能；優化設計；葉輪；擴壓器；間隙

引言

渦輪增壓器（以下簡稱“增壓器”）可以提高發動機動力性，改善燃油經濟性，降低排放、噪聲和實現高原功率恢復。離心壓氣機（以下簡稱“壓氣機”）是增壓器的重要組成部件，其參數設計和性能匹配直接影響增壓器及發動機性能。國內對壓氣機性能開展的研究很多，張虹等研究了壓氣機葉輪幾何參數的優化設計方法，分析了幾何參數對壓氣機性能的影響，建立了壓氣機設計系統幾何參數的優化策略［1］；彭森等研究了前傾角對壓氣機性能的影響，發現在相同流量情況下，隨前傾角的增大，葉輪壓比下降，合適的前傾角有利于擴大壓氣機工作范圍，改善流道內的流動，提高等熵效率［2］；梁曉瑜等采用CFD軟件分析了壓氣機的內部流動情況，對葉輪長短葉片的凹凸面進行了速度場和壓力場的計算分析［3］；張希以1．5L缸內直噴（GDI）汽油機為背景，開展了壓氣機的設計與優化，研究了壓氣機進出口幾何參數對壓氣機不同工況性能的影響，發現葉輪進口相對直徑、進口葉尖角、出口相對寬度以及出口后彎角是影響壓氣機性能的主要參數，其中葉輪進口直徑和進口葉尖角對壓氣機的壓比和效率影響較大，葉輪進口直徑對喘振邊界影響較大，葉輪出口寬度和后彎角對堵塞邊界影響較大［4］；周成堯等研究分析了壓氣機葉輪進出口速度三角形、壓氣機結構參數、幾何參數等對增壓器壓氣機空氣動力學性能的影響，并對各參數的經驗設計值進行了總結［5］。壓氣機主要由進氣道、葉輪、擴壓器、集氣器（壓氣機蝸殼）組成，通過對空氣做功，引導氣流更好的進入工作葉輪。擴壓器的作用是對經葉輪壓縮后的空氣進一步壓縮。壓氣機蝸殼的作用是進一步將空氣的動能轉換為壓力能。壓氣機的每一個部分及葉輪與壓殼之間的間隙都對壓氣機性能有重要影響，其中葉輪、擴壓器、壓氣機蝸殼對壓氣機性能影響相對較大些。

1葉輪優化設計

葉輪的作用是將旋轉葉輪吸收的機械能轉變為壓力（勢能）及速度（動能）?，F有壓氣機葉輪出口結構普遍為徑流式見圖1，將葉輪出口結構優化設計成徑斜流式見圖2，可降低空氣在葉輪出口處的氣流流動損失。徑斜流壓氣機葉輪其葉輪出口采用斜流和徑流相結合，葉輪斜流出口斜邊與徑流出口邊線的相交處采用圓弧過渡，以減少相交處應力集中。斜流出口可以改善因葉輪輪緣曲率太大而導致的葉輪出口展向流場分布不均勻的狀態，徑流出口可以平衡因斜流出口設置不當而導致的擴壓器入口輪轂處出現回流的情況。通過斜流出口與徑流出口的有效組合，可明顯改善葉輪輪轂和輪緣兩側的流場，使無葉擴壓器入口流場分布更理想，可提高壓氣機效率和流量范圍［6］。在某型發動機增壓器上，對2種葉輪進行性能模擬仿真計算。結論表明：葉輪直徑相同時，各種轉速工況下徑流葉輪壓比較徑斜流葉輪略高；而徑斜流葉輪效率較徑流葉輪略高，在中、小流量時高約2％。對2種葉輪進行流場分析，在小流量近喘振點工況，徑流葉輪的輪緣一側出現了較大范圍的回流，徑斜流葉輪回流較小，如圖3所示，徑流葉輪熵值較大，能量損失較大，而徑斜流葉輪熵值較小，能量損失較小，如圖4所示；在最高效率點附近工況，靠近輪轂一側徑斜流葉輪在出口處熵值較徑流葉輪小；在大流量堵塞工況點，徑斜流葉輪效率值下降較慢，效率值要比徑流葉輪略高。

2擴壓器優化設計

擴壓器的作用是將從葉輪出來的高速空氣的動能轉變為壓力能，由壓氣機蝸殼和背盤的兩平行壁面組成。將擴壓器的出口由平行直面改成弧形面，如圖5所示，可減少氣流流動損失，提高壓氣機的工作效率。對2種壓氣機進行性能仿真對比計算，結果表明2種壓氣機流線形狀較為相似，僅在擴壓器下端壁與壓殼聯接的拐角處有些區別，平行直面出口擴壓器壓氣機內存在較小范圍的回流，如圖6所示，導致了少量的能量損失，使壓比和效率降低，弧形出口擴壓器壓氣機其壓比和效率均有增加，壓比增加約0．5％，效率增加約0．5％。

3葉輪與壓殼間隙優化設計

增壓器小型化后，葉輪與壓殼間隙占據葉高比重增大，而間隙增大，流體泄漏損失增加，使得對壓氣機性能的影響變得更加突出。葉輪與壓殼間隙分徑向間隙、軸向間隙2種，間隙大小對壓氣機性能有較大影響，其中軸向間隙影響更大。對某一小型增壓器壓氣機進行性能仿真計算，在保持徑向間隙0．40mm的情況下，當軸向間隙由0．40mm變為070mm時，壓氣機效率降低2％左右［7］。因此，減少壓氣機葉輪與壓殼間隙可改善壓氣機性能。為驗證增壓器間隙對增壓器與發動機匹配性能的影響，在某2．2L增壓中冷國Ⅴ柴油機上進行試驗研究，發動機主要結構和技術參數如表1所示。增壓器方案A為正常間隙的增壓器，方案B為壓端（即葉輪與壓殼）間隙和渦端（即渦輪與渦輪殼）間隙均減少0．15mm的增壓器。為更加凸顯增壓器間隙對增壓器匹配發動機性能的影響，同時對壓端和渦端間隙進行了設計改進。在相同試驗條件下，方案A和方案B增壓器與發動機進行匹配試驗，發動機主要性能指標對比如圖7～12所示（由于試驗的特殊性，橫坐標僅指各工況點）。從圖7可看出，方案B較方案A扭矩大。在整條外特性扭矩曲線上，方案B較方案A平均高10％（即2N•m），最大提高1．9％（即4N•m）。從圖8可看出，方案B的外特性燃油消耗率較方案A的低，平均降低07％（即1．6g／（kW•h）），最多降低了2．5％（即5．2g／（kW•h））。的中冷前壓力相同，但在外特性其它轉速點，方案B的中冷前壓力較方案A的高，平均高6．0％（即4kPa），最大高13．0％（即10．8kPa），優勢明顯。從圖10可看出，方案B的外特性進氣流量較方案A大，平均增大2．6％（即5kg／h）。從圖11可看出，方案B的外特性空燃比較方案A高，平均高0．6。從圖12可看出，方案B的外特性壓氣機效率較方案A高，平均高2．0％。綜上所述，在相同試驗邊界條件下，將增壓器由方案A正常間隙增壓器改為方案B小間隙增壓器，發動機的扭矩變大，燃油消耗率降低，中冷前壓力變高、進氣流量變大，空燃比變高，壓氣機效率變高，性能改善明顯。

4結束語

a．壓氣機葉輪出口結構由徑流式改成徑斜流式，可明顯改善葉輪輪轂和輪緣兩側的流場，使無葉擴壓器入口流場分布更理想，可提高壓氣機的效率和流量范圍。b．將擴壓器的出口結構由平行直面改成弧形面，可減少氣流流動損失，提高壓氣機的工作效率。c．減少壓氣機葉輪與壓殼的間隙可提高壓氣機效率，改善壓氣機性能。d．減小增壓器間隙，可改善增壓器與發動機的匹配性能，提高發動機的扭矩、降低發動機燃油消耗率、提高增壓器增壓壓力和進氣流量、提高壓氣機效率。

參考文獻：

［1］張虹，馬朝臣．車用渦輪增壓器壓氣機葉輪幾何參數優化設計和性能分析［J］．北京理工大學學報，2005（1）：22－26．

［2］彭森，楊策，馬朝臣，等．前傾角對離心壓氣機葉輪性能的影響［J］．清華大學學報（自然科學版），2005（2）：19－23．

［3］梁曉瑜，畢玉華，申立中．渦輪增壓器壓氣機內部流場的CFD分析［J］．小型內燃機與摩托車，2007（5）：12－24．

［4］張希．車用渦輪增壓器離心壓氣機氣動優化設計［D］．北京：北京理工大學，2011．

［5］周成堯，胡遼平，楊國旗，等．渦輪增壓器壓氣機空氣動力學性能設計［J］．現代車用動力，2016（4）：10－15．

［6］李慶斌，曹剛，閆海東，等．徑流和斜流相結合的渦輪增壓器壓氣機葉輪：201420632713．5［P］．2014－10－29．

［7］李慶斌，張愛明，劉麟，等．葉輪出口結構形式對壓氣機性能及軸向載荷影響分析［J］．車用發動機，2016（1）：28－32．

作者：周馬蘭 周成堯 李慶斌 楊國旗 劉麟 曹剛 閆海東 單位：湖南天雁機械有限責任公司