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增压器压气机流动分析与改进设计

李晓庆  
【摘要】:柴油机是当今各种动力机械中热效率最高、应用最广泛的一种,在能源动力行业占有重要地位。涡轮增压器是柴油机的一个进气增压组合部件。目前,大多数船用柴油机都采用废气涡轮增压,这是提高柴油机功率、改善经济性、降低排放、减小机器单位马力体积和降低单位马力重量的最有效措施之一。 现代柴油机对涡轮增压器性能的要求越来越高,而增压器性能的高低取决于各构成部件性能的优劣。本文的研究对象是某船用废气涡轮增压器的核心部件之一:离心式压气机。本文应用专门为透平机械开发流体计算软件NUMECA,建立了该离心压气机内部流场的数值模拟分析平台。通过变工况数值模拟与流动分析,发现其稳定工作范围窄,内部流动紊乱,扩压器内存在一个较大旋涡造成了大量流动损失,从而导致压气机效率偏低。针对以上问题,本文对压气机内部流场进行分析讨论,指出导致该压气机性能差的主要原因在于叶轮设计不合理。因此,本文应用商用设计软件对该压气机的叶轮进行重新设计,并通过三维CFD软件对多种设计方案进行检验计算,最终得到较优的设计结果。为了提高压气机的稳定工作范围,本文采用变工况性能较好的无叶扩压器与新设计的叶轮匹配。蜗壳仍采用原来的设计。新设计的叶轮、无叶扩压器和原蜗壳构成了改进后的压气机,经验证,它在设计点的各项性能参数均达到了设计要求,内部流场得到了很大改善,整机流动效率提高了4.09%,并且在设计转速下具有更为宽广的稳定工作范围。本文将为我国船用增压器的设计与研发提供理论与实践参考价值。


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