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车用涡轮增压器离心压气机无叶扩压器的数值研究及特性曲线形成机理分析

马超  
【摘要】:随着现代车用发动机向着高功率、大扭矩及低排放的方向发展,涡轮增压技术受到越来越广泛的重视和应用,怎样设计出高效率、高压比及流量范围宽广的压气机成为当务之急。一般来说,涡轮增压器离心压气机主要由离心叶轮、无叶扩压器和蜗壳三部分组成,其中叶轮由于其在压气机中的重要作用及其复杂性被以往的研究者进行了大量的研究,相比之下无叶扩压器段和蜗壳段的研究要少很多,而据有关文献研究表明在车用涡轮增压器离心压气机的所有静止件中,扩压器属关键部件。一般叶轮出口气流的动能占叶轮对气体所作功的20%-50%,扩压器可使这些具有较大速度的气流减速,从而将动能转化为压力能,达到进一步提升压力的作用。无叶扩压器在车用增压器使用中存在的问题是车用工况复杂,空气流量、流速、压力有较大变化,流动状况极其复杂,因此,对无叶扩压器进行深入研究,充分掌握其内部流动规律,为设计出高性能无叶扩压器,进而为进一步提升压气机性能奠定基础。 本文使用全三维CFD软件Numeca对一广泛使用的小型车用涡轮增压器离心压气机进行了数值模拟,着重分析了无叶扩压器内部的流动性能。本文首先详尽阐述了无叶扩压器收缩段内部气体流动的特点及设计扩压器时普遍采用收敛型无叶扩压器的内部流动机理。其次在压气机小流量工况下,以一个新的角度对扩压器内部的流动进行了分析,即对扩压器收缩段和平行段分别对比分析,以明确两者在小流量工况下的各自内部流动的特点,从而为进一步研究无叶扩压器的失速现象奠定了基础。第三通过改变扩压器收缩角发现,扩压器收缩角对压气机整机性能具有一定影响,通过对比分析指出了扩压器收缩角设计原则,从而为设计出性能优良的收缩型无叶扩压器奠定了基础。 离心压气机性能曲线是评价离心压气机气动性能的直接参考,对于压气机特性曲线趋势的若干特点结合内部流场进行分析,全面理解特性形成的机理,对于深入理解压气机性能具有重要意义。本文最后对于压气机特性中,同转速工况下,压气机最高压比点总出现在最高效率点之后、最高压比点之后压比不随效率特性曲线一样快速下滑,而只小幅下降然后平稳发展直至喘振发生,这两个特点进行了机理分析,补充了对于压气机特性曲线形成机理方面研究的不足。 本文的核心部分在于,一方面利用数值模拟的手段首次研究了扩压器收缩角对压气机整机性能的影响,详细分析了这种影响所对应的流动机理,并基于此研究对该成熟压气机扩压器收缩角进行改进,形成了两种改进方案,其中一种方案在设计点压比与原机相当的情况下,效率提升了1.74%,第二种方案在效率与原机相当的情况下,压比提高约0.042。另一方面在于首次详细分析了压气机特性曲线最高压比点总出现在最高效率点之后、最高压比点之后压比不随效率特性曲线一样快速下滑而只小幅下降然后平稳发展直至喘振发生,这两个特点所对应的内部流动机理,补充了以往在这方面研究的不足。


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