船用增压器涡轮结构与性能数值研究及改进

摘要

涡轮增压器是柴油发动机的一个进气增压组合部件，是透平机械中的一种，由涡轮、压气机等主要部件构成，安装在排气总管的法兰盘上。 现代柴油机对废气涡轮增压器的要求愈来愈高。无论是车用还是船用柴油机，安全、可靠、高效是当前各类增压器发展的方向，并以此提高和强化柴油机的整体性能和整体水平。而增压器性能的高低取决于各构成部件性能的优劣。 本文根据某公司提出的某船用柴油机增压器的设计要求，采用以定压涡轮热力计算为基础，并计及脉冲影响的脉冲涡轮的热力计算方法，对该船用增压器的构成部件之一-轴流涡轮进行了一维气动设计，并将设计结果与相关的实验数据作了对比，二者符合较好，所设计的轴流涡轮满足公司提出的要求。在此基础上，利用专门为透平机械开发的商用CFD软件-NUMECA，建立了基于真实几何模型的轴流涡轮数值计算分析平台，对设计工况下整机内部的流场进行了详细的三维数值研究，此外，为考核增压器变工况性能，对此涡轮另外两种不同转速和流量下的工况也进行了数值模拟与分析，三种工况下数值模拟的结果都与实验数据很接近，表明计算中湍流模型的选取以及其它参数的选用适合增压器数值模拟的需要，能够反映设计工况及变工况时增压器涡轮的流动情况。不过与设计工况相比，动叶片背弧的速度分布有所恶化，叶型损失有所增加。 在上述分析计算的基础上，又对此轴流涡轮的通流结构进行了局部改进设计。最终的改进结果使增压器涡轮的通流结构的性能得到了一定程度的改善，使其等熵效率提高了2.36个百分点。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题的研究意义

1.2国内外研究概况

1.3 CFD在透平机械中的应用及NUMECA软件简介

1.4本文的主要工作

2数值计算方法

2.1流动控制方程

2.2湍流模型

2.2.1湍流模型概述

2.2.2湍流模型的选取

2.3空间离散与差分格式

2.4网格生成技术

2.4.1网格分类

2.4.2 NUMECA提供的自动网格技术

2.5多重网格和时间积分

2.5.1多重网格

2.5.2多步Runge-Kutta时间推进法

2.5.3隐式残差光顺技术

2.6本章小结

3船用涡轮增压器轴流涡轮的一维设计

3.1废气涡轮增压器原理简介

3.2一维热力计算方法

3.2.1脉冲涡轮热力设计方法

3.2.2增压器涡轮设计参数的选取方法和原则

3.3本章小结

4三维数值模拟分析

4.1船用增压器涡轮构件内部流场的数值模拟

4.1.1几何结构

4.1.2内部流场网格生成技术

4.1.3介质物性参数的设置

4.1.4边界条件及初值条件设定

4.1.5其他相关参数设定

4.1.6收敛标准

4.2船用涡轮增压器内部流场的数值模拟计算结果分析

4.2.1进气蜗壳接单组动静叶片的模拟结果

4.2.2进气蜗壳接单组动静叶片的变工况分析

4.2.3单组动静叶片的数值模拟分析

4.3船用增压器轴流涡轮结构改进设计

4.3.1进气蜗壳的改进分析

4.3.2动叶片的改进设计分析

4.4本章小结

5全文总结与展望

5.1全文工作总结

5.2论文工作展望

参考文献

附录A本设计船用涡轮增压器实物图

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢