部分进气可变截面涡轮性能的研究

摘要

随着车用发动机向高扭矩储备系数、高比功率、高经济性、低噪音和低排污等方向的不断发展，常规固定截面涡轮增压器存在的有效运行区间过窄、增压压力不可调的缺点以及由此带来的问题也越来越突出。可变截面增压技术是国内外公认的一项有效的解决措施，得到了一定的应用，但是目前的可变截面增压器尚存在可靠性差、涡轮效率低、成本高等缺陷，有待于进一步的研究和改进。
　　 本文提出了一种新型的可变截面部分进气涡轮结构，采用可变流道结构，在发动机低速工况下，涡轮的进气调节阀门关闭，蜗壳只有内流道开放，缩减了蜗壳流通面积，提高了涡轮的进口压力和有用功，增压压力提高;在发动机中高速工况下，阀门根据发动机的不同性能要求进行开度调节，改变流通面积，实现与发动机全工况的良好匹配。本文采用NUMCEA软件对其进行了全级数值模拟，分析了蜗壳内部的流动特性，研究了流动损失产生的机理，并提出了涡轮的优化设计建议。
　　 本文首先研究了对计算结果有较大影响的转静子交界面的处理问题，在保证计算精度和节约计算时间的前提下，确定了转静子冻结的交界面处理方法。然后分析了不同周向进气角度在发动机低速工况时对涡轮性能的影响，通过与试验值进行对比分析，确立了合适的计算模型，并对各个周向进气角度方案的内部流动进行了分析，获得了各方案的效率特性和流量特性，为实现与不同流量发动机的匹配提供了依据。本文对新型涡轮的重要部件-阀门进行了研究，采用阀门偏置和中置两种方案，研究了不同阀门开度对涡轮性能的影响，找到了两种阀门与流量调节能力的对应关系。本文还提出了通过总压损失系数和气流角来评价蜗壳的气流运动状况，通过对两方案不同开度的对比，分析了不同阀门开度下的涡轮损失产生的原因。针对两种阀门结构在小开度下效率偏低的问题，本文针对阀门偏置方案提出了将外流道截面积进行缩减的方法，并对修改后的模型进行了各开度工况下的计算。发现修改后的模型与修改前相比，在阀门开启5度和10度等小开度工况下明显提高了涡轮的效率，降低了气流在外流道中的流动损失。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 课题的背景及研究意义

1．2 可变截面增压器的研究现状

1．2．1 无叶涡轮箱可变截面增压器的研究现状

1．2．2 有叶喷嘴可变截面增压器的研究现状

1．3 蜗壳内流场的CFD计算的研究现状

1．4 本文研究的主要内容

1．4．1 本文的主要工作内容

1．4．2 本文的创新点

第二章 数值模拟及计算方法的确立

2．1 研究对象

2．2 计算模型的建立

2．2．1 湍流模型的确定

2．2．2 第一层网格尺度的确定

2．2．3 网格划分

2．3 计算设置及收敛标准的确定

2．4 计算方法的确立

2．5 本章小结

第三章 周向进气角度对部分进气涡轮性能的影响

3．1 计算方案

3．2 模拟结果的验证

3．3 性能分析

3．4 流场分析

3．5 本章小结

第四章 不同阀门结构对部分进气涡轮性能影响的数值研究

4．1 研究对象的介绍

4．2 总体性能分析

4．3 各对比工况的分析

4．3．1 阀门全关状态的分析

4．3．2 阀门偏置和阀门中置开5度的分析

4．3．3 阀门偏置开5度和阀门中置开10度的分析

4．3．4 阀门偏置和阀门中置全开时的分析

4．4 本章小结

第五章 不同阀门开度下的蜗壳损失分析研究

5．1 阀门偏置方案的蜗壳损失分析

5．2 阀门中置方案的蜗壳损失分析

5．3 本章小结

第六章 外流道截面积对涡轮性能的影响

6．1 研究对象及意义

6．2 性能分析

6．3 流场分析

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文工作总结

7．2 今后工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及专利

学位论文评阅及答辩情况表