（动力机械及工程专业论文）增压器径流式涡轮性能曲线计算方法研究.pdf

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b o o s ta n dg t p o w e rw h i c ha r eu s e di n s i m u l a t i n ge n g i n e a n dt h et u r b o c h a r g e rm a t c h i n g f i r s t ，u s i n gas i m p l em o d e l ，t u r b i n e p e r f o r m a n c ec u r v e sa r ec a l c u l a t e d t h e n ，t u r b i n ec u r v e sa r ea p p l i e d t o s o f t w a r e t h r o u g hc o m b i n e dt e s td a t a ，f u l lm o d e lm a t c h i n go f t h r e e e n g i n e sa n dt u r b o c h a r g e r s a r es i m u l a t e d t h er e s u l th a sa c e r t a i na c c u r a c y t h i sp a p e ru s e st h et u r b i n ep e r f o r m a n c ec u r v ec o m p u t a t i o n a l m e t h o dw h i c ha p p l i e si n t ot h ec f ds o f t w a r e t u r b o c h a r g e r se n t i r e p r o t o t y p em a t c h i n g c o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h i sm e t h o d h a sd e f i n i t ef e a s i b i l i t y a n dt h a tm e a n si ti s p r o v i d e das i m p l ea n d e f f e c t i v ew a yo nr e s e a r c ho ft u r b i n ep e r f o r m a n c ec u r v e s k e y w o r d s ：d i e s e l e n g i n e ；a n a l o gc o m p u t a t i o n ；t u r b o c h a r g e r ； v i t u r b i n ep e r f o r m a n c e ；m a t c h i n g 主要符号表 涡轮定熵效率 涡轮实际膨胀功， j 涡轮绝热膨胀功，j 涡轮进口滞止温度，k 涡轮出口滞止温度，k 涡轮膨胀比， 涡轮叶轮出口截面积， m 2 气体对叶轮的相对速度， m s 叶轮出口处的燃气密度， k g m 叶片角度，。 涡轮质量流量，k g s 涡轮前温度，k 涡轮前压力，k p a 压气机的定熵耗功，j 压气机的增压比 涡轮总温效率 涡轮静温效率 涡轮进口总压，p a 涡轮出口总压，p a 涡轮出口静压，p a 工质比热容，k j k g k 涡轮当量流通面积，m 2 涡轮有效效率 m r 乃 乃 c p ， 发动机排气的质量流量， k g h 涡轮后气体排温，k 涡轮进气温度，k 涡轮后排温与进气温度 间的平均定压比热， k j k g k 蜗壳入口截面积，m 2 喷嘴环出口截面积，m 2 蜗壳入口压力，p a 喷嘴环出口压力，p a 蜗壳入口温度，k 喷嘴环出口温度，k 。 蜗壳入口流体速度，m s 喷嘴环出口流体速度， m s 喷嘴环出口流体密度， k g m 3 喷嘴环出口流体速度方 向与圆周方向夹角，。 气体常数 气体绝热指数 流体多变指数 蜗壳损失系数， 涡轮质量流量，k g s v i i 皿也彳虿乃彳 4 4 昂毋瓦五g q a 口 r 尼 挖 孝 缈乃n巩 办厂 山东大学硕士学位论文 吒等效喷嘴通流面积，m 2 疋 压缩起始点温度，k m c 压气机流量 m r 燃油流量 1 0 涡轮入口的焓，k j k g 1 0 涡轮入口的总焓，k j k g 1 1 s 等熵过程中导向装置出口 的气体的焓值，k j k g n r 涡轮转速， r m i n n ，压气机转速，r m i n n 亿 涡轮增压器转速，r m i n 肼 流量系数 v i i i 压气机的定熵耗功，j 压气机的增压比 压气机入口滞止温度，k 空气定熵膨胀到压气机 出口的滞止温度，k 过量空气系数 发动机转速，r m i n 压缩起始点压力，p a 压缩起始点温度，k 增压器机械效率 涡轮输出功，j 压气机消耗功，j d r 1 ， 眠 彳 a 以只乙 u 毗 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 增压器涡轮性能研究进展 涡轮增压器主要由涡轮和压气机组成。它利用排气能量使排 气在涡轮中膨胀做功，用于驱动压气机，涡轮是驱动压气机叶轮转 动的原动机。涡轮主要由进气壳、排气壳和叶轮组成。进气壳( 也 称蜗壳) 的作用是，把发动机排出的废气，以尽可能小的流动损失 和尽量均匀的分布引导到涡轮喷嘴环的入口处川。按燃气流过涡 轮叶轮时的流动方向，涡轮可以分为轴流式涡轮、径流式涡轮和混 流式涡轮三种。喷嘴环( 导向器) 流通截面呈渐缩形，其作用是使 具有一定温度和压力的燃气速度上升并按照规定的方向进入叶轮。 与轴流式涡轮增压器相比，径流式涡轮增压器具有结构简单、体积 紧凑、轴向尺寸小的优点，在中、小型涡轮增压器上应用很广泛1 。 涡轮增压器的性能在很大程度上取决于涡轮的性能。涡轮的 主要工作参数有涡轮定熵效率、气体流量、涡轮转速和膨胀比等， 并以这些参数及其相互之间的关系来表示涡轮的工作性能。涡轮特 性曲线表示了各种工况下，涡轮各主要工作参数间的函数关系，是 作为涡轮与发动机匹配是否合理的重要依据。涡轮在实际运行过程 中，当发动机转速、负荷发生变化时，排气涡轮进口处的废气的压 力、温度、流量都相应的发生变化，使涡轮工作在非设计工况阶段。 而涡轮在非设计工况时，气流参数的变化是可以通过特性曲线来显 示的，即各种工况下涡轮主要工作参数间的函数变化关系是通过涡 轮特性曲线表示的，是确定涡轮与发动机匹配合理与否的重要依 据。涡轮特性曲线最常用的形式是表征涡轮效率变化的效率特性曲 线和表征涡流通流能力的流量特性曲线心钆圳。 目前涡轮性能研究主要方法有数值计算和试验研究两种。涡 轮试验对于验证涡轮性能是非常必要的。数值方法的适应性强，应 山东大学硕士学位论文 用面广，大大减少了试验的经费投入，并解决了试验周期长的问题。 涡轮增压器研究领域的三个重要组成部分是理论研究、数值 计算和试验研究。理论分析方法所得结果具有普遍性，各种影响因 素清晰可见，是试验研究和验证新的数值方法的理论基础。数值方 法的适应性强，应用面广，大大减少了试验的经费投入和解决了试 验周期长的问题。试验研究方法是涡轮增压器研究领域不可或缺的 重要组成部分。涡轮试验对于验证涡轮的性能是非常必要的_ 3 引。 1 1 1 涡轮性能的试验研究 通过涡轮试验获得的涡轮特性曲线，不仅能检验涡轮性能参 数是否能符合气动性能的指标，还能够反映涡轮的生产工艺质量， 为改善性能提供依据。因此涡轮的特性试验对涡轮的设计、生产和 匹配都具有十分重要的意义。 涡轮的定熵效率可由式( 1 1 ) 求得： 驴老2 转 a - 1 ) 涡轮流量可由式( 1 2 ) 求得： q 。7 = a a ，p s i n f l ( 1 - 2 ) 涡轮的流量特性有多种表示方法，目前应用比较广泛的是采 用相似流量口。，亏办表示，其中g 所r 是涡轮的质量流量，t t 是涡轮 前温度，p t 是涡轮前压力。实际应用中，为便于与设计工况进行对 比，经常采用折合流量( 非设计工况下的相似流量与设计工况下的 相似流量之比) 表征涡轮流量。 压气机叶轮对空气所作的功可通过利用压气机进出口的压 力、温度和流量计算得到： ：印t 2 s * t l ) ：磐( 竿一1 ) ( 1 - 3 ) 2 山东大学硕士学位论文 涡轮实际膨胀功可通过压气机叶轮对空气所作功，除以压气 机效率，加上机械损失功得到。 由于温度测量精度受到涡轮出口旋流的影响，所以根据涡轮 出口温度计算得的膨胀功不准确，一般通过测功方法获得涡轮实际 膨胀功，来计算涡轮定熵效率。 1 涡轮功测量 涡轮的实际膨胀功测量方法分为两种，分别为直接测量法和 间接测量法。 ( 1 ) 间接测功法 图1 1涡轮性能试验装置简图 间接测量法是通过测量压气机消耗在轴承上的机械损失功和 实际压缩功，由两者之和即得出涡轮实际膨胀功，进而得到涡轮效 率5 1 。 在将涡轮的非稳定流动当作准稳定流动来处理这一前提下， e p i s c h i n g e 等利用研制的稳定流动试验台得到涡轮等熵效率与压 力系数在全进气和部分进气时的关系曲线，结果表明间接测功法进 行稳定流动测量具有一定精确性凹圳。 在用间接测功法进行试验时，为获得较大负荷下的涡轮的效 率特性，需要提高压气机吸收功的能力，通常采用的是压气机自循 环加载0 。1 2 1 。这种方法在由压气机和冷却器组成的自循环回路中引 入压缩空气，以增加压气机的质量流量，进而提高压气机吸收功的 3 山东大学硕士学位论文 能力，同时由冷却器消散耗掉压气机施加给循环气体的功。为了减 小冷却器体积，马朝臣等人提出了一种新的涡轮定熵效率测量方法 卜川：将原方法中的冷却器用一辅助增压器取代，压气机施加给循 环气体的功由辅助增压器对外做功来耗散掉。图1 2 为这一方法的 原理图。 图1 2 涡轮性能试验台原理图 线框内部分为压气机自循环加载，f 5 为微调阀；在压气机端 空载时，阀f 2 、f 3 关闭，阀f 4 、f 7 打开，通过阀f 7 外界空气进 入压气机，通过阀f 4 排出，压气机加载时，f 3 打开，阀f 4 、f 7 关闭，高压空气通过阀f 2 进入循环回路，从而实现加载。根据这 一原理搭建了涡轮特性试验台，采用j 6 0 增压器作为辅助增压器， 通过阀门的调节，实现了压气机的加载，涡轮的速比可在0 8 o 6 2 范围内变化。图1 - 3 为原机上测取的涡沦效率特性曲线和在该实验 台对比结果，结果表明该实验减少了原设备中冷却器体积，同时涡 轮效率特性测量范围扩大了。 4 s 爵 巅 球 噻 图1 - 3j 6 0 增压器涡轮效率特性试验结果 ( 2 ) 直接测功法 间接测量法测量精度的影响因素很多，其精度比直接测功方 法低1 。直接测功方法是利用测功机，通过测量涡轮转速和作用在 测功机壳体上的力矩这两项，得出涡轮的输出功率。根据制动器工 作原理的不同，测功机可分为空气测功机、液力测功机和电涡流测 功机三类。 空气测功机工作原理是，涡轮的输出功被同轴的压气机吸收， 压气机吸收的功可通过测量作用在浮动的压气机壳上的反作用力 矩和增压器转速计算出来t3 0 3 。由于能充分利用原涡轮增压器的 零件，涡轮空气测功装置具有较高的测量精度，因而应用广泛。但 压气机进口为大气，用压气机壳体摆动来测功，导致测功范围比较 窄，为拓宽涡轮测功范围需要更换压气机叶轮，且涡轮空气测功装 置不能同时测出涡轮增压器的摩擦损失功卜。 液力测功机用特殊设计的叶轮代替压气机叶轮，用液体代替 空气进行制动。其涡轮壳也是固定的，不同的是，中间轴承体和测 功机叶轮壳体均以浮动的方式支承在蜗壳上，也是通过测量浮动壳 体上的反作用力矩得到涡轮功，但其中包括了轴承消耗部分，利用 这种测功方法可以测量涡轮的定熵效率；而空气测功机只能测量压 气机消耗的功，所得到的只是涡轮的有效效率，两者有区别8 。”3 引。 5 山东大学硕士学位论文 电涡流测功机测量原理与上述两种测功机相同，利用涡轮环 表面形成的涡电流而对感应子产生制动作用，制动器产生制动力。 电涡流测功机的尺寸和质量较小，可以在较高的转速下运转。液力 测功机和电涡流测功机测量精度高，瞬态响应性好，适合用于测量 非稳态涡轮特性n 钆36 1 。 2 涡轮流量测量 涡轮的流量特性表示涡轮的膨胀比与涡轮流量时间的关系。 涡轮的流量特性反应了涡轮流通能力，对于涡轮与压气机的匹配及 涡轮增压器与发动机的匹配都有很大的意义。 e p i s e h i n g e r 等阳1 利用涡轮流通截面的等熵面积来描述涡轮性 能。根据涡轮的流量特性等同于一个喷嘴的流量特性心玑3 7 3 这一原 理，做了简化处理，将涡轮作为简单喷嘴系统处理。图1 4 为压比 为1 3 时和不同平均压力值时涡轮流通面积与转速的关系曲线。其 中进气压力比l 如：= 1 3 ；涡轮进气温度t t e = 9 0 0 k 。 6 7 6 5 童 4 芷 3 2 l 丌t l1 6 1 8 i = = 2 ：= ：三 = n 7 a j l1 4 一 ： ，c “ 一、 1 3 1 7巡 1 a - j 、 - 如1 5 、 。 。h - 。 、 、， 6 0 0 0 0 7 0 0 0 08 0 0 0 0 9 0 0 0 0 n t r r a i n 图i 4 不同进气压力时等熵流通面积a s l 及a s 2 与涡轮转速的关系曲线 山东大学硕士学位论文 1 2 2 涡轮性能研究的数值计算方法 1 涡轮效率特性的数值计算方法 近年来，计算流体动力学( c f d ) 技术快速发展，且已经广泛 应用于叶轮机械内部流动的模拟分析。常婉帜等人利用试验测得压 气机和涡轮进出口参数，确定涡轮的有效输出功和效率他们。定义了 两种涡轮效率，即总温效率( 巩) 和静温效率( r h , ) ，用基于等熵 状态下的温度和压力比率的相对关系来确定透平级的效率。巩用总 温与总压的比率关系表示涡轮的效率，表示涡轮实际工作过程中的 最高效率，巩用总温预静压比率表示涡轮的效率，表示存在余速损 失时的效率。 铲高罴踟( 1 - 4 )巩2 西赢带 驴高筹黪 5 ， 。巧力和 巧 建立蜗壳与整周叶轮合并的增压器涡轮整机计算模型，利用 c f d 方法对涡轮内部流动进行了模拟，得到了涡轮的运行特性。并 将计算结果与相同条件下的试验结果进行了比较。其中的流动计算 采用f l u e n t 软件，将涡轮模型划分为蜗壳、叶轮和排气扩压管3 个计算子区。将流体工质作为可压缩理想流体处理。图1 5 和1 6 分 别示出总温效率巩和静温效率计算值和试验值随丌t 的变化趋 势。结果说明利用c f d 作为涡轮性能的计算工具是可行的，具有工 程化应用的意义。 7 山东大学硕士学位论文 图1 5 总温效率 图1 - 6 静温效率 李杜也采用模拟计算的方法对涡轮效率进行了研究心1 1 。作者 利用试验边界条件进行了c f d 模拟计算，得到涡轮出口径向和轴向 的温度分布规律，将涡轮出口截面的温度分布数据进行了曲线拟 合，计算出出口平均温度，利用平均温度作为涡轮出口温度，计算 涡轮温降，求取涡轮定熵效率，并对多种试验方法得到的定熵效率 进行了比较分析。图1 7 和图1 8 为平均温度法得到的效率曲线与试 验得到的效率曲线的对比结果。从结果看出，平均温度法和试验法 得到的效率曲线变化趋势基本相似，虽然在数值上还有一定差异， 但却提供了一种计算涡轮效率的方法。 8 山东大学硕士学位论文 5 0 r a m 效率特性比较 图1 75 0 m m 平均温度法与实验值比较 1 0 0 r a m 效率特性比较 图1 810 0 m m 平均温度法与试验值比较 n i k l a sw i n k l e r 等心2 ，3 3 1 对某六缸直列柴油机上双入口涡轮的 效率特性进行了研究。通过试验测得涡轮与压气机前后的参数，利 用测得的数据建立了g t p o w e r 模型，模拟计算得出流量、温度等 参数，再结合实测的涡沦转速、压力等算出涡轮的总静态效率。 2 涡轮流量特性的数值计算方法 随着计算方法的发展，涡轮流量特性数值计算方法得到越来 越多的关注，数值计算法可以指导涡轮的设计和配机参数的选择， 有利于开展涡轮变工况性能的研究，减少试验量。 9 山东大学硕士学位论文 传统的涡轮流量计算方法一般用当量面积代表涡轮的流通面 积，同时用相似流量表示涡轮流量。涡轮相似流量的计算公式为3 1 半= 恁 ( 1 2 他_ ( 1 州勺 ( 1 - 6 ) 当量流通面积是在不考虑涡轮中的各种损失下推导出来的， 计算时使用的喷嘴环出e l 面积和叶轮出口面积应为有效流通面积。 但一般情况下有效流通面积需要通过实验测定相应的收缩系数才 能确定。为此，马朝臣等人在传统的涡轮相似流量的计算中增加了 一个流量系数，并用相应的几何面积代替有效流通面积n9 1 。试验发 现流量系数是速比和喷嘴开度这两个变量的函数，因此，可用多变 量曲线拟合的方法得到流量系数与速比玩及喷嘴开度口的关系曲 线。 = - 0 9 2 1 7 + 1 5 9 4 9 e m + 3 0 4 8 4 u l e 一“1 + o 0 0 4 3 a o 0 0 0 4 a 2( 1 - 7 ) 通过这种关系，可计算出某一喷嘴开度下的流量系数，从而 计算可调涡轮在各工况下的流量特性。为验证方法的有效性，用它 预测了另两个可调涡轮的流量特性，并与实测流量特性进行了比 较。图1 9 中涡轮的比转速为2 5o o r m i n ，图1 10 中给出了涡轮在28 0 0 r m i n 和3 2 0 0r m i n 两个比转速下的流量特性。可以看出，预测值与 试验值相差较小，满足预测精度的要求。 1 0 r 老 量 x k 毒 图1 97 3o 涡轮增压器喷嘴环不同开度时预测流量与实测流量的比较 山 f 警 ? 簧 x 蛊 寸 龟 麓 e 7 图1 10 v g tk 2 7 喷嘴环不同开度时计算流量与实测流量的比较 涡轮流量特性受诸多因素的影响，其中主要的影响因素是涡 轮当量喷嘴面积，其他因素的影响会随涡轮工况的变化而变化，精 确预测这些影响因素变化有一定难度。张殿佐等心4 t3 4 1 把随涡轮工况 变化的影响因素归结为流通系数旯随涡轮膨胀比互的变化关系，利 用这一关系和c f d 流体计算对j 6 0 涡轮流量特性进行了计算。对比 结果如图17 所示。其中，试验曲线的相似转速分别为350 0 和39 0 0 。 五= - 0 7 6 1 4 n t 4 + 5 3 8 2 3 n t - 1 4 11 3 n t 2 + 1 6 3 9 2 n 1 6 2 4 8 6( 1 8 ) 对涡轮性能进行计算时，一般将边界条件进行简化处理，如 蜗壳和喷嘴的结构。对蜗壳、喷嘴处损失系数的选取也有一定误差， 使得计算结果精度不如试验方法精度高。 1 2 3 各研究方法的优缺点 ( 1 ) 涡轮特性研究的试验方法各有特点。间接测功法应用多， 精度不高；空气测功机适用于小型高速涡轮增压器，空气扰动及膨 胀使得测量精度不是很高；液力测功机适用于低速大型增压器，对 于小型高速增压器不适用；电涡流测功机精度高，但需要高转速， 造价昂贵。根据精度要求选取所需测功机进行涡轮性能测量。 ( 2 ) 涡轮性能的模拟计算方法，大多是基于一维流动理论和 稳态流动特性，且一般对涡轮内部流动过程进行简化计算，使得计 算结果误差较大。涡轮非稳态流动特性研究还不充分0 1 。目前对涡 轮性能数值计算研究，大都是基于发动机工况下的涡轮性能的计 算，而对发动机非工况下的涡轮性能少有研究，没有形成一套整体 山东大学硕士学位论文 的涡轮性能计算方法。 1 3 本论文研究内容概述 1 3 1 本课题的目的和意义 目前，液力测功机能很好的满足车用涡轮增压器的试验要求。 国外的涡轮液力测功机已经达到了很高的水平，国内研究水平还有 待提高。但是，采用测功机进行涡轮试验的主要问题在于试验周期 长，试验费用高，高速涡轮测功装置技术比较复杂。对于国内研究 单位，一般不具备高速涡轮测功装置的试验能力。 对于模拟计算方法，大多是基于增压器的性能曲线进行匹配 计算，或者对涡轮某一部件进行流动等的计算研究，而缺少一种直 接对涡轮性能进行计算的模拟软件。对涡轮性能的研究，也大多以 发动机工况为依据，进行涡轮性能计算，而对非工况下涡轮性能曲 线少有研究。本文在发动机与增压器匹配的基础上计算涡轮性能， 而对非工况下的涡轮性能也进行延伸计算，得到较全面的涡轮性能 曲线。 1 3 2 本文研究基本方法与内容 本文以涡轮性能试验为主，结合c f d 数值模拟计算，对涡轮 的性能曲线计算方法进行研究。利用压气机、涡轮进出口参数，通 过数学表达式求出涡轮性能曲线；利用计算得到的性能曲线与数值 模拟的性能曲线进行比较分析，验证研究方法的可行性与可靠性。 根据对比结果，分析误差因素，为进一步的研究工作提供改进意见， 完善研究方法。 主要研究内容包括： 1 以w d 615 发动机及与之匹配的j 9 0 涡轮增压器为对象，进 行了试验研究，测得各工况下涡轮和压气机的进出口参数。 2 利用编程语言对涡轮的性能进行计算，得出涡轮行能曲线。 3 将获得的j 9 0 涡轮性能曲线输入a v lb o os t 软件，进行全 模型匹配计算，对计算结果与试验数据进行误差分析。 1 2 山东大学硕士学位论文 4 分别利用a v l b o o s t 和g t p o w e r 对b j 4 8 6 和b j 4 9 3 进 行简单模型计算，计算得出压气机与涡轮的进出口参数，以这些参 数为边界条件进行与发动机相匹配的j 4 0 、j 6 0 涡轮性能曲线的计 算研究。将获得的涡轮性能曲线输入两种软件进行全模型匹配计 算。进行发动机性能参数的计算与试验对比，从而得出计算方法的 实用性。 1 3 山东大学硕士学位论文 1 4 山东大学硕士学位论文 第二章试验及边界条件的获取 2 1 涡轮增压器试验 在涡轮增压器经过设计、制造等工序后，须通过试验检查其 是否达到气动设计指标，此外还需要通过试验检验对增压器性能产 生不同影响的结构因素。同时通过检查涡轮增压器结构的可靠程 度，来评价涡轮增压器结构设计的合理性以及其制造工艺的正确 性。目前还没有一套比较精确的方法来确定增压器涡轮与压气机的 性能和各结构因素对涡轮增压器性能及可靠性的影响，主要通过利 用专门的试验台对涡轮和压气机进行大量试验，在试验的基础上， 通过分析试验数据，总结试验结果来获得涡轮增压器的涡轮特性曲 线和压气机特性曲线，并检验其结构的合理性以及制造工艺的正确 性2 引。 对涡轮增压器研究的方法主要包括实验研究、理论研究和数 值计算。其中，实验研究方法是涡轮增压器研究领域一个非常重要 组成部分。依据试验目的，增压器的试验可分为研究性试验、工厂 检验性试验和涡轮增压器与发动机的联合试验三种试验。试验的目 的不同，其进行试验的内容相应不同；研究性试验的主要目的是通 过对结构、材料、工艺等进行广泛深入地研究来改进现有产品的性 能。工厂检验性试验的目的是对产品进行定期检查，以检验产品是 否合格。增压器与发动机联合试验是为了检查和调整涡轮增压器对 发动机的适应性能，并对增压器进行一定的结构考核试验。 与压气机特性一样，涡轮特性是涡轮增压器总体性能不可或 缺的组成部分。涡轮实验对于验证涡轮性能是非常必要的。通过耐 久性测试可确定涡轮的工作寿命；通过疲劳试验和全息术可以检测 出高周疲劳产生的原因；与其他试验不同，空气动力学性能试验的 目的是测试整个涡轮增压器的性能，而非仅局限于单个涡轮。这些 试验可以在发动机、热吹台架或者冷吹台架上进行。每种试验目的 15 山东大学硕士学位论文 不同，测试的方面不同，各种实验都有其各自的优势和缺点心”。 相比通过试验方法获得压气机特性，采用试验方法获取涡轮 增压器的涡轮特性难得多，压气机特性试验中压气机效率是通过测 量压气机进出口温度和增压比计算出来的。而在涡轮性能实验中想 要精确的测量涡轮前后温度非常困难，因此直接通过温度的测量来 得到涡轮性能是很难实现的，故测定涡轮性能时一般从测量涡轮功 来求得涡轮效率心3 1 。采用间接测功方法试验时，通常采用整机试验 来同时获得压气机与涡轮的性能参数及增压器的共同工作特性。 涡轮性能试验，是在相似转速拧，, r r 为恒值时，以相似参数 表示的涡轮流量鸩乃办与膨胀比= p r p r 的变化关系，以及 涡轮有效效率珊与速度比u ，的变化关系。 2 2 试验及边界条件的测量 为了进行涡轮性能曲线的计算，需要压气机与涡轮的进出 口参数作为初始条件，为此需要进行发动机与涡轮增压器匹配的 台架试验。 本文以w d 615 柴油机型为研究对象进行单机稳态试验，对 涡轮增压器进行了涡轮和压气机进出口参数的测定。试验所采用 的主要设备与仪器如下表所示。 1 6 表2 1 试验用主要设备及仪器 式中，以为流量计圆柱形部分的直径，m ；孝为流量计损失系 数，啦，为流量计压差，m m 水柱。 2 2 2 增压器涡轮结构参数 1 涡轮部分结构图 w d 6l5 、b j 4 8 6 和b j 4 9 3 发动机所匹配的增压器分别为j 9 0 、 j 4 0 和j 6 0 ：为了获得三个增压器涡轮性能，需要三种涡轮的结构 参数。j 9 0 、j 4 0 和j 6 0 蜗壳出口截面图如图2 1 ，2 2 ，2 3 所示。 臻竞 图2 1j 4 0 蜗壳出口截面图 1 7 山东大学硕士学位论文 3 乏乏蔓毫兰 图2 2j 6 0 蜗壳出口截面图 i 耄 图2 3j 9 0 蜗壳出口截面图 2 增压器涡轮结构参数 表2 2涡轮结构参数 涡轮型号j 9 0j 4 0j 6 0 涡轮叶轮进口直径m m巾8 3 5巾4 2 5咖5 0 6 喷嘴环出口直径m m巾8 4 39巾4 3巾51 2 7 山东大学硕士学位论文 2 2 3 试验数据 涡轮性能曲线的计算需要以涡轮与压气机的进出口参数为基 础条件，为此需要进行试验来获取这些参数。并测得了发动机的性 能曲线，从而为验证计算结果的正确性提供参考。 本文以w d 6 15 试验台架为基础，匹配j 9 0 涡轮增压器，测得 发动机性能参数，并测量了涡轮增压器的压气机与涡轮进出口参 1 9 山东大学硕士学位论文 数。 g z 壤 枣 转速( r m i n ) 图2 - 4w d 615 发动机外特性曲线 功率k w 图2 5 负荷特性曲线 外特性和负荷特性是发动机的主要性能曲线，是发动机动力 性、经济性的直观表现，因而也是验证模拟计算结果的重要凭证。 图中可以看出，12 0 0 转速下试验测量部分点出现偏差。 2 0 r一参考暑瓣骥涎漂鬟 山东大学硕士学位论文 压气机出口参数： 图2 6 压气机出口压力 图2 7 压气机出口温度 通过压气机的进出口压力和温度，可以计算得到压气机叶轮 对空气所作功，从而间接得出涡轮所作功，对研究涡轮性能有重要 意义。也可用作模拟计算与试验结果的对比。2 20 0 转速下高功率 时压气机处于低效率区，使得高工况下压气机出口压力和温度有所 降低。 2 l 山东大学硕士学位论文 功率k w 图2 8 涡轮入口压力 图2 9 涡轮入口温度 涡轮入口的压力、温度是涡轮性能研究中所需的已知参数， 是涡轮性能曲线计算中的初始条件。涡轮进出口温度是瞬态变化 的，要获得比较准确的涡轮温度参数比较困难。 2 2 山东大学硕士学位论文 四 凸_ 穴 日 2 蜊 赠 图2 10 涡轮出口压力 功率k w 图2 11 涡轮出口温度 涡轮出口参数是涡轮功计算所必需的。也是验证计算结果准 确性的重要依据。 2 3 山东大学硕士学位论文 图2 - 1 2 涡轮质量流量 流量特性曲线用以表征涡轮的流通能力，能够比较全面的反 应涡轮在与活塞式发动机联合运行时的工作状况，是涡轮特性曲线 最常用的形式之一。发动机处于部分高工况时，压气机处于低效率 区，使得涡轮流量在发动机高转速时有所下降。 其他所得试验结果见附录。 2 2 4 排气物性参数的确定 由于发动机排气成分的复杂性，使得其物理特性参数和空气 有很大的区别，若采用空气成分作为排气成分进行计算将产生较大 的误差，因此有必要确定这个温度范围内的排气的物性参数。气体 中的各组分及其热力性质决定了发动机排气的性质。根据发动机所 用的燃料类型、燃料的燃烧组织方式和发动机的工作状况，并参考 发动机的实际排放数据心引，可确定发动机的排气组成及浓度范围如 表2 3 所示。 根据本实验发动机工作的实际情况，在标定工况下运行的发 动机，可将微量成分忽略，则确定排气的主要成分及其含量大约值 如表2 4 所示。 2 4 成分氮气氧气水蒸气二氧化碳 体积分数( ) 7 6787 假设在工作时，其发动机的排气成分是不变的，且其各排气 成分的含量也基本保持恒定，这样就能够通过计算得到发动机排气 的各项物性参数，包括气体常数和比热值等，气体常数和比热的数 值会直接影响到排气焓降值，而排气焓降值会对增压器的效率产生 很明显的影响。依据热力学中混合气体的性质，则可通过计算得出 发动机排气的综合物性参数。 废气带走的热量q ，的计算公式 q ，= m ，c 忆一l ) k j h( 2 3 ) 实验中，通过质量守恒定律来确定m ，试验中，我们认为排 气的质量流量等于进气的质量与燃料质量流量之和。实验中流量 采用oc e i l 2o n125 型热式气体流量计测量，通过流量计可以直 接读出气体的质量和气体的体积。 c 。，的取值采用经验计算法： 长期以来，发动机排气比热是计算热平衡的实验难点。依 据柴油与空气的成分，通常把燃烧后的气体分成两部分计算：一 部分是按照过量空气系数由。= 1 时的完全燃烧产物，对一般柴油 机燃料，认为其组分c 、h 、o 的质量分数分别为0 87 、o 12 6 、 0 0 0 4 此时纯燃烧产物的相对分子质量为2 9 133 。另一部分认为 2 5 山东大学硕士学位论文 是剩余的纯空气，空气的相对分子质量28 9 6 认为空气为理想 气体，其组分只含氧与氮，其中氧与氮的含量分别为2 0 95 、 7 9 05 。 通过查气体的真值摩尔定压热容表，可得到排气的摩尔定 压真值热容为： c = a c 口+ ( 1 一口) c ( 2 - 4 ) 通过查表得到的气体摩尔定压真值热容都是温度的多项式 形式，c ，的确定如下： c 口，= a o + 口1 t + a 2 t 2 + 口3 丁3 + 口4 丁4 ( 2 5 ) 丐= 雨1 一d 丁 ( 2 - 6 ) 对于纯空气，其定压比热容为c p 0 ，其a o = 3 0 37 2 9 ，a l = 1 1 12 10 一，a 2 = 2 7 38 8 10 ，a 3 = 15 9 05 7x10 一，a 4 = - 2 2 9 73 10 。1 2 。 这样中冷器的定压热容就可以认为是： c p 。= a 0 + 口l t + a 2 丁2 + a 3 r 3 + a 4 r 4 = 3 0 3 7 2 9 + 1 1 1 2 1 0 - 3 f ( 2 - 7 ) + 2 7 3 8 8 1 0 6 t 2 1 5 9 0 5 7 1 0 9 t 3 2 2 9 7 3 1 0 1 2 t 4 纯燃烧产物定压比热容为c pl ，其a 0 = 2 9 49 2 ，a l = 1 4 2 l0 - 3 ，a 2 = 1o b j 4 93 0 6 10 ，a 3 = 4 56 033 10 一，a 4 = 一0 59 4 7 9 2 x10 。1 2 。 1k g 柴油完全燃烧需要的理论空气量可以通过下式计算得 到： 九= ( 鲁+ 半一等) + 2 0 9 5 - - 0 4 9 5 8 捌 8 ， 2 i 百+ 丁