径流式涡轮喷嘴环低流损函数叶片设计方法研究

论文摘要

增压技术是内燃机技术的重要发展方向。近几年，能源和环境问题日益严峻，而增压技术在提高功率、节省油耗、降低排气污染等方面有显著效果，因而使其在各种机型的内燃机上得到广泛的应用，对增压器的研究也越来越受到重视。提高增压器的能量转换效率是增压器研究的重要内容。理论研究表明，在其他条件不变情况下，喷嘴速度系数比叶轮速度系数对涡轮轮周效率的影响大得多，喷嘴速度系数如增加1％，涡轮轮周效率将增加1.5～2％；而叶轮速度系数增加1％，涡轮轮周效率只增加0.1～0.2％。因此，降低喷嘴中的流动损失、提高其能量转换效率，是提高涡轮效率进而提高涡轮增压器总效率的重要途径。本文即是通过蜗壳及喷嘴流场的数值计算和分析，对有叶喷嘴的叶片提出一种低流损、高效率的函数型线的设计方法开展的研究。 增压器涡轮蜗壳中的气体流动是可压缩的三维粘性流动，由于蜗壳结构复杂，对其进行详细的分析计算非常困难，以往的计算多是进行了较大的简化或人为的假定，如将三维简化成两维，将可压缩简化成不可压缩，将粘性简化成非粘性等。其数值计算方法可以采用有限差分法、有限元法、有限体积法等方法。 本文将蜗壳及有叶喷嘴的流通区域进行合成建模，对其进行了三维、可压缩、粘性流动的数值模拟。对SJ135增压器的涡轮蜗壳及有叶喷嘴环用Pro／E进行了流通区域建模，用AVL公司的FIRE软件对建立的流通区域进行了网格划分。利用FIRE软件根据CFD基本方程和K-ε双方程模型采用有限体积法对其进行了三维可压缩粘性流场数值计算。计算中采用的是等压出口边界条件。通过计算，得到了流通区域压力场、温度场、速度场的模拟结果。计算结果直观地反映了蜗壳及有叶喷嘴内的流动情况，在流通通道过渡处或急弯处，以及喷嘴叶片进口端部，均有气流的滞止；在两腔的交汇处和喷嘴叶片的出口端则有局部涡流；喷嘴出口气流速度不均匀；这些现象都会造成能量转换损失，可以作为改进蜗壳和喷嘴的依据。 对利用Fire软件计算具有涡漩特征的蜗壳流场的可行性进行了试验研究。对解剖开的SJ146—03J涡轮增压器的无叶蜗壳的中心截面进行了压力场

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 废气涡轮增压器的应用
• 1.2 几种新型增压器介绍
• 1.3 喷嘴环叶片的设计
• 1.3.1 双叶片整体式轴向移动可变喷嘴
• 1.3.2 NBS造型
• 1.3.3 后部加载叶型
• 1.3.4 海豚形叶形
• 1.3.5 可控扩散叶型的研究
• 1.3.6 弯曲叶片的研究成果及其在涡轮中的应用
• 1.4 涡轮增压器蜗壳内流场CFD计算
• 1.4.1 CFD技术的发展
• 1.4.2 CFD通用软件概述
• 1.4.3 著名CFD通用软件简介
• 1.4.4 国内外对蜗壳内流场进行CFD计算的研究动态
• 1.5 本文的研究内容和意义
• 1.5.1 对原机蜗壳和有叶喷嘴环流通区域进行数值分析
• 1.5.2 涡轮喷嘴环函数叶片的设计
• 1.5.3 新旧叶片增压器蜗壳喷嘴的数值计算和配机试验
• 1.5.4 本课题的创新点
• 第二章 原机蜗壳和有叶喷嘴环流通区域的CFD建模
• 2.1 计算步骤
• 2.2 几何模型的建立及贴体网格的划分
• 2.2.1 计算采用的增压器涡轮蜗壳和喷嘴环
• 2.2.2 流通区域的建立
• 2.2.3 计算区域贴体网格的划分
• 2.3 数学模型的建立
• 2.3.1 连续性方程
• 2.3.2 动量方程
• 2.3.3 能量方程
• 2.3.4 湍流模型K～ε双方程模型
• 2.4 计算边界条件的设定
• 2.4.1 计算模式的设定
• 2.4.2 确定进出口边界条件
• 2.4.3 流体物性参数的确定
• 2.4.4 壁面边界条件
• 2.4.5 初始条件的设定
• 2.4.6 求解控制项的设定
• 2.4.7 数据输出控制的设定
• 2.4.8 监控
• 2.5 本章小结
• 第三章 原机蜗壳和有叶喷嘴环流通区域的CFD计算结果及分析
• 3.1 低流损流场应满足的条件
• 3.2 计算结果和定性分析
• 3.3 计算结果的取值分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 用FIRE软件计算蜗壳流场的可行性实验研究
• 4.1 蜗壳内流场中的压力和温度测量
• 4.1.1 试验装置
• 4.1.2 蜗壳流场内温度的测量
• 4.1.3 蜗壳流场内压力的测量
• 4.2 试验用蜗壳流场的数值计算
• 4.3 计算结果和实验结果的对比
• 4.4 本章小结
• 第五章 低流损函数叶片的设计和CFD模拟计算
• 5.1 低流损函数叶片的设计原则
• 5.2 函数叶片的设计
• 5.2.1 头部型线为双纽线的叶片型线确定
• 5.2.2 头部型线为玫瑰线的环片型线的确定
• 5.3 新方案的CFD模拟计算
• 5.4 结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 叶片的加工及实际配机试验
• 6.1 喷嘴环组件的加工
• 6.2 配机试验
• 6.2.1 试验方法和步骤
• 6.2.2 前九种叶片的试验结果及分析
• 6.2.3 三种补充方案的试验
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文总结论
• 7.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表