高海拔條件下壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其對(duì)柴油機(jī)性能的影響

董素榮，劉卓學(xué)，劉瑞林，張眾杰，張金明

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高海拔條件下壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其對(duì)柴油機(jī)性能的影響

董素榮1，劉卓學(xué)2, 3，劉瑞林1，張眾杰2，張金明4

(1. 陸軍軍事交通學(xué)院軍用車輛工程系，天津 300161；2. 陸軍軍事交通學(xué)院研究生管理大隊(duì)，天津 300161； 3. 93015部隊(duì)，哈爾濱 150000；4. 康躍科技股份有限公司，壽光 262711)

基于二級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)高海拔性能試驗(yàn)，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和柴油機(jī)工作過(guò)程計(jì)算方法，開(kāi)展高海拔條件下壓氣機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其對(duì)柴油機(jī)性能影響的研究．研究結(jié)果表明：海拔5500m，壓氣機(jī)葉輪主葉片及分流葉片前緣前掠6.27°、分流葉片向主葉片壓力面偏折12.09°，壓氣機(jī)葉輪流道內(nèi)流動(dòng)損失明顯降低，出口處流動(dòng)穩(wěn)定性提高，壓比、效率及流量范圍分別提高4.16%、2.63%及6.58%；壓氣機(jī)葉輪優(yōu)化后，二級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)中低轉(zhuǎn)速燃燒過(guò)程得到明顯改善，滯燃期和燃燒持續(xù)期縮短；柴油機(jī)1200r/min全負(fù)荷工況最高燃燒壓力升高9.53%，累計(jì)放熱量提高8.78%，轉(zhuǎn)矩提高5.82%，燃油消耗率降低4.42%．

高海拔；柴油機(jī)；壓氣機(jī)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；性能

渦輪增壓柴油機(jī)作為車輛、工程機(jī)械、發(fā)電機(jī)組及國(guó)防裝備的動(dòng)力源，在高原地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)中起著重要的作用．然而，由于高海拔大氣壓力降低，柴油機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量減少，將導(dǎo)致柴油機(jī)性能下降[1].提高進(jìn)氣質(zhì)量是柴油機(jī)高海拔動(dòng)力恢復(fù)的關(guān)鍵，二級(jí)可調(diào)增壓是提高柴油機(jī)高海拔性能的有效措施[2-4].然而，隨著海拔高度的增加，空氣密度減小，雷諾數(shù)大幅降低，氣流黏性阻力明顯增加，流動(dòng)抗分離能力變?nèi)?，使得跨聲速離心壓氣機(jī)性能及穩(wěn)定工作能力變差[5-7]，降低了渦輪增壓器的性能及柴油機(jī)的高海拔適應(yīng)性．鑒于此，筆者在二級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)高海拔性能研究的基礎(chǔ)上，對(duì)二級(jí)可調(diào)增壓器低壓級(jí)壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高柴油機(jī)高海拔性適應(yīng)能力.

1?研究對(duì)象與研究方法

1.1?研究對(duì)象

以1臺(tái)匹配二級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)的高壓共軌柴油機(jī)為研究對(duì)象．二級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)的高壓級(jí)為可變截面渦輪增壓器，低壓級(jí)為帶廢氣放氣閥的固定截面渦輪增壓器．二級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示．

表1?柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

Tab.1?Main specifications of diesel engine

1.2?研究方法

1.2.1?試驗(yàn)研究

利用二級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)高海拔模擬試驗(yàn)系?統(tǒng)[3-4]，進(jìn)行二級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)高海拔標(biāo)定與性能模擬試驗(yàn)．該試驗(yàn)系統(tǒng)主要由不同海拔(0～6000m)柴油機(jī)進(jìn)排氣壓力模擬系統(tǒng)、柴油機(jī)測(cè)功系統(tǒng)、燃燒分析系統(tǒng)和二級(jí)可調(diào)增壓器測(cè)控系統(tǒng)等組成．主要測(cè)試儀器包括CW440D測(cè)功機(jī)、AVL670燃燒分析儀、ToCeil-CMFD/G025瞬態(tài)油耗儀、JAQUET T412增壓器轉(zhuǎn)速測(cè)試儀等．以柴油機(jī)高海拔動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性最佳為目標(biāo)，以增壓器最高轉(zhuǎn)速、柴油機(jī)最高排氣溫度、最高燃燒壓力為限制條件，在原機(jī)(單級(jí)增壓柴油機(jī))噴油參數(shù)不變的情況下，進(jìn)行柴油機(jī)二級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)高海拔標(biāo)定與性能試驗(yàn)．

試驗(yàn)結(jié)果表明，與原機(jī)(單級(jí)增壓柴油機(jī))相比，二級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)不同海拔的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性得到提升，海拔5500m標(biāo)定功率提高11.8%，燃油消耗率降低4.8%(見(jiàn)圖1)．但由圖1可知，海拔升高，二級(jí)增壓器滯后仍較嚴(yán)重，尤其是海拔5500m、低速(1300r/min以下)柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降明顯．

圖1?不同海拔二級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)性能曲線

1.2.2?壓氣機(jī)葉輪優(yōu)化研究

圖2為利用NUMECA專業(yè)葉輪機(jī)械計(jì)算軟件，建立的低壓級(jí)壓氣機(jī)蝸殼及葉輪三維幾何模型．壓氣機(jī)葉輪仿真模型建立及驗(yàn)證詳見(jiàn)文獻(xiàn)[8]．設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)面為無(wú)滑移固壁邊界，輪蓋面為絕熱無(wú)滑移的靜止固壁邊界，設(shè)置進(jìn)口邊界條件為軸向進(jìn)氣，給定總溫及總壓，出口的邊界條件在大流量下給定平均靜壓值，小流量下指定質(zhì)量流量．

圖2?壓氣機(jī)幾何模型

為獲得高海拔壓氣機(jī)葉輪的最佳葉型，對(duì)壓氣機(jī)葉輪進(jìn)行參數(shù)化擬合；采用全因子的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法(DOE)對(duì)樣本庫(kù)進(jìn)行構(gòu)建；以壓比及效率最大為目標(biāo)，采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及GA遺傳算法相結(jié)合的方法，對(duì)壓氣機(jī)前緣形狀(掠)及分流葉片周向位置進(jìn)行尋優(yōu)．優(yōu)化后壓氣機(jī)葉輪模型如圖3所示，主葉片及分流葉片前緣為前掠葉型，掠角為6.27°(優(yōu)化前葉輪葉片前緣掠角為0°)；分流葉片向主葉片壓力面偏折，與主葉片吸力面夾角12.09°(優(yōu)化前分流葉片與主葉片吸力面夾角為11.62°)．

圖3?優(yōu)化后壓氣機(jī)葉輪模型

1.2.3?柴油機(jī)高海拔燃燒過(guò)程數(shù)值模擬研究

基于GT-Power及AVL Fire軟件分別建立低壓級(jí)壓氣機(jī)葉輪優(yōu)化后二級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)高海拔工作過(guò)程和燃燒過(guò)程仿真模型，開(kāi)展海拔5500m、不同轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)燃燒與性能的仿真研究，并與匹配優(yōu)化前壓氣機(jī)的柴油機(jī)高海拔試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性．

工作過(guò)程仿真模塊主要包括氣缸模塊、噴油器模塊、曲軸箱模塊、配氣機(jī)構(gòu)模塊、渦輪增壓器模塊、進(jìn)排氣管路及中冷器模塊等；燃燒過(guò)程仿真模型如表2所示．根據(jù)實(shí)際參數(shù)值和試驗(yàn)測(cè)得值設(shè)定初始參數(shù)．

圖4和圖5是海拔5500m、柴油機(jī)全負(fù)荷工況二級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)高海拔模擬試驗(yàn)結(jié)果[3-4]和仿真結(jié)果．由圖可知二者吻合度較高，誤差均在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了柴油機(jī)模型的準(zhǔn)確性．

表2?燃燒模型

Tab.2?Combustion model

圖4 海拔5500m、柴油機(jī)1200r/min全負(fù)荷缸內(nèi)壓力曲線

圖5 海拔5500m柴油機(jī)性能試驗(yàn)與仿真結(jié)果

2?結(jié)果與分析

2.1?高海拔下優(yōu)化前后葉輪性能及流動(dòng)特性

圖6為海拔5500m條件下優(yōu)化后的葉輪特性曲線．可以看出，優(yōu)化后葉輪性能得到改善，壓比、效率及流量范圍分別提高了4.16%、2.63%及6.58%．近喘振點(diǎn)處效率及流量的提高較為明顯，工作裕度也得到了一定的提高，尤其在小流量下壓比的提高幅度較大，這將有助于提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作能力，提高柴油機(jī)在低速工況下的動(dòng)力性．

圖6?優(yōu)化后葉輪性能曲線

圖7為海拔5500m條件下優(yōu)化后葉輪子午面熵增圖．由圖7可知，優(yōu)化后近喘振工況下葉輪頂部損失明顯減小，優(yōu)化前在主葉片前緣附近就已經(jīng)形成高損失區(qū)，而優(yōu)化后在分流葉片前緣之后損失才逐漸開(kāi)始增加．最高效率工況及近堵塞工況優(yōu)化后的葉輪最高損失及高損失范圍也同樣小于優(yōu)化前．由此可見(jiàn)優(yōu)化后葉輪總體損失降低．

圖8是近喘振工況優(yōu)化前后壓氣機(jī)葉輪內(nèi)部三維流線分布．相比優(yōu)化前，優(yōu)化后葉輪內(nèi)部流動(dòng)更加平穩(wěn)，未出現(xiàn)主葉片泄露流向入口處偏折并流入相鄰流道的狀況，同時(shí)主葉片泄漏流幾乎沒(méi)有出現(xiàn)橫跨流道進(jìn)入分流葉片吸力面一側(cè)的現(xiàn)象．圖9為近喘振工況葉表靜壓分布，圖10為不同工況下優(yōu)化后葉輪出口處相對(duì)馬赫數(shù)沿葉高的分布曲線，圖11為不同工況優(yōu)化后葉輪出口熵增沿葉高的分布曲線．由圖9可以看出，優(yōu)化后葉片壓力面靜壓下降幅度較小，吸力面一側(cè)靜壓也同樣高于優(yōu)化前，因此，頂部泄漏流體得到了降低；此外，由于通道流程變長(zhǎng)、分流葉片壓力面與主葉片吸力面壓差增加，使得泄漏流的周向能量損失增加，因此并未出現(xiàn)泄漏流跨過(guò)分流葉片的現(xiàn)象．

圖7?優(yōu)化后子午面熵增

圖8?喘振工況三維流線分布

圖9?近喘振工況葉表靜壓分布

由圖10可知，近喘振工況及最高效率工況處氣流速度均比優(yōu)化前有所提高，且近喘振工況90%葉高之后相對(duì)馬赫數(shù)有較為明顯的提升，說(shuō)明優(yōu)化后壓氣機(jī)在該工況頂部所聚集的低速流體減少，降低了該工況下主要損失的來(lái)源．近堵塞工況下出口速度有所降低，堵塞現(xiàn)象得到緩解．

由圖11可知，優(yōu)化后壓氣機(jī)各葉高損失均小于優(yōu)化前，尤其從90%葉高開(kāi)始，存在明顯的降低，低速流體在頂部的聚集減少，流動(dòng)損失減小，尤其在近喘振工況下，優(yōu)化后流道內(nèi)流動(dòng)得到明顯的改善，損失大幅降低．

圖10?葉輪出口處相對(duì)馬赫數(shù)沿葉高分布曲線

圖11?葉輪出口熵增沿葉高的分布曲線

2.2?葉輪優(yōu)化前后柴油機(jī)高海拔性能

圖12為葉輪優(yōu)化前后海拔5500m條件下柴油機(jī)1200r/min缸內(nèi)燃燒壓力曲線．與優(yōu)化前相比，葉輪優(yōu)化后柴油機(jī)缸內(nèi)最高壓力升高9.53%，每循環(huán)所做的有用功提高了12.02%，進(jìn)而提高了低轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)的動(dòng)力性．

圖12?柴油機(jī)缸內(nèi)壓力曲線

圖13為優(yōu)化前后海拔5500m條件下柴油機(jī)1200r/min缸內(nèi)放熱率曲線，可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后預(yù)混燃燒放熱率峰值比優(yōu)化前低了19.10%，擴(kuò)散燃燒放熱率明顯高于優(yōu)化前，累計(jì)放熱率提高了8.78%(見(jiàn)圖14)．壓氣機(jī)葉輪優(yōu)化后提高了進(jìn)氣質(zhì)量，燃燒過(guò)程中氧氣充足，局部缺氧現(xiàn)象得到緩解，滯燃期、燃燒持續(xù)期縮短(見(jiàn)圖15)．

圖13?柴油機(jī)放熱率曲線

圖14?累計(jì)放熱率曲線

圖15?柴油機(jī)滯燃期、燃燒持續(xù)期

圖16為海拔5500m條件下葉輪優(yōu)化前后低壓級(jí)增壓器性能對(duì)比．從中可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后低壓級(jí)壓比及效率均有增加，且在1200r/min時(shí)，壓比和效率增幅最大，其中壓比提高6.30%，效率提高了3.01%，這對(duì)于改善中低轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)高海拔性能至關(guān)重要.

圖16?優(yōu)化前后壓氣機(jī)壓比及效率對(duì)比

圖17為海拔5500m條件下葉輪優(yōu)化前后增壓柴油機(jī)進(jìn)氣量對(duì)比．由圖可知，葉輪優(yōu)化后柴油機(jī)各轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣量均增加，且在低速(1000～1500r/min)增加更為顯著，1200r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣量提高6.22%，2100r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣量提高4.30%．這得益于高海拔條件下優(yōu)化后壓氣機(jī)流動(dòng)特性的改善，壓比在全范圍內(nèi)得到提高，增加了進(jìn)氣壓力，進(jìn)而使得柴油機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣量有所提升．

圖17?優(yōu)化前后柴油機(jī)進(jìn)氣量對(duì)比

進(jìn)氣量的增加將會(huì)直接影響到柴油機(jī)高海拔動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的提升．圖18為海拔5500m條件下葉輪優(yōu)化前后柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩變化，從中可發(fā)現(xiàn)葉輪優(yōu)化后柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩增加，在1500r/min轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩可達(dá)到1145.75N·m，比原機(jī)高4.65%；此外，因優(yōu)化后柴油機(jī)在中低轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣量得到了大幅提高，因此，在1000～1500r/min范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩提高幅度較大，1200r/min轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩達(dá)到412N·m，比原機(jī)提升了5.82%，因此優(yōu)化后柴油機(jī)中低轉(zhuǎn)速下的動(dòng)力性得到了顯著提升，有效改善了高原環(huán)境下車輛的加速?性能．

圖18?優(yōu)化前后柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩對(duì)比

海拔5500m條件下葉輪優(yōu)化后柴油機(jī)燃油消耗率明顯降低(見(jiàn)圖19)．最低燃油消耗率從原機(jī)的210.74kg/(kW·h)降到204.29kg/(kW·h)，減小了3.15%；同時(shí)，由于葉輪優(yōu)化后中低轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣更加充分，改善了缸內(nèi)的燃燒過(guò)程，提高了熱效率，最終使得燃油消耗率降低，其中1200r/min轉(zhuǎn)速下燃油消耗率為268.28kg/(kW·h)，比原機(jī)降低了4.42%，柴油機(jī)高海拔中低轉(zhuǎn)速工況的經(jīng)濟(jì)性得到了改善．

圖19?優(yōu)化前后柴油機(jī)燃油消耗率對(duì)比

3?結(jié)?論

(1) 海拔5500m條件下，車用離心壓氣機(jī)葉輪主葉片及分流葉片前緣前掠、分流葉片向主葉片吸力面方向偏移后，性能得到改善，壓比、效率及流量范圍提高，葉輪內(nèi)部流動(dòng)損失明顯減少．

(2) 海拔5500m條件下，葉輪優(yōu)化后柴油機(jī)1200r/min全負(fù)荷工況缸內(nèi)燃燒狀況得到改善，燃燒更加充分，滯燃期、燃燒持續(xù)期縮短，最高缸壓增加了9.53%．

(3) 葉輪優(yōu)化后柴油機(jī)海拔5500m動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性得到改善，尤其在中低轉(zhuǎn)速下改善更加明顯．海拔5500m、柴油機(jī)1200r/min全負(fù)荷工況，壓氣機(jī)壓比提高6.30%，效率提高3.01%；柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩增加5.82%，燃油消耗率降低4.42%．

［1］ 劉瑞林. 柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性研究[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2013.

Liu Ruilin.[M]. Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2013(in Chinese).

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Structure Optimization of Centrifugal Compressor and Its Influence on Performance of Diesel Engine at High Altitude

Dong Surong1，Liu Zhuoxue2, 3，Liu Ruilin1，Zhang Zhongjie2，Zhang Jinming4

(1. Military Vehicle Engineering Department，Army Military Transportation University，Tianjin 300161，China；2. Postgraduate Training Brigade，Army Military Transportation University，Tianjin 300161，China；3. 93015 of People’s Liberation Army，Harbin 150000，China； 4. Kangyue Turbocharger Company Limited，Shouguang 262711，China)

On the basis of the performance test of a two-stage adjustable turbocharged diesel engine at high altitude，the structural optimization of its centrifugal compressor impeller and the corresponding effect on its performance were investigated using computational fluid dynamics and the calculation method for the working process．Results showed that at an altitude of 5500m，the angle between the main blade and the splitter blade leading edge sweep was 6.27°，and the angle between the splitter blade and the suction surface of main blade angle was 12.09°．The overall loss in flow passage obviously decreased，and the flow stability at the outlet improved．The impeller’s pressure ratio，efficiency and flow range improved by 4.16%，2.63%，and 6.58%，respectively．After optimization，the combustion process of the two-stage adjustable turbocharger diesel engine at medium- and low-speeds clearly improved，and the ignition delay period and combustion duration were shortened．Under the working condition of 1200r/min and full-load，the maximum combustion pressure，cumulative heat，and torque were improved by 9.53%，8.78%，and 5.82%，respectively，whereas the fuel consumption rate was reduced by 4.42%．

high altitude；diesel engine；centrifugal compressor；structure optimization；performance

TK421

A

1006-8740(2019)03-0260-07

2018-08-26.

軍隊(duì)預(yù)先研究資助項(xiàng)目(30105030201).

董素榮（1967—），女，博士、教授.

董素榮，dongsr@126.com.

10.11715/rskxjs.R201808018