复杂工况下小型离心压气机性能分析与优化设计研究

发布时间：2020-04-01 22:23

【摘要】：离心压气机具有尺寸小、结构简单紧凑、单级增压比高的特点,广泛应用于涡轮增压器、小型燃机等技术领域。小型离心压气机由于转速较高,工作在变流量、多载荷、变转速等复杂工况下,内部流动复杂,在复杂的工况下追求压气机高性能是当前压气机优化设计研究的热点问题。采用经验法和试错法对离心压气机进行优化设计效率低、周期长、成本高,不能满足实际复杂工况等缺点。为寻找一种快速高效的能够综合考虑复杂工况的优化策略,本文以某款小型离心压气机为研究对象,采用拉丁超立方试验设计、Kriging代理模型和多目标遗传算法的方法对离心压气机进行多工况、多学科耦合优化和不确定优化,对提高压气机的性能和寿命具有重要意义。本文的主要内容如下:1、建立离心压气机叶轮CFD数值计算模型,对LSCC低速离心叶轮和Krain高速离心叶轮进行内部流动分析,将计算结果与实验数据进行对比验证所采用的CFD数值计算方法的适用性。2、研究进口叶片角、出口叶片角、叶顶间隙和叶片包角等叶轮几何参数对压气机气动性能的影响规律。基于拉丁超立方试验设计、Kriging代理模型和多目标遗传算法相结合的优化方法,对离心压气机进行多工况优化,优化后叶轮在小流量下效率提高了3.52%,压比提高了 5.62%,在设计流量下效率提高了 3.99%,压比提高了 6.43%,拓宽了工作范围,变流量工况优化能够更好的满足不同工作环境下的性能要求。3、建立离心压气机流固耦合分析模型,考虑气动载荷和离心载荷共同作用对压气机叶片变形和应力的影响,开展进口叶片角、出口叶片角、叶顶间隙和叶片包角等几何参数对压气机叶片强度的影响研究;基于气动结构分析进行离心压气机叶轮多学科耦合优化,结果表明,优化后设计流量点压比提高7.49%,效率提高6.82%,叶片总变形降低20.4%,并且拓宽稳定工作范围,气动结构耦合优化后实际工况下叶片几何与设计叶片几何误差更小,使得实际工况下叶轮的性能与设计性能更加贴近。4、采用二阶非嵌入式概率配置点法对压气机转速的波动进行不确定性分析,研究叶轮转速波动不确定度对压比影响程度,并进行叶轮不确定优化。结果表明优化后叶轮压比的均值提高了 0.81%,效率提高4.49%左右,压比的方差降低了 21.29%,不确定优化后压气机的性能更加稳定。
【图文】：

涡轮增压器,工作原理

题研究背景及意NB逡逑科技的发展及物质生活水平的提高，汽车成为我们日常生活中最普前我国是世界范围内汽车数量最多的国家。而汽车上使用石油消耗占约４０％，这也是我国对石油需求增加的重要原因［１］。石油等能源的使的排放引起严重污染环境，所以车辆内燃机排放是造成Ｃ０２增多重要的同时，对目前使用的技术进行创新是降低能源消耗的重要手段，用率是目前最主要的途径。与吸气发动机相比，带涡轮增压发动机显得更有优势，带涡轮增压发动机在使用燃料时能够将燃料燃烧更加率，并且排放废气的污染物将会减少。逡逑涡轮增压器在实际工作中的原理如图Ｌ１所示。发动机排出高压废，进而带动同一根轴上的压气机旋转，压气机作为涡轮增压器的核功使得气体压力增大，密度增加，，通过中冷器再进入内燃机，由于进入内燃机单位体积内的空气增多，内燃机里燃油燃烧更加充分，会更低，输出动力更好，燃油利用率得到提高。逡逑

静压分布,二次流模型

夕卜学者进行了一系列的实验研宄，Ｄｅａｎ［３］采用实验对扩压器进行研宄并首次提出“射流逡逑尾迹”概念。Ｅｃｋａｒｄｔ［４］对高速的径向叶轮进行实验研宄并测量了相关的气动性能和内部逡逑流动情况并且在出口同样发现射流尾迹现象并提出二次流模型如图１．２所示。因此逡逑Ｅｃｋａｒｄｔ赞同Ｄｅａｎ提出的“射流尾迹”概念，指出“射流尾迹”的产生与科氏力和流体逡逑方向发生改变有关，叶轮内部低能流体在二次流作用下汇聚。Ｋｒａｉｎ［５＇７］将Ｅｃｋａｒｄｔ的径向逡逑叶轮重新设计成３０°的后弯叶轮并进行实验研宄并测量了该高速叶轮的气动性能以及逡逑内部流场情况，结果表明叶片后弯能够减弱“射流尾迹”的现象。美国宇航局ＮＡＳＡＬｅｗｉｓ逡逑研究中心设计了低速大尺寸叶轮（ＬＳＣＣ）并进行了相关实验研宄［８“１］，通过实验测量了叶逡逑轮的效率、压比等气动性能参数，不同叶高和叶片表面的相对约化静压分布，不同子午逡逑截面的相对子午速度等等。以上叶轮均公布了详细的几何数据和实验结果数据，为后续逡逑的ＣＦＤ数值计算提供了重要参考。国内也有相关的实验研宄，刘正先［１２］等采用多普勒逡逑测速系统对后弯叶轮进行实验
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH452

【参考文献】