涡轮复合内燃机两级涡轮流动机理及控制研究

发布时间：2017-10-14 22:16

  本文关键词：涡轮复合内燃机两级涡轮流动机理及控制研究

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【摘要】：通过涡轮复合回收利用发动机余热是内燃机节能减排的主要技术途径和研究发展方向,也是当代发动机流体力学研究的主要学科前沿问题。涡轮复合技术是使发动机排气在增压涡轮后进一步膨胀,通过动力涡轮将部分排气能量转化为有效功,提高内燃机燃油经济性、降低二氧化碳排放。增压涡轮与动力涡轮两级涡轮间耦合流动作用对动力涡轮和整机循环性能等具有重要影响,是涡轮复合技术研究所面临的主要难点之一。论文针对当前涡轮复合研究中动力涡轮单独设计,难以考虑两级涡轮耦合流动作用这一难点,对内燃机涡轮复合的两级涡轮流动机理、及其对性能的影响机制和流动控制方法等进行了探讨。通过建立反映两级涡轮耦合设计参数影响的涡轮系统通流模型,发展了内燃机涡轮复合循环耦合分析方法。研究了两级涡轮通流面积比对内燃机涡轮复合全工况性能的影响,发现两级涡轮通流面积比对排气能量在增压涡轮与动力涡轮中的分配具有重要影响,是决定内燃机涡轮复合全工况性能的关键因素。提出了通过增压涡轮变几何使两级涡轮面积比随发动机转速下降而增大,以改进涡轮复合循环全工况性能的变几何涡轮复合循环流动控制方法。通过两级涡轮系统全三维定常仿真流动分析,研究了两级涡轮系统的复杂流动规律及其对动力涡轮性能的影响。发现增压涡轮出口存在旋流效应,将增大动力涡轮导叶进口攻角,导致二次流损失增加的耦合流动机理。提出了通过动力涡轮与增压涡轮对转,以减小旋流效应引起的动力涡轮导叶二次流损失的对转涡轮复合流动控制方法,仿真结果表明动力涡轮等熵效率提高达3.8%。通过建立两级涡轮三维非定常模型,研究发动机排气脉冲对两级涡轮流动及性能的的影响。揭示了增压涡轮对发动机排气脉冲的增强效应,增大动力涡轮转子叶尖进口攻角变化幅度,导致动力涡轮等熵效率大幅度下降的耦合流动机理。提出了通过叶尖前缘钝化设计,改进动力涡轮的脉冲适应性,提高动力涡轮性能的流动控制新方法,仿真结果表明发动机排气脉冲周期内动力涡轮平均效率提高1.64%。基于东风DCI11发动机,设计试制了涡轮复合系统,研制了变几何涡轮复合内燃机原理样机。发动机万有特性试验测试结果表明,涡轮复合发动机外特性燃油消耗率最大降低7.8%,发动机低速转矩最大提高达15.3%。
【关键词】：内燃机 余热利用 涡轮复合 耦合流动 对转涡轮
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK401
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 主要符号对照表9-13
• 第1章 引言13-31
• 1.1 内燃机余热利用技术研究背景及意义13-15
• 1.1.1 内燃机节能减排需求13-14
• 1.1.2 内燃机余热利用技术14-15
• 1.2 内燃机涡轮复合技术研究现状15-24
• 1.2.1 内燃机涡轮复合技术发展历史16-18
• 1.2.2 内燃机涡轮复合研究现状与进展18-24
• 1.3 两级涡轮耦合流动研究24-29
• 1.3.1 两级涡轮间的耦合作用24-28
• 1.3.2 涡轮内部流动控制方法研究28-29
• 1.4 本论文的研究目的及内容29-31
• 1.4.1 研究目的29
• 1.4.2 研究内容29-31
• 第2章 内燃机涡轮复合循环流动及控制方法研究31-71
• 2.1 涡轮复合循环耦合模型31-47
• 2.1.1 径流式涡轮通流模型31-34
• 2.1.2 轴流式涡轮通流模型34-40
• 2.1.3 两级涡轮耦合模型40-43
• 2.1.4 内燃机模型43-47
• 2.2 匹配点工况参数对复合循环燃油消耗率和最优面积比的影响47-58
• 2.2.1 动力涡轮等熵效率的影响48-50
• 2.2.2 增压涡轮等熵效率的影响50-52
• 2.2.3 涡轮排气背压的影响52-53
• 2.2.4 排气温度的影响53-55
• 2.2.5 增压比的影响55-57
• 2.2.6 多参数综合分析57-58
• 2.3 固定几何涡轮复合内燃机的全工况性能分析58-61
• 2.4 两级涡轮变面积比控制方法研究61-69
• 2.4.1 动力涡轮变几何63-66
• 2.4.2 增压涡轮变几何66-69
• 2.5 本章小结69-71
• 第3章 涡轮复合两级涡轮耦合流动机理与控制研究71-97
• 3.1 两级涡轮内部流动仿真建模71-79
• 3.1.1 控制方程与湍流模型71-74
• 3.1.2 边界条件与数值格式74-75
• 3.1.3 数值计算网格75-77
• 3.1.4 仿真模型验证77-79
• 3.2 定常来流下两级涡轮内部流场结构及流动机理分析79-87
• 3.2.1 涡轮几何参数79-80
• 3.2.2 发动机标定工况涡轮内部流动分析80-84
• 3.2.3 发动机最大转矩工况涡轮内部流动分析84-87
• 3.3 对转涡轮流动控制方法87-95
• 3.3.1 两级涡轮内部流动控制思路87-88
• 3.3.2 两级涡轮内部流动匹配分析88-90
• 3.3.3 对转涡轮流动控制方法研究90-95
• 3.4 本章小结95-97
• 第4章 脉冲排气对两级涡轮影响机理及控制方法研究97-119
• 4.1 两级涡轮三维非定常仿真计算设置97-102
• 4.2 脉冲来流下两级涡轮内部流动特性及机理研究102-108
• 4.2.1 脉冲来流下两级涡轮特性分析102-104
• 4.2.2 脉冲来流下两级涡轮内部流动机理104-108
• 4.3 动力涡轮叶尖前缘弯曲与钝化联合控制方法108-118
• 4.3.0 动力涡轮叶型设计方法简述108-112
• 4.3.1 叶尖前缘弯曲112-115
• 4.3.2 叶尖前缘钝化115-118
• 4.4 本章小结118-119
• 第5章 涡轮复合内燃机性能试验验证研究119-126
• 5.1 试验设备及方案119-122
• 5.2 试验结果分析122-125
• 5.3 本章小结125-126
• 第6章 总结与展望126-129
• 6.1 研究总结126-128
• 6.2 研究展望128-129
• 参考文献129-136
• 致谢136-138
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果138-139

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本文编号：1033471