柴油机两级增压涡轮系统流动控制研究

发布时间：2017-10-24 13:42

  本文关键词：柴油机两级增压涡轮系统流动控制研究

  更多相关文章： 柴油机 两级涡轮增压 排气管 高/低压级涡轮 流场耦合

【摘要】：两级增压技术是柴油机提高升功率、实现节能减排的有效途径。两级增压涡轮系统排气管、高/低压涡轮间的流场耦合效应,对柴油机高/低压两级涡轮性能具有重要影响,成为决定柴油机性能的关键因素,是当代发动机流体力学的研究前沿之所在。深入研究两级增压涡轮系统的流场耦合效应及其对两级涡轮和发动机性能的影响,探讨通过控制流场耦合效应改进涡轮性能,提高发动机全工况性能,无论从工程需求牵引出发,还是从学科发展推动来看,均具有十分重要的意义。论文针对两级增压涡轮系统排气管、高/低压涡轮部件分别独立设计,难以考虑流场耦合效应的影响这一难点,对柴油机两级增压涡轮系统的流场耦合效应、性能影响机制和流动控制方法等进行了探讨。通过对发动机排气管与高压涡轮流场的耦合仿真分析,研究了排气管内部流动随发动机工况变化的规律,及其对高压涡轮流动及性能的影响。发现排气管出口的流场畸变将使高压涡轮叶尖泄漏涡向出口迁移,显著增强泄漏涡与通道主流的掺混效应,导致涡轮效率的降低。提出了通过排气总管气流切向引入排气歧管,控制排气管出口畸变结构,实现涡轮增效的流动控制新方法;仿真结果表明,该方法可使两级增压的高压涡轮增效3.12%。通过对高压涡轮与低压涡轮流场的耦合仿真分析,研究了高压涡轮内部流动随发动机工况的变化规律,及其对低压涡轮流动及性能的影响。发现高压涡轮出口的旋流效应将使低压涡轮叶轮通道产生横向二次流动,并与叶尖泄漏涡掺混,导致低压涡轮性能大幅度降低。提出了通过高/低压级涡轮箱反旋向设计,控制高压出口旋流效应导致的低压涡轮叶轮通道横向二次流效应,实现低压涡轮增效的流动控制新方法。试验研究表明,该方法可使低压涡轮效率提高5.8%。建立了考虑流场耦合效应的涡轮系统通流模型,发展了柴油机两级增压通流匹配循环分析方法。对某型两级增压柴油机进行了全工况通流匹配优化研究,结果表明在保证发动机低速扭矩不变时,额定功率工况功率提高13.35%,燃油消耗率降低4.6%。
【关键词】：柴油机 两级涡轮增压 排气管 高/低压级涡轮 流场耦合
【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】：TK423
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 主要符号对照表9-12
• 第1章 引言12-29
• 1.1 两级增压技术研究背景及意义12-14
• 1.2 两级涡轮增压系统研究现状与发展14-18
• 1.3 两级增压涡轮系统研究现状与发展趋势18-22
• 1.3.1 两级涡轮系统零维匹配设计18-19
• 1.3.2 两级涡轮系统一维非定常匹配设计19-21
• 1.3.3 两级涡轮系统匹配设计存在问题及发展趋势21-22
• 1.4 轴流式涡轮系统流场匹配22-27
• 1.4.1 涡轮系统叶型匹配22-23
• 1.4.2 涡轮级间流场匹配23-24
• 1.4.3 涡轮系统与排气流场匹配24-27
• 1.5 本论文研究工作的目的及主要内容27-29
• 1.5.1 论文研究目的27
• 1.5.2 论文研究主要内容27-29
• 第2章 两级增压涡轮系统流动仿真建模29-45
• 2.1 涡轮系统部件建模方法29-42
• 2.1.1 控制方程29-31
• 2.1.2 湍流模型31-32
• 2.1.3 数值格式与边界条件32-37
• 2.1.4 边界条件37-40
• 2.1.5 网格划分40-41
• 2.1.6 建模方法验证41-42
• 2.2 涡轮系统建模42-44
• 2.2.1 排气管路建模43-44
• 2.2.2 高压级模块建模44
• 2.2.3 低压级模块建模44
• 2.3 小结44-45
• 第3章 排气/涡轮系统流动特性及流动控制研究45-65
• 3.1 排气管路流动特性分析45-53
• 3.1.1 排气管路结构45-46
• 3.1.2 排气管路流动仿真46-48
• 3.1.3 排气管路流动及出口流场畸变分析48-52
• 3.1.4 排气管路出口流场畸变分析52-53
• 3.2 排气管与涡轮系统流场耦合分析53-62
• 3.2.1 排气管与高压级涡轮流场耦合规律分析53-55
• 3.2.2 流场耦合机理分析55-61
• 3.2.3 高压级涡轮出口流场畸变分析61-62
• 3.3 总管切向进气式排气系统流动分析62-64
• 3.4 本章小结64-65
• 第4章 高/低压涡轮流动特性及流动控制研究65-90
• 4.1 两级涡轮流动特性分析65-70
• 4.1.1 两级涡轮结构65-66
• 4.1.2 高压级涡轮出口流场分析66-70
• 4.2 旁通涡轮系统流场结构分析70-74
• 4.2.1 旁通管路与连接管路气流掺混流动分析71-73
• 4.2.2 旁通对低压级涡轮进口流场畸变影响73-74
• 4.3 两级涡轮流场耦合分析74-82
• 4.3.1 高压级涡轮耦合流动及性能分析74-77
• 4.3.2 低压级涡轮耦合流动及性能分析77-82
• 4.4 两级涡轮流动控制方法研究82-84
• 4.5 两级涡轮流场耦合试验验证84-89
• 4.5.1 试验基础条件84-86
• 4.5.2 试验方案及内容86
• 4.5.3 涡轮特性数据处理86-87
• 4.5.4 试验结果分析87-89
• 4.6 本章小结89-90
• 第5章 涡轮系统通流模型研究90-115
• 5.1 涡轮系统通流模型构建方法90-101
• 5.1.1 排气管通流模型90
• 5.1.2 涡轮通流模型90-101
• 5.2 排气系统与高压级涡轮通流模型101-107
• 5.2.1 排气管路出口流场畸变模型101-104
• 5.2.2 高压级涡轮通流模型104-107
• 5.3 涡轮系统通流模型107-113
• 5.3.1 高压级涡轮出口流场畸变模型107-110
• 5.3.2 低压级涡轮通流模型110-113
• 5.4 本章小结113-115
• 第6章 柴油机循环分析与涡轮系统优化研究115-128
• 6.1 柴油机循环分析115-120
• 6.1.1 两级增压柴油机通流模型115-117
• 6.1.2 两级增压柴油机通流模型验证117-118
• 6.1.3 涡轮系统流场耦合效应影响118-120
• 6.2 涡轮系统优化设计120-127
• 6.2.1 涡轮系统优化设计方法120-124
• 6.2.2 涡轮系统通流设计结果分析124-127
• 6.3 本章小结127-128
• 第7章 总结与展望128-133
• 7.1 研究总结128-132
• 7.2 研究展望132-133
• 参考文献133-139
• 致谢139-141
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果141

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 崔济亚 ,林平基 ,李雨春;近似等反力度涡轮级设计的研究[J];航空动力学报;1989年04期

2 陈海昕,沈孟育;带冷气掺混的涡轮级流场数值模拟[J];航空动力学报;2002年04期

3 吴铭岚,罗曼芦,李同福;面积比对单级涡轮设计及其特性的影响[J];内燃机工程;1982年03期

4 袁宁,王松涛,张振家,王仲奇,冯国泰;涡轮级三维粘性流场的数值模拟[J];航空动力学报;1999年02期

5 姚四伟;葛宁;;某型燃气涡轮起动机涡轮级与喷管一体化三维流场数值计算[J];航空发动机;2006年03期

6 母忠强;乔渭阳;赵磊;;某涡轮级转静干涉噪声数值研究[J];航空动力学报;2011年09期

7 卫刚;王松涛;周山;周逊;王仲奇;;气冷涡轮级流场的数值模拟方法与试验验证[J];航空动力学报;2012年03期

8 屠基元;关于分子泵抽气性能的设计[J];复旦学报(自然科学版);1987年04期

9 张健,邱绪光;论涡轮级气动和传热试验的相似准则[J];燃气涡轮试验与研究;1995年03期

10 郑严,袁宁,王仲奇;采用弯扭导向器改型涡轮级提高发动机性能的三维粘性流场的数值研究[J];航空动力学报;2001年02期

中国博士学位论文全文数据库 前4条

1 邢世凯;非均匀布置可调导叶向心涡轮性能研究[D];北京理工大学;2015年

2 刘艳斌;柴油机两级增压涡轮系统流动控制研究[D];清华大学;2015年

3 张磊;超高负荷跨音速涡轮气动设计理论及其非定常流动特性研究[D];中国科学院研究生院（工程热物理研究所）;2011年

4 王凯;跨声速高压气冷涡轮级气动性能研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 张伟;大冷气量下涡轮S_2流面冷气掺混计算方法研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

2 汤来东;基于损失模型的涡轮性能预估方法研究[D];南京航空航天大学;2014年

3 焦峻峰;超/跨音涡轮激波现象及调控措施研究[D];北京理工大学;2016年

4 江朝振;航空发动机涡轮噪声级适航性评估[D];中国民航大学;2016年

5 查可畏;跨音速涡轮级三维非定常流场数值模拟与研究[D];南京航空航天大学;2004年

6 刘广涛;大膨胀比涡轮级内流场数值研究[D];哈尔滨工业大学;2012年

7 王宝臣;热痕/涡轮叶排相互作用的并行计算程序开发与数值研究[D];中国科学院研究生院（工程热物理研究所）;2008年

8 班海波;高膨胀比跨音速涡轮的设计研究[D];大连理工大学;2002年

9 吕守庆;临近空间高超声速飞行器引流涡轮装置气动设计[D];哈尔滨工业大学;2013年

10 纪旭娜;涡轮在脉冲进气条件下非稳态特性的数值模拟[D];山东大学;2012年

，

本文编号：1089026