蝸殼結構參數對離心式壓氣機性能的影響

董素榮熊春友林春成劉楠王航劉瑞林

（1.軍事交通學院；2.康躍科技股份有限公司）

蝸殼結構參數對離心式壓氣機性能的影響

董素榮1熊春友1林春成1劉楠1王航2劉瑞林1

（1.軍事交通學院；2.康躍科技股份有限公司）

為研究壓氣機蝸殼結構參數對離心式壓氣機性能的影響而設計了兩款不同面徑比的壓氣機蝸殼，并在增壓器性能試驗臺上進行試驗研究。結果表明，與匹配Ⅰ型蝸殼的壓氣機相比，匹配Ⅱ型蝸殼的壓氣機增壓比、流量和絕熱效率均提高：不同轉速下，最大增壓比提高1.44%～3.86%，最大流量增加3.85%～10.71%，且高轉速下增幅明顯；壓氣機最高效率由72%提高到74%；壓氣機喘振線更加平滑，無明顯拐點，低轉速下喘振線向大流量方向偏移量較少，而高轉速下與之相反。

1 前言

提高柴油機的動力性、經濟性及降低排放是研究人員不斷追求的目標，而增壓技術是提高柴油機性能的主要技術手段之一[1]。離心式壓氣機是車用柴油機增壓器的核心部件之一，壓氣機的結構參數對壓氣機絕熱效率、壓比、流量范圍影響很大[2～4]，進而影響壓氣機與柴油機的合理匹配。發動機進氣所需的氣流在經過離心壓氣機的葉輪和擴壓器后，仍然有較高的速度，而壓氣機蝸殼的作用就是收集從擴壓器出來的空氣，將其引導到發動機的進氣管，并充分利用氣流的動能提高進氣壓力。蝸殼對于整個壓氣機效率以及穩定工作范圍都有很大的影響[5,6]。本文對裝配不同蝸殼的離心式壓氣機性能進行試驗，探討蝸殼結構參數（面徑比A/R、擴壓直徑）對離心式壓氣機性能的影響。

2 試驗系統與試驗方法

2.1 試驗系統

壓氣機性能試驗在增壓器性能試驗臺架上進行，該試驗臺架智能化程度較高，能夠自動探尋壓氣機不同轉速下的喘振點和最大流量點，并記錄相關檢測數據，生成壓氣機特性曲線。

2.2 試驗對象

圖1為兩款壓氣機蝸殼（簡稱Ⅰ型和Ⅱ型）的截面圖，蝸殼面徑比A/R示意如圖2所示。兩款壓氣機蝸殼結構參數見表1。

表1 兩款壓氣機蝸殼的結構參數

2.3 試驗方法

a.壓氣機特性試驗按標準大氣狀態折合轉速進行。折合轉速以適當的間隙（一般為10 000 r/min）分檔，測量范圍可以從最高允許轉速（一般取110%標定轉速）到最低使用轉速（一般取50%標定轉速），或從最低使用轉速到最高使用轉速測5～10條等折合轉速線。本試驗轉速取為60 000 r/min、80 000 r/min、100 000 r/min、110 000 r/min、120 000 r/min。

b.試驗時，每條折合轉速線均從喘振點到堵塞流量選7個測量點逐點測量，在參數可測定的范圍內，測點間距盡可能均勻。當壓氣機接近喘振區運行時，自動緩慢減少壓氣機空氣流量，測出壓氣機喘振點。

c.試驗時，每個測點取值應在試驗控制參數調整到規定值并且穩定60 s后才能進行測量。

d.試驗控制參數：機油進口溫度設置為70℃，機油出口溫度≤120℃，機油進口壓力為0.35 MPa，增壓器進口溫度設置為600℃。

3 壓氣機的特性

壓氣機的主要性能參數有增壓比π*c、空氣流量Gc、絕熱效率ηc和轉速nc。壓氣機的特性曲線是指在不同轉速下π*c、ηc隨Gc的變化關系曲線，其反映了壓氣機的性能和與柴油機的匹配關系[7]。

π*即為壓氣機出口壓力和進口壓力之比：

Gc是指單位時間內流經壓氣機的空氣質量。壓氣機實測流量按下式換算到折合流量：

ηc是衡量壓氣機設計與制造完善程度的重要指標，其計算公式為：

式中，K為空氣絕熱指數，K=1.40；為壓氣機出口總溫；為壓氣機進口總溫。

nc由實測轉速按式（4）換算得出：

式中，ncnp為折合轉速。

4 試驗結果與分析

圖3為裝配Ⅰ型蝸殼的壓氣機特性曲線。可知，最大壓比為2.85，流量范圍為0.05～0.28 kg/s，最高效率為72%；最高效率圈內壓氣機壓比在1.58～2.80之間，流量在0.18～0.25 kg/s之間；在壓比大于2.0時，喘振線向流量增大的方向迅速偏移，以致形成易喘振區域。

圖4為裝配Ⅱ型蝸殼的壓氣機特性曲線。可知，裝配Ⅱ型蝸殼的壓氣機最大壓比達到2.96，最大流量達到0.30 kg/s；壓氣機最高效率達到74%，74%效率圈對應的壓比在1.6～2.0之間，流量范圍為0.14～0.18 kg/s；壓氣機喘振線基本為斜率一定的直線。

由圖3和圖4對比可知，與匹配Ⅰ型蝸殼的壓氣機性能相比，匹配Ⅱ型蝸殼的壓氣機增壓比、流量和絕熱效率均增大，且具備如下特征：

a.不同轉速下，最大增壓比提高1.44%～3.86%，且除60 000 r/min外其它轉速下最大壓比增大幅度接近，平均增大3.64%；最大流量增加3.85%～10.71%，其中高轉速（11 000～120 000 r/min）流量增加明顯，平均增加9.06%。

b.壓氣機最高效率由72%提高到74%，最高效率（74%）圈覆蓋的增壓比范圍1.6～2.0，流量范圍0.14～0.18 kg/s；72%效率圈向低增壓比、小流量方向擴展，其中增壓比從1.58擴展到1.38，流量從0.13 kg/s擴展到0.11 kg/s。

c.壓氣機特性曲線中喘振線更加平滑，100 000～120 000 r/min轉速下喘振線無明顯拐點，60 000～100 000 r/min轉速下喘振線向大流量方向略有偏移；在100 000～120 000 r/min轉速下阻塞線向大流量方向偏移較多。

由此可見，調節壓氣機蝸殼的面徑比A/R和擴壓器直徑，可以改變壓氣機的特性曲線形狀，從而調整壓氣機與發動機的聯合運行區域。

5 結束語

對裝配不同面徑比A/R、不同擴壓直徑壓殼的壓氣機進行了試驗研究，得到如下結論：

a.適當提高壓氣機蝸殼的面徑比A/R和擴壓直徑，可以提高壓氣機的增壓比、流量及絕熱效率。

b.增大壓氣機蝸殼面徑比A/R和擴壓直徑，可使壓氣機的喘振邊界和阻塞邊界均向大流量方向偏移，但阻塞邊界偏移量明顯大于喘振邊界偏移量。

c.在渦輪增壓器其它結構參數不變的情況下，調節蝸殼的結構參數可改變壓氣機特性曲線形狀，使壓氣機與發動機匹配更加合理。

1 陸家祥.柴油機渦輪增壓技術.北京：機械工業出版社，1999.

2 湯惠,寧方飛.葉片擴壓器倒角對壓氣機性能影響的數值研究.航空動力學報,2012,27（10）:2297～2306.

3 彭森,楊策,馬朝臣，等.前傾角對離心壓氣機葉輪性能的影響.清華大學學報（自然科學版）,2005,45（2）：250～253.

4 楊策,胡遼平,馬朝臣，等.葉片彎曲程度對離心壓氣機性能的影響.北京理工大學學報,2004,24（12）:1062～1069.

5 蔣德明.內燃機的渦輪增壓技術.北京:機械工業出版社, 1986.

6 朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器.北京:機械工業出版社, 1992:171～173.

7 GB T23341.2-2009渦輪增壓器第2部分：試驗方法.

（責任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年4月1日。

Influence of Volute Shell Structural Parameter on Performance of Centrifugal Compressor

Dong Surong1,Xiong Chunyou1,Lin Chuncheng1,Liu Nan1,Wang Hang2,Liu Ruilin1
（1.Military Transportation University;2.Kangyue Turbocharger Company）

In order to study the influence of volute shell structure parameters on the performance of centrifugal compressor,two types(type I and type II)of volute shells with differentA/Rare designed,which are tested on turbocharger performance test bench.The results show that,compared with compressor with type I volute shell,pressure ratio,flow and heat insulation efficiency of compressor with type II volute shell are higher.At different speeds,the maximum pressure ratio increases by 1.44%～3.86%,the largest flow increases by 3.85%～10.71%,and the magnitude of the increase is larger under high speed.Compressor maximum efficiency increases from 72%to 74%,the compressor’s surge line is smoother without obvious inflexion and is slightly shifted to the large flow direction at low speed,while the blocking line shifted to the large flow direction obviously at high speed.

Centrifugal compressor,Performance,Volute shell,A/R

離心式壓氣機 性能 壓氣機蝸殼 面徑比

U464

A

1000-3703（2015）10-0041-03