帶有階梯葉輪出口的雙參數輸出壓氣機設計

馮浩，馬朝臣，劉洋,2

(1. 北京理工大學 機械與車輛學院，北京100081； 2. 北京石油化工學院 機械工程學院， 北京 102617)

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帶有階梯葉輪出口的雙參數輸出壓氣機設計

馮浩1，馬朝臣1，劉洋1,2

(1. 北京理工大學 機械與車輛學院，北京100081； 2. 北京石油化工學院 機械工程學院， 北京 102617)

為了解決平原汽車在高原行駛時功率下降問題，提出了一種用于恢復高原柴油機功率的燃氣渦輪輔助增壓系統，該系統由燃燒室、壓氣機、渦輪、點火裝置、噴油器、控制系統等輔助裝置組成，燃氣渦輪輔助增壓系統的壓氣機要分別對燃燒室和原車柴油發動機供氣，需要兩種不同壓比的空氣。為滿足上述要求設計了一種帶有階梯型葉輪和準流線型分隔式擴壓器的壓氣機；并以某柴油機為例進行了計算分析，得到了初步的設計參數和工作參數；設計出切割前的高壓比葉輪，對高壓葉輪內部流場進行數值模擬計算，得到相應氣動參數；通過計算結果分析葉輪出口流量分布和速度分布確定階梯型葉輪出口參數和準流線型分隔板的形狀,設計出準流線型階梯葉輪。

輔助增壓；微型燃氣輪機；離心壓氣機；雙參數輸出；柴油機

中國是一個多高原、山地的國家。高原地區大氣壓力和密度下降，導致內燃機在高原工作時進入氣缸的空氣量減少，缸內燃料燃燒不充分，發動機功率下降，炭煙排放惡化，嚴重影響了車輛的使用壽命和安全性[1]。渦輪增壓技術是內燃機在高原恢復功率的最有效措施之一。目前，汽車上廣泛采用的是單級渦輪增壓，增壓壓比低，目的主要是提高動力性，降低排量及油耗。所以汽車在平原上行駛時，單級增壓器所產生的壓比一般能夠達到內燃機的匹配要求。然而，當汽車進入高原時，受增壓器壓比、轉速和流量范圍的限制，會出現內燃機進氣量不足、功率下降等現象，單級增壓器往往不能適應高原惡劣的工作環境[2]。這就需要引入一種高增壓系統。二級增壓系統作為優勢明顯的一種高增壓系統能夠使內燃機在高原環境下在一定程度上恢復到平原時的工作狀態[3]。但是這種增壓系統在結構上需要布置兩臺增壓器，不僅增加了有限空間內部件緊湊布置的難度，而且對于大部分時間行駛于平原地區或僅需單級增壓器就可以滿足內燃機增壓要求的情況來說，無疑增加了內燃機結構的復雜性。本文提出一種方案，車輛在低海拔地區運行時，僅使用主增壓系統與內燃機正常匹配工作；當車輛要進入高原地區行駛時，另外掛載一套輔助增壓系統，通過主增壓系統和輔助增壓系統聯合工作來恢復內燃機的功率[4]。內燃機工作在低海拔地區時，切換閥僅使大氣與空濾器連通，依靠主增壓系統與內燃機正常匹配和工作，其工作原理與普通增壓內燃機無異。當內燃機工作在高海拔地區時，采用高壓空氣供給燃燒室直接起動輔助增壓系統，新鮮空氣首先通過輔助空濾器后，分別進入輔助增壓壓氣機和輔助燃燒壓氣機，經過壓縮后，空氣溫度和壓力得到提高。燃油通過電磁閥噴油裝置噴入到燃燒室中，經過霧化的燃油與來自輔助燃燒壓氣機的壓縮空氣混合，由燃燒室點火裝置將油氣混合物點燃，產生的高溫燃氣推動輔助渦輪膨脹做功，以驅動輔助增壓壓氣機和輔助燃燒壓氣機，控制系統根據增壓壓力調節輔助增壓系統的工作狀況。由輔助增壓壓氣機流出的壓縮空氣流經切換閥和空濾器后，進入到壓氣機被進一步壓縮，溫度和壓力繼續提高，然后經過中冷器冷卻，降低空氣的溫度和體積流量。經過這樣的增壓過程后，空氣進入內燃機與燃油混合燃燒，燃燒產生的高溫廢氣進入到主增壓系統的渦輪膨脹做功，以驅動其壓氣機，經過渦輪膨脹后的廢氣排入大氣。

該輔助系統由燃氣輪機驅動輔助增壓壓氣機作為二級增壓系統的低壓級壓氣機，向車輛原配備的增壓系統提供高壓空氣。由于輔助渦輪做功不僅要驅動輔助燃燒壓氣機，還要驅動輔助增壓壓氣機，形成了一個渦輪和兩個壓氣機串聯的結構形式。這種形式使得整個轉子系統過長，從而增加了轉子的不平衡性、對轉子系統的抗彎性和剛度提出了極高的要求、增大磨損降低了機械效率，于是需要對該種結構形式進行改進，將兩個壓氣機合二為一。然而，輔助燃燒壓氣機所需的壓比一般為3.0以上，而作為二級增壓器中低級壓氣機的輔助增壓壓氣機所需的壓比一般為1.3～2.0[5]。因此，本文提出了一種帶有階梯葉輪的雙參數輸出壓氣機，既滿足輔助燃燒壓氣機的壓比要求，同時也滿足輔助增壓壓氣機的壓比要求。

1 輔助增壓系統聯合仿真分析

輔助增壓系統原理示意圖如圖1所示。本文設計目標是原柴油機在高海拔下聯合該輔助系統后，原機的額定功率和扭矩可恢復到近似平原狀態。本文計算研究對象為一汽生產的型號為CA6DL2的直列六缸四沖程水冷增壓中冷直噴柴油機，主要用于重型貨車和大型客車，其主要結構參數和平原性能參數如表1所示。

注：1.輔助空濾器,2.輔助增壓壓氣機,3.輔助燃燒壓氣機,4.輔助渦輪,5.電磁閥噴油裝置,6.燃燒室,7.點火裝置,8.控制系統,9.切換閥,10.空氣濾清器,11.發動機壓氣機,12.中冷器,13.發動機,14.發動機渦輪圖1 微型燃氣輪機輔助增壓系統示意圖Fig.1 Gas turbine turbochargering diagram

氣缸數缸徑×沖程/(mm×mm)壓縮比排量/L6112×14517.5∶18.6標定功率/kW標定轉速/(r·min-1)最大轉矩/(N·m)最大扭矩轉速/(r·min-1)258210015001500

采用GT-Power軟件建立該柴油機的仿真模型，雙壓比輸出燃氣渦輪增壓系統的仿真模型應用MATLAB/Simulink 軟件建立，Simulink的輸出低壓氣體參數通過執行器傳遞給GT-power仿真[6-7]，實現GT-Power與MATLAB/Simulink聯合仿真從而達到柴油機與燃氣渦輪增壓系統聯合起來仿真，模擬不同海拔工況時柴油機的工作情況。在仿真計算中假定柴油機與燃氣渦輪增壓系統聯合工作在3 000、4 000、5 000 m三個海拔高度，將上述海拔高度的環境參數作為邊界條件代入GT-Power與MATLAB/Simulink聯合仿真模型。

如圖2所示，原機在海拔5 000 m時最大功率降低34.1%，各轉速平均功率降低40.3%。采用燃氣渦輪增壓系統可以將柴油機在海拔5 000 m的各轉速平均扭矩恢復到平原狀態的98.2%，平均功率恢復到97.5%。在海拔5 000 m低轉速工況下采用燃氣渦輪增壓系統的柴油機功率和扭矩略高于平原工況，但隨著轉速的增加到1 400 n/(r·min-1)后功率和扭矩低于平原工況，造成這一原因是在高海拔、大流量下壓氣機接近超速工況導致增壓器的效率下降，從而使柴油機的功率和扭矩有所降低，但功率和扭矩符合我們的設計目標。

在燃油經濟性的分析過程中，仿真得到的燃油消耗量是柴油機耗油量與燃氣渦輪增壓輔助系統耗油量之和。如圖3所示，原柴油機在海拔5 000 m時燃油消耗率相對平原平均增加30.5 g/(kw·h)，即14.6%，而采用燃氣渦輪輔助增壓系統后的柴油機相對原機5 000 m平均降低15.6 g/(kw·h)，因此，在5 000 m海拔采用燃氣渦輪增壓系統的柴油相比原柴油機5 000 m海拔的燃油經濟性得到了大幅提高。其原因是，在高海拔條件下，與燃機輔助系統聯合工作的柴油機負荷率較原機大大提高，接近外特性工作點，因此降低了燃油消耗率。

圖2 海拔5 000 m外特性對比Fig.2 5 000 m altitude outer features comparison

圖3 海拔5 000 m燃油消耗率比對Fig.3 5 000 m altitude fuel consumption comparison

2 雙參數輸出壓氣機結構及原理

如圖4中所示，這種新型雙參數輸出離心壓氣機，包括壓氣機前殼、壓氣機后殼、準流線型分流板、階梯型離心壓氣機葉輪及背盤。其中，壓氣機前殼上設有壓氣機進氣口和壓氣機前集氣流道蝸殼；壓氣機后殼上設有壓氣機后集氣流道蝸殼，壓氣機前集氣流道蝸殼和壓氣機后集氣流道蝸殼采用螺栓連接，且其間裝夾有準流線型分流板。分流板側面形狀與壓氣機內未加分流板時該處流線形狀相似，這樣減少氣體流過分流板時的流動損失，提高壓氣機效率。環形分流板將壓氣機前殼擴壓壁和壓氣機后殼擴壓壁組成的擴壓通道一分為二，靠近壓氣機前殼端的為前無葉擴壓器，靠近壓氣機后殼端的為后無葉擴壓器，前無葉擴壓器和后無葉擴壓器共同形成分隔式擴壓器。壓氣機前殼與壓氣機后殼內部安裝有階梯型離心壓氣機葉輪，階梯型離心壓氣機葉輪出口大小兩種直徑使葉輪出口處形成兩級階梯型。

圖4所示為雙參壓氣機工作原理示意圖。當空氣由壓氣機進氣口進入壓氣機后，順著進口流道流入壓氣機階梯型離心壓氣機葉輪部分，階梯型離心壓氣機葉輪及其轉子由于受渦輪驅動進行回轉運動，氣流在階梯型離心壓氣機葉輪葉片的帶動下跟著作高速旋轉。氣體由于受旋轉離心力的作用，以及在階梯型離心壓氣機葉輪葉片對流體壓縮所做的功，使氣體在階梯型離心壓氣機葉輪中壓力逐漸提高。一部分氣流通過小直徑葉輪出口前端進入靠近壓氣機前殼端的前無葉擴壓器，并在擴壓器中繼續提高壓力，這部分氣流為低壓氣流；另一部分氣流通過大直徑葉輪出口后端進入靠近壓氣機后殼的后無葉擴壓器，由于這部分氣流在階梯型離心壓氣機葉輪中停留的時間更長，階梯型離心壓氣機葉輪對其做功更多，受到離心力更大，使得該股氣流擁有了更高的壓能與動能進入擴壓器擴壓。兩股壓比不同的氣流經過分隔式擴壓器后分別由壓氣機前集氣流道蝸殼、后集氣流道蝸殼進行氣體收集。

注：1.壓氣機前殼,2.壓氣機后殼,3.準流線型分流板,4.階梯型葉輪圖4 工作原理示意圖Fig.4 Schematic diagram

3 雙參數輸出壓氣機設計

本文所提出的雙參數輸出壓氣機設計點選為柴油機在海拔5 000 m工作的最大扭矩點，目標為使發動機在海拔5 000 m高原時功率恢復到平原的85%、進氣流量恢復到平原狀態的90%、進氣壓力恢復到平原壓力。根據前面的所述輔助增壓系統聯合仿真的計算結果，得到雙參數輸出壓氣機設計所需的流量、壓比參數，如表2所示

表2 雙參數輸出壓氣機設計流量、壓比參數

空氣在壓氣機葉輪出口所獲得壓能大小主要取決于空氣在葉輪出口處切向速度的大小。決定出口氣流速度的兩個主要因素為葉輪轉速和葉輪直徑。要實現單個壓氣機輸出兩種不同壓比的氣流，就需要在相同轉速下，具有兩種葉輪出口直徑，大直徑輸出高壓比氣體，小直徑輸出低壓比氣體。因此對于轉速選取尤為重要。由于高低壓比相差較大(高壓比3.5，低壓比1.8)，如果轉速過低，則要達到高壓比3.5需要極大的出口直徑；相反若轉速過高，則要實現低壓比1.8只需要很小的葉輪直徑。所以過高或過低轉速都會使得高低壓出口直徑相差過大，階梯型出口設計不合理[8-10]，折中考慮，設定轉速為80 000 r/m能夠得到一個較合理出口直徑設計。

針對雙參數輸出壓氣機的特點，本文采用先以高壓比(壓比3.5)和總流量(0.394 kg/s)為基本參數設計一個高壓比母葉輪，然后對高壓比母葉輪進行數值模擬，分析其出口流量分布以及葉輪內部壓力分布確定低壓比輸出端葉輪直徑和高低壓比出口寬度，分析其內部流動情況得到準流線型分隔板形狀，最后對高壓比母葉片進行切割得到雙參數輸出的階梯型葉輪。根據前文所述條件對高壓母葉片進行初步設計，得到高壓比母葉輪基本參數如表3所示。使用上述參數得到高壓比母葉輪模型如圖5所示。

表3 高壓比母葉輪基本設計參數

圖5 高壓比母葉輪三維模型Fig.5 High pressure ratio impeller three-dimensional model

4 高壓比母葉輪數值模擬

本文采用商業軟件NUMECA對設計的高壓比母葉輪進行了數值模擬。先用IGG模塊對設計的三維模型進行幾何提取，得到葉片壓力面、吸力面及輪緣輪轂線；再用AutoGrid模塊生成計算網格如圖6所示。最后在FINE模塊中進行數值計算，不斷修改邊界條件直至計算收斂。

最終的進口邊界條件為：壓力(總壓)55 000 Pa ,溫度267 K(此為5 000 m高原大氣環境參數)，湍流粘度0.000 1 (m2/s)。

最終的出口邊界條件為：壓力(靜壓)150 000 Pa，質量流量 0.394 kg/s。

固壁邊界條件：絕熱，無滑移條件；設計轉速：-70 000 r/m(進口為Z軸負方向)

最后計算結果進出口殘差為0.19%，計算收斂，計算結果增壓壓比為3.59，效率為76.8%，所以設計的高壓比母葉輪符合要求。

圖6 計算網格示意圖Fig.6 Grid computing schematic

5 計算結果及分析

首先對高壓比母葉輪的出口流量分布進行分析，理論上，葉輪出口寬度與流量成正比，即高低壓比出口寬度可以直接按高低壓比輸出流量與總流量之比決定高低壓比的出口寬度，但經過對母葉輪出口流量分布分析得出，在相同的出口寬度條件下，出口流量從葉根到葉頂逐漸減小，即出口流量并非均勻分布，如圖7所示。

圖7 計算網格示意圖Fig.7 Grid computing schematic

分析其原因一是壓氣機內流體受到離心力作用會產生由葉頂向葉根的分速度，所以靠近葉根部位的空氣質量流量大；二是因為有葉頂間隙的存在，流體在葉頂部分容易產生氣流分離，甚至產生二次流，使得靠近葉頂端流量變小。從圖9的子午流線圖也可看出。因此本文通過詳細計算葉輪出口流量分布來確定高低壓比出口寬度分配，經計算所得，高壓比出口因在葉根部，所以出口寬度為2.6 mm就可達到流量0.124 kg/s.考慮到分流板的影響，最后確定高壓比出口寬度為3 mm，低壓比出口寬度為7 mm，分流板厚度為1 mm。

對高壓比母葉輪壓力分布進行分析，以圖8的仿真結果為依據，可以看出葉輪出口壓力平均為200 000 Pa左右，即可以實現高增壓比3.5(入口壓力5 500 Pa)。從圖中分析到葉輪內壓力達到100 000 Pa(低壓壓比1.8)的位置在葉輪直徑94 mm出，因此得到低壓出口直徑為94 mm。

圖8 葉輪壓力分布圖Fig.8 Impeller pressure profile

通過已計算的低壓比出口寬度和直徑，確定了準流線型分隔板的位置，通過對母葉輪子午流線分布分析，找到經過分隔板位置的流線，如圖9所示。考慮到實際切割加工問題，因此分流板形狀為經過該位置流線擬合出的圓弧。經擬合計算得到該圓弧半徑50 mm，圓心位置在葉輪出口上方17 mm處。綜合所有結果，得到了雙參數輸出的帶有準流線型分隔板的階梯型葉輪，如圖10所示。

圖9 葉輪子午流線分布Fig.9 Impeller meridional flow line distribution

圖10 階梯型葉輪三維模型Fig.10 Tip-cut impeller three-dimensional model

6 結論

本文介紹一種微型燃氣輪機輔助增壓系統。并根據輔助增壓系統要求設計了一種帶有準流線型分流板的雙參數輸出壓氣機，通過對輔助增壓裝置的聯合仿真以及對高壓母葉片數值模擬得到結論如下：

1)本文提出的微型燃氣輪機輔助增壓裝置在3 000 m以上可以減少燃油消耗率，恢復功率和扭矩，基本可以恢復到平原水平。

2)本文通過對高壓母葉輪數值分析，發現葉輪出口流量不是隨出口寬度均勻分布的，靠近葉根部位流量大，靠近葉頂部位流量小。

3)通過數值分析準確計算了高低壓比出口寬度及直徑，得到了準流線型分流板的形狀，最后設計出了雙參數輸出的階梯型葉輪。

[1]沈穎剛. 高原環境下內燃機工作過程研究[D]. 天津: 天津大學, 2003.SHEN Yinggang. A investigation on working processes of I. C.engines on highland[D]. Tianjin: Tianjin University, 2003.

[2]侯憲春, 胡清森. 軍運保障中高原和山區對汽車性能的影響及對策[J]. 國防交通工程與技術, 2007, 5(3): 61-63.

HOU Xianchun, HU Qingsen. A study of the effects of tableland and mountainous areas on automobile-transportation and our countermeasures[J]. Traffic engineering and technology for national defence, 2007, 5(3): 61-63.

[3]施新, 李文祥.匹配二級順序增壓系統的柴油機高原特性仿真[J]. 兵工學報, 2011, 32(4): 397-402.

SHI Xin, LI Wenxiang. Simulation on plateau performance of diesel engine matched with two-stage sequential turbocharging system[J]. Acta armamentarii, 2011, 32(4): 397-402.

[4]北京理工大學. 一種用于恢復內燃機高原動力的燃機型輔助增壓系統: 中國, CN201110067607[P]. 2011-08-17.

Beijing Institute of Technology. A driving force for the recovery of high fuel internal combustion type auxiliary booster system: China, CN201110067607[P]. 2011-08-17.

[5]何義團, 馬朝臣, 魏名山, 等. 二級增壓系統壓比分配試驗研究[J]. 車輛與動力技術, 2007(2): 1-3.

HE Yituan, MA Chaochen, WEI Mingshan, et al. Testing study on two stage turbocharging system pressure ratio assignment[J]. Vehicle & power technology, 2007(2): 1-3.

[6]王銀燕, 杜劍維, 王賀春. 基于GT-power與Simulink的發動機及其控制系統仿真[J]. 系統仿真學報, 2008, 20(16): 4379-4381, 4386.

WANG Yinyan, DU Jianwei, WANG Hechun. Simulation of engine and control system based on GT-power and Simulink[J]. Journal of System Simulation, 2008, 20(16): 4379-4381, 4386.

[7]HOPMANN U, ALGRAIN M C. Diesel engine electric turbo compound technology[C]//Future Transportation Technology Conference. Costa Mesa, California: SAE International, 2003.

[8]李培元, 顧春偉. 高壓比離心壓氣機設計與分析[J]. 工程熱物理學報, 2013, 34(10): 1823-1827.

LI Peiyan, GU Chunwei. Design and analysis high pressure ratio centrifugal compressor[J]. Journal of engineering thermophysics, 2013, 34(10): 1823-1827.

[9]楊策, 張虹, 馬朝臣. 離心壓氣機葉輪設計方法研究[C]//中國工程熱物理學會第十屆年會論文集. 青島, 2002.

YANG Ce, ZHANG Hong, MA Chaochen. Centrifugal compressor impeller design method research[C]//China Engineering Thermophysics Tenth Annual Meeting Proceedings. Qingdao, 2002.

[10]楊策, 馬朝臣, 王航, 等. 離心壓氣機葉輪設計方法研究進展[J]. 內燃機工程, 2002, 23(2): 54-59.

YANG Ce, MA Chaochen, WANG Hang, et al. Centrifugal compressor design methods progress[J]. Chinese internal combustion engine engineering, 2002, 23(2): 54-59.

Design of a dual-parameter centrifugal compressor with tip-cut impeller

FENG Hao1, MA Chaochen1, LIU Yang1, 2

(1. School of Mechanical and Vehicular Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081，China； 2. School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China)

In order to solve the problem of power reduction when plain cars are running at high altitude, a gas turbine turbocharging assisted system for recovering the power of a diesel engine in high lands was designed in this paper. The system includes a combustion chamber, a compressor, a turbine and relevant auxiliary devices such as an ignition facility, a fuel injector, as well as a control system. The compressor is used to provide air for the combustion chamber and the original diesel engine. Two kinds of different pressure ratios of air supply are needed. According to the demand of the gas turbine turbocharging assisted system, a new centrifugal compressor with a tip-cut impeller and quasi-streamline divided diffuser was designed. The high pressure ratio impeller before cut was designed and the internal flow field of the high pressure impeller was simulated. Therefor, the corresponding aerodynamic parameters were obtained. Through analyzing the distributions of flow and velocity of the impeller outlet, the parameters of a ladder-shaped impeller outlet and shape of the quasi-streamline side splitter were confirmed, leading to the design of the tip-cut impeller.

turbochargering assisting system; microturbine; centrifugal compressor; dual parameters output; diesel engine

2015-09-01.

日期：2016-08-29.

馮浩(1991-)，男，碩士研究生；

馬朝臣(1959-)，男，教授，博士生導師.

馬朝臣, E-mail：mcc1900@bit.edu.cn.

10.11990/jheu.201509003

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160829.1421.038.html

U

A

1006-7043(2016)10-1432-06

馮浩，馬朝臣，劉洋. 帶有階梯葉輪出口的雙參數輸出壓氣機設計[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2016, 37(10): 1432-1437.

FENG Hao, MA Chaochen, LIU Yang， et al. Design of a dual-parameter centrifugal compressor with tip-cut impeller [J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(10): 1432-1437.