車用渦輪增壓器渦輪非穩(wěn)態(tài)特性試驗研究

1、第31卷第5期2010年10月內(nèi) 燃 機(jī) 工 程ChineseInternalCombustionEngineEngineeringVol.31No.5 October.2010文章編號:1000-0925(2010)05用渦輪增壓器渦輪非穩(wěn)態(tài)特性試驗研究于立國,馬朝臣,施 新,張志強(qiáng),張 強(qiáng),朱智富,趙 佳(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院,北京100081;2.北京汽車研究總院,北京100176)1111112ExperimentalInvestigationonVehicularTurbochargerTurbineCharacteristicsunder

2、UnsteadyFlowConditionYULi guo1,MAChao chen1,SHIXin1,ZHANGZhi qiang1,ZHANGQiang,ZHUZhi fu,ZHAOJia112(1.SchoolofMechanicalandVehicularEngineer,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China;2.BeijingAutomotiveTechniqueCenter,Beijing100176,China)Abstract:Analyzedsystematicallymeasurementandcalculatio

3、nmethodsofunsteadycharacteristicsforvehicularturbochargerturbine,theunsteadytestrigwasdevelopedbasedonthesemethods,thusprovidingaexperimentalmeansforresearchofthem.Onthistestrig,theunsteadycharacteristicsofaturbinematchedtoengineunderrepresentativeconditionswereinvestigated.Itisfoundthattheunsteadyc

4、haracteristicsformalooparoundthesteadycharacteristicsappearingtheknown closeloopcharacteristics phenomenon.Lastly,theunsteadycharacteristicsobtainedwerediscussed.摘要:分析并完善了車用渦輪增壓器渦輪非穩(wěn)態(tài)特性測量及計算的方法,在此方法的基礎(chǔ)上,搭建了渦輪非穩(wěn)態(tài)特性試驗臺,為渦輪的非穩(wěn)態(tài)特性研究提供了一種試驗研究手段。對某型號的渦輪與發(fā)動機(jī)在典型工況下匹配時的非穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行了試驗研究,試驗觀察到了 渦輪非穩(wěn)態(tài)特性圈 的現(xiàn)象,即渦輪的非穩(wěn)

5、態(tài)特性圍繞著穩(wěn)態(tài)特性形成了一個特性圈,對渦輪的非穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞:內(nèi)燃機(jī);渦輪增壓器;渦輪;非穩(wěn)態(tài)特性;試驗臺;脈沖發(fā)生器;測量方法Keywords:ICengine;turbocharger;turbine;unsteadycharacteristics;testrig;pulsegenerator;measurementmethod中圖分類號:TK412.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A0 概述近年來,隨著內(nèi)燃機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放要求的不斷提高,需要對整個增壓系統(tǒng)進(jìn)行更加精細(xì)化的設(shè)計和匹配,特別是對于脈沖增壓系統(tǒng)而言,渦輪的進(jìn)口氣體狀態(tài)在發(fā)動機(jī)的穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下仍然呈周期性變化。以往限于理論知識

6、、試驗手段等因素,對渦輪特性的研究一直停留在穩(wěn)態(tài)研究階段,但是收稿日期:2009 04 17基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(50676011)在實際的車用工況下,渦輪內(nèi)的流動往往是脈動的非穩(wěn)態(tài)流動,因此,渦輪的非穩(wěn)態(tài)特性成為目前內(nèi)燃機(jī)增壓器渦輪研究的一個重要方向。為了解決這個問題,工程上采用基于經(jīng)驗引入了一種脈沖修正系數(shù)1,2的近似方法,但未能充分反映出渦輪在此復(fù)雜流動情況下的準(zhǔn)確特性,研究界最早對這一現(xiàn)象的理解均是基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè),即渦輪工作的每個瞬時均與相同進(jìn)氣條件下渦輪的穩(wěn)態(tài)工作一致,如進(jìn)3作者簡介:于立國(1980-),男,博士生,主要研究方向為內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓及排放控制;(),E cn。

7、2010年第5期內(nèi) 燃 機(jī) 工 程!37!行了渦輪工作在脈動的非穩(wěn)態(tài)流動工況下特性的試驗4,結(jié)果表明:渦輪的非穩(wěn)態(tài)特性圍繞著穩(wěn)態(tài)特性形成了一個不規(guī)則的 圈 ;許多研究者也發(fā)現(xiàn)了類似的試驗現(xiàn)象5 14,揭示了渦輪非穩(wěn)態(tài)特性與穩(wěn)態(tài)特性的偏離,從此揭開了渦輪非穩(wěn)態(tài)特性研究的序幕。本文在充分分析渦輪非穩(wěn)態(tài)特性測量及計算方法的基礎(chǔ)上,設(shè)計搭建了渦輪非穩(wěn)態(tài)特性試驗臺,并對某型號的渦輪工作在典型非穩(wěn)態(tài)工況下的特性進(jìn)行試驗研究,為渦輪的非穩(wěn)態(tài)特性研究提供一種理論方法和試驗手段。1 渦輪非穩(wěn)態(tài)試驗方法研究渦輪的特性主要包括流量特性和效率特性。穩(wěn)態(tài)特性是在渦輪進(jìn)口氣體參數(shù)保持不變的條件下,分別測取渦輪的膨脹比與流

8、量的變化關(guān)系、渦輪速比與效率的變化關(guān)系。由于在非穩(wěn)態(tài)工況下,渦輪進(jìn)口氣體參數(shù)和轉(zhuǎn)速存在波動,渦輪的非穩(wěn)態(tài)特性是在渦輪平均轉(zhuǎn)速基本保持恒定的情況下,分別測取以上參數(shù)之間的關(guān)系。1.1 渦輪非穩(wěn)態(tài)特性測量及計算的基本方法各種參數(shù)可通過式(1)(6)求得渦輪瞬態(tài)膨脹比:pT1T=pT2瞬態(tài)靜壓,Pa。渦輪的瞬時相似流量:TmTS=*15式中,WTac為渦輪瞬態(tài)實際功率,J;WTis為渦輪瞬態(tài)等熵功率,J。渦輪瞬態(tài)等熵功率:WTisp=mTCPTT1-()pT2*T1*(6)式中,CPT為氣體定壓比熱,J/(kg!K)。由此可見,如果能夠測取渦輪瞬態(tài)的壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速和輸出功率,即可獲得渦輪的瞬

9、態(tài)特性。對瞬態(tài)壓力、溫度、流量和轉(zhuǎn)速等參數(shù),可以通過各種瞬態(tài)傳感器及其對應(yīng)方法測取。渦輪非穩(wěn)態(tài)特性測試的難點(diǎn)在于對渦輪瞬態(tài)輸出功率WTact的獲取。1.2 渦輪瞬態(tài)輸出功率的測量及計算方法渦輪瞬態(tài)輸出功率的測量計算方法根據(jù)原理的不同分為直接測量導(dǎo)出法和間接測量導(dǎo)出法15。其中,采用直接測量導(dǎo)出法4,7 9,11時,所選用的測量設(shè)備是專為車用渦輪增壓器渦輪開發(fā)的液力測功機(jī)或電渦流測功機(jī),其工作原理是通過測量測功機(jī)上的反作用力矩和轉(zhuǎn)速來計算渦輪的實際輸出功率。該測量方法雖然簡單,但是設(shè)備昂貴,同時由于系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)等方面的因素,轉(zhuǎn)速范圍也較小,對渦輪進(jìn)行試驗時,需要對增壓器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造以安裝測功機(jī),

10、從而使得試驗周期和成本加大,因此大幅度限制了這種測功機(jī)的使用。本文采用間接測量導(dǎo)出法,其原理是利用增壓器自身的壓氣機(jī)作為測功裝置,通過測量由壓氣機(jī)消耗的功率、軸承消耗的功率以及渦輪軸慣性力矩所消耗的功率,來計算出渦輪的瞬態(tài)實際輸出功率。具體的計算式為:WTact=WTact+Wacc軸慣性力矩耗功率,J。(7)。(1)式中,p*為渦輪進(jìn)口瞬態(tài)總壓,Pa;pT2為渦輪出口T1pT1*T1*T1(2)式中,mT為渦輪流量,kg/s;T為渦輪進(jìn)口總溫,K。渦輪的相似轉(zhuǎn)速:NS=T1(3)式中,WTact為渦輪瞬態(tài)實際平均功率,J;Wacc為渦輪WTact=Idt式中,I為渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量,kg!m2

11、。WTact=WCact+Woil(8)式中,N為渦輪轉(zhuǎn)速,r/min。渦輪瞬態(tài)速比:u/c=60*RTT1(1-)T-1(4)=mc1CpcdT*c+moilCpodT*oil1(9)式中,D為渦輪葉輪入口直徑,m;k為比熱容比;R為摩爾氣體常數(shù),R=8 314J/(mol!K)。渦輪瞬態(tài)效率:=TactTis(5)式中,WCact為壓氣機(jī)耗功率,J;Woil為潤滑油耗功率,J;mc、moil分別為壓氣機(jī)與潤滑油的流量,kg/s;Cpc、Cpo分別為空氣與潤滑油的定壓比熱,J/(kg!K);Tc、Toil分別為空氣與潤滑油的溫度,K。1.3 測量參數(shù)時間不同步問題的解決方法*!38!內(nèi) 燃

12、機(jī) 工 程2010年第5期參數(shù)基于測量點(diǎn)位置的不同,所測出的參數(shù)在時間上具有先后關(guān)系。渦輪入口的瞬態(tài)壓力、流量參數(shù)在渦輪入口上游位置處測量,這兩個參數(shù)之間幾乎不存在時間差。渦輪的瞬態(tài)輸出功率是在渦輪軸上測取的,渦輪入口的能量需要經(jīng)歷一段時間傳播到渦輪內(nèi)才能產(chǎn)生輸出功率,因此兩者之間存在著一定的時間滯后,為了準(zhǔn)確計算出各個瞬時渦輪的效率,需要計算出這一滯后時間并加以消除。計算這一時間需要獲得脈沖波的傳播速度和傳播距離,關(guān)于傳播速度利用試驗的方法證明了采用平均音速來計算的正確性14;關(guān)于傳播距離關(guān)鍵是需要定義一個 名義上的葉輪入口 ,由此測算傳播時間,以往的研究中沒有對這一問題給出定論,文獻(xiàn)7中取

13、蝸殼0 0截面之后的180#,采用這一位置的理由可能是基于平均的考慮;文獻(xiàn)14中取0 0截面之后的130#截面處,理由是在這一截面之后,出現(xiàn)流動沒有了明顯的加速現(xiàn)象,但是這一現(xiàn)象并不一定意味著此位置就是名義上的葉輪入口。如果條件允許的話,可以通過測試渦輪殼體流道內(nèi)不同截面的動態(tài)壓力獲得相關(guān)信息解決時間不同步問題,并且可以進(jìn)一步了解渦輪內(nèi)各參數(shù)的動態(tài)信息。但是,由于渦輪流道內(nèi)強(qiáng)烈的非穩(wěn)態(tài)三元流動特點(diǎn),很難準(zhǔn)確測得流道內(nèi)不同截面的壓力分布,只能在渦輪進(jìn)出口的合適位置處設(shè)置動態(tài)壓力傳感器來測得動態(tài)壓力。本文提出一種新的方法解決這一問題,其原理如圖1所示。基于壓力波從渦輪入口傳播到渦輪出口的時間小于一

14、個脈沖周期,通過同時測量渦輪入口和出口的壓力波動,可以從兩個壓力波形的滯后時間上得出壓力波從入口傳播到出口的時間t,這一時間包括壓力波從渦輪入口傳播到葉輪入口的時間t1和從葉輪入口傳播到渦輪出口的時間t2,根據(jù)試驗結(jié)論,傳播速度將接近于當(dāng)?shù)仄骄羲?。葉輪入口到渦輪出口的距離可以很方便地測出,因此可以計算出t2,而t與t2的差值即為本文所要求出的滯后時間t1。采用這種方法的優(yōu)勢是可以不用人為地定義一個名義上的葉輪入口位置,從而避免了由此產(chǎn)生的誤差,且具有較強(qiáng)的試驗可操作性。2 渦輪非穩(wěn)態(tài)特性試驗臺按照本文的方法搭建了渦輪非穩(wěn)態(tài)特性試驗臺,試驗臺的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。氣源中的壓縮空氣經(jīng)過過濾器、電

15、加熱器之后,通過兩路管道送至15圖1 滯后時間計算方法的原理氣的壓力波,這一壓力波動通過兩路管道分別傳遞給渦輪的兩個通道,以此來模擬增壓器在發(fā)動機(jī)上的真實工況。通過調(diào)整脈沖發(fā)生器工作轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)盤開口截面形狀,可以產(chǎn)生不同頻率和不同壓力波形的脈沖壓力波。渦輪的工作負(fù)荷大小可以通過調(diào)整壓氣機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)解,本文采用一種利用輔助增壓器的壓氣機(jī)自循環(huán)加載方法15,通過調(diào)節(jié)閥F2F8可以使壓氣機(jī)分別工作在自然狀態(tài)和自循環(huán)加載狀態(tài),并可以通過調(diào)節(jié)各相關(guān)閥門開度的大小,使渦輪工作在不同的負(fù)荷狀態(tài)下。1.外氣源2.渦輪孔板流量計3.脈沖發(fā)生器及其轉(zhuǎn)速傳感器4.渦輪入口測量段(瞬態(tài)壓力、流量、溫度)5.待測渦

16、輪6.渦輪出口測量段(瞬態(tài)壓力、轉(zhuǎn)速)7.潤滑油測量段(潤滑油流量、進(jìn)出口溫度)8.壓氣機(jī)9、10.壓氣機(jī)測量段(壓氣機(jī)進(jìn)出口溫度、出口壓力)11.輔助增壓器12.壓氣機(jī)孔板流量計F1F8調(diào)節(jié)閥圖2 渦輪非穩(wěn)態(tài)特性試驗臺渦輪進(jìn)出口動態(tài)壓力傳感器采用Kisler4045壓阻式絕壓傳感器和4065信號調(diào)理模塊。渦輪動態(tài)轉(zhuǎn)速傳感器選用KEYENCE的光電式轉(zhuǎn)速傳感器,光纖采用FU 2303抗彎光纖,鏡頭采用F 4HA,放大器采用FS V31。熱線風(fēng)速儀采用Dantec公司的恒溫型熱線風(fēng)速儀MiniCTA,探頭金屬絲直徑為5 m。動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用NI公司的6110PCI采集卡,iew編制。2010

17、年第5期內(nèi) 燃 機(jī) 工 程!39!3 渦輪非穩(wěn)態(tài)特性試驗研究在渦輪非穩(wěn)態(tài)特性試驗臺上對某渦輪工作在6缸柴油機(jī)的最大扭矩工況進(jìn)行了試驗研究。在該柴油機(jī)上增壓系統(tǒng)采用了雙通道異相進(jìn)氣的脈沖增壓系統(tǒng)。為了更清晰地觀察脈沖因素對渦輪特性的影響,在試驗臺上調(diào)整脈沖發(fā)生器兩個通道的相位,將異相進(jìn)氣調(diào)改為同步進(jìn)氣,發(fā)動機(jī)的最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速為1600r/min,對應(yīng)的脈沖波頻率為40Hz,增壓器的設(shè)計轉(zhuǎn)速對應(yīng)的相似轉(zhuǎn)速為2680r/(min!K2),試驗時通過調(diào)節(jié)試驗臺各參數(shù),保持增壓器平均相似轉(zhuǎn)速恒定。經(jīng)過濾波、平滑,并按照之前所述的計算方法和時間修正之后得到的各種瞬態(tài)參數(shù)在一個周期內(nèi)的變化如圖3所示。的非穩(wěn)

18、態(tài)特性,與穩(wěn)態(tài)特性有很大的偏離,這也例證了利用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè)在處理非穩(wěn)態(tài)問題時存在著較大的差距。圖4 渦輪的非穩(wěn)態(tài)流量特性圖5為渦輪的非穩(wěn)態(tài)效率特性。效率特性是指在同一渦輪相似轉(zhuǎn)速下渦輪的絕熱效率隨著速比U/C的變化關(guān)系。渦輪的絕熱效率定義為渦輪所做實際功與絕熱功之比。與流量特性類似,渦輪的非穩(wěn)態(tài)效率特性也是圍繞著穩(wěn)態(tài)特性形成了一個 環(huán) ,這也例證了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè)的不足。在脈沖初始時效率變化非常大,最大時接近于1,甚至發(fā)現(xiàn)了效率大于1的現(xiàn)象。這一區(qū)域的效率可能并非真實的效率,原因是渦輪入口脈沖波的壓力和流量均比較小,其包含的能量不足以驅(qū)動渦輪,此時的渦輪是依靠慣性在繼續(xù)旋轉(zhuǎn),但轉(zhuǎn)速在降低,消耗渦輪轉(zhuǎn)子

19、的動能對壓氣機(jī)做功,使渦輪的表觀實際功增加,導(dǎo)致測出的渦輪絕熱效率偏高;當(dāng)渦輪入口的壓力和流量都迅速增大時,測到渦輪的效率反而下降了,這一段區(qū)域正好是第一個壓力波峰的區(qū)域。效率下降的原因為:一方面是由于工況變化導(dǎo)致內(nèi)部流場變化帶來的損失增加;另一方面也是由于轉(zhuǎn)子處于加速階段,渦輪輸出的實際功被轉(zhuǎn)子以動能方式吸收,使壓氣機(jī)獲得的能量減少,從而導(dǎo)致渦輪的表觀實際功減少和絕熱效率降低。經(jīng)過一個短暫的時間之后絕熱效率又迅速地上升,并超過了穩(wěn)態(tài)時的效率,隨著第二個壓力波峰的到來,渦輪的效率表7,14,16圖3 一個周期內(nèi)各種瞬態(tài)參數(shù)的變化現(xiàn)為迅速下降,但在脈沖結(jié)束時,效率又有了很大提高,其變化的原因與前

20、述分析相同。4 結(jié)論(1)分析了渦輪非穩(wěn)態(tài)特性測試及計算的方法,搭建了渦輪非穩(wěn)態(tài)特性試驗臺,為渦輪的非穩(wěn)態(tài)特性研究提供了一種行之有效的試驗手段。(2)提出了一種新的解決渦輪非穩(wěn)態(tài)試驗測量根據(jù)之前所述的方法計算出了渦輪的流量特性,如圖4所示。為了便于比較,在圖中標(biāo)識出了之前由試驗獲取的在同一相似轉(zhuǎn)速下的渦輪穩(wěn)態(tài)特性。試驗得出了與文獻(xiàn)4 14類似的試驗結(jié)果,渦輪的非穩(wěn)態(tài)特性圍繞著穩(wěn)態(tài)特性形成了一個特性圈,如果準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè)成立,那么渦輪在非穩(wěn)態(tài)工況下,!40!內(nèi) 燃 機(jī) 工 程2010年第5期7 WinterboneDE,NikpourB,AlexanderGI.Measurementoftheper

21、formanceofaradialinflowturbineinsteadyandun steadyflowC.IMechE,ConfTurbochargingandTurbo chargers,C405/015,1990.8 BainesNC,YeoJH,FlowinaradialturbineunderequalandpartialadmissionconditionsC.InTurbomachinery:LatestDevelopmentsinaChangingScene.InstMechEngrs103 112,1991.9 BainesNC,HajilouyBA,YeoJJ.Thep

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