高海拔条件下压气机结构优化及其对柴油机性能的影响

董素荣，刘卓学，刘瑞林，张众杰，张金明



高海拔条件下压气机结构优化及其对柴油机性能的影响

董素荣1，刘卓学2, 3，刘瑞林1，张众杰2，张金明4

(1. 陆军军事交通学院军用车辆工程系，天津 300161；2. 陆军军事交通学院研究生管理大队，天津 300161； 3. 93015部队，哈尔滨 150000；4. 康跃科技股份有限公司，寿光 262711)

基于二级可调增压柴油机高海拔性能试验，采用计算流体力学(CFD)和柴油机工作过程计算方法，开展高海拔条件下压气机叶轮结构优化及其对柴油机性能影响的研究．研究结果表明：海拔5500m，压气机叶轮主叶片及分流叶片前缘前掠6.27°、分流叶片向主叶片压力面偏折12.09°，压气机叶轮流道内流动损失明显降低，出口处流动稳定性提高，压比、效率及流量范围分别提高4.16%、2.63%及6.58%；压气机叶轮优化后，二级可调增压柴油机中低转速燃烧过程得到明显改善，滞燃期和燃烧持续期缩短；柴油机1200r/min全负荷工况最高燃烧压力升高9.53%，累计放热量提高8.78%，转矩提高5.82%，燃油消耗率降低4.42%．

高海拔；柴油机；压气机；结构优化；性能

涡轮增压柴油机作为车辆、工程机械、发电机组及国防装备的动力源，在高原地区经济建设和国防建设中起着重要的作用．然而，由于高海拔大气压力降低，柴油机进气质量减少，将导致柴油机性能下降[1].提高进气质量是柴油机高海拔动力恢复的关键，二级可调增压是提高柴油机高海拔性能的有效措施[2-4].然而，随着海拔高度的增加，空气密度减小，雷诺数大幅降低，气流黏性阻力明显增加，流动抗分离能力变弱，使得跨声速离心压气机性能及稳定工作能力变差[5-7]，降低了涡轮增压器的性能及柴油机的高海拔适应性．鉴于此，笔者在二级可调增压柴油机高海拔性能研究的基础上，对二级可调增压器低压级压气机结构进行优化，提高柴油机高海拔性适应能力.

1 研究对象与研究方法

1.1 研究对象

以1台匹配二级可调增压系统的高压共轨柴油机为研究对象．二级可调增压系统的高压级为可变截面涡轮增压器，低压级为带废气放气阀的固定截面涡轮增压器．二级可调增压柴油机主要技术参数如表1所示．

表1 柴油机主要技术参数

Tab.1 Main specifications of diesel engine

1.2 研究方法

1.2.1 试验研究

利用二级可调增压柴油机高海拔模拟试验系 统[3-4]，进行二级可调增压柴油机高海拔标定与性能模拟试验．该试验系统主要由不同海拔(0～6000m)柴油机进排气压力模拟系统、柴油机测功系统、燃烧分析系统和二级可调增压器测控系统等组成．主要测试仪器包括CW440D测功机、AVL670燃烧分析仪、ToCeil-CMFD/G025瞬态油耗仪、JAQUET T412增压器转速测试仪等．以柴油机高海拔动力性、经济性最佳为目标，以增压器最高转速、柴油机最高排气温度、最高燃烧压力为限制条件，在原机(单级增压柴油机)喷油参数不变的情况下，进行柴油机二级可调增压系统高海拔标定与性能试验．

试验结果表明，与原机(单级增压柴油机)相比，二级可调增压柴油机不同海拔的动力性和经济性得到提升，海拔5500m标定功率提高11.8%，燃油消耗率降低4.8%(见图1)．但由图1可知，海拔升高，二级增压器滞后仍较严重，尤其是海拔5500m、低速(1300r/min以下)柴油机动力性和经济性下降明显．

图1 不同海拔二级可调增压柴油机性能曲线

1.2.2 压气机叶轮优化研究

图2为利用NUMECA专业叶轮机械计算软件，建立的低压级压气机蜗壳及叶轮三维几何模型．压气机叶轮仿真模型建立及验证详见文献[8]．设置转动面为无滑移固壁边界，轮盖面为绝热无滑移的静止固壁边界，设置进口边界条件为轴向进气，给定总温及总压，出口的边界条件在大流量下给定平均静压值，小流量下指定质量流量．

图2 压气机几何模型

为获得高海拔压气机叶轮的最佳叶型，对压气机叶轮进行参数化拟合；采用全因子的试验设计方法(DOE)对样本库进行构建；以压比及效率最大为目标，采用BP人工神经网络及GA遗传算法相结合的方法，对压气机前缘形状(掠)及分流叶片周向位置进行寻优．优化后压气机叶轮模型如图3所示，主叶片及分流叶片前缘为前掠叶型，掠角为6.27°(优化前叶轮叶片前缘掠角为0°)；分流叶片向主叶片压力面偏折，与主叶片吸力面夹角12.09°(优化前分流叶片与主叶片吸力面夹角为11.62°)．

图3 优化后压气机叶轮模型

1.2.3 柴油机高海拔燃烧过程数值模拟研究

基于GT-Power及AVL Fire软件分别建立低压级压气机叶轮优化后二级可调增压柴油机高海拔工作过程和燃烧过程仿真模型，开展海拔5500m、不同转速下柴油机燃烧与性能的仿真研究，并与匹配优化前压气机的柴油机高海拔试验结果进行对比分析，验证模型的准确性．

工作过程仿真模块主要包括气缸模块、喷油器模块、曲轴箱模块、配气机构模块、涡轮增压器模块、进排气管路及中冷器模块等；燃烧过程仿真模型如表2所示．根据实际参数值和试验测得值设定初始参数．

图4和图5是海拔5500m、柴油机全负荷工况二级可调增压柴油机高海拔模拟试验结果[3-4]和仿真结果．由图可知二者吻合度较高，误差均在5%以内，验证了柴油机模型的准确性．

表2 燃烧模型

Tab.2 Combustion model

图4 海拔5500m、柴油机1200r/min全负荷缸内压力曲线

图5 海拔5500m柴油机性能试验与仿真结果

2 结果与分析

2.1 高海拔下优化前后叶轮性能及流动特性

图6为海拔5500m条件下优化后的叶轮特性曲线．可以看出，优化后叶轮性能得到改善，压比、效率及流量范围分别提高了4.16%、2.63%及6.58%．近喘振点处效率及流量的提高较为明显，工作裕度也得到了一定的提高，尤其在小流量下压比的提高幅度较大，这将有助于提高压气机的稳定工作能力，提高柴油机在低速工况下的动力性．

图6 优化后叶轮性能曲线

图7为海拔5500m条件下优化后叶轮子午面熵增图．由图7可知，优化后近喘振工况下叶轮顶部损失明显减小，优化前在主叶片前缘附近就已经形成高损失区，而优化后在分流叶片前缘之后损失才逐渐开始增加．最高效率工况及近堵塞工况优化后的叶轮最高损失及高损失范围也同样小于优化前．由此可见优化后叶轮总体损失降低．

图8是近喘振工况优化前后压气机叶轮内部三维流线分布．相比优化前，优化后叶轮内部流动更加平稳，未出现主叶片泄露流向入口处偏折并流入相邻流道的状况，同时主叶片泄漏流几乎没有出现横跨流道进入分流叶片吸力面一侧的现象．图9为近喘振工况叶表静压分布，图10为不同工况下优化后叶轮出口处相对马赫数沿叶高的分布曲线，图11为不同工况优化后叶轮出口熵增沿叶高的分布曲线．由图9可以看出，优化后叶片压力面静压下降幅度较小，吸力面一侧静压也同样高于优化前，因此，顶部泄漏流体得到了降低；此外，由于通道流程变长、分流叶片压力面与主叶片吸力面压差增加，使得泄漏流的周向能量损失增加，因此并未出现泄漏流跨过分流叶片的现象．

图7 优化后子午面熵增

图8 喘振工况三维流线分布

图9 近喘振工况叶表静压分布

由图10可知，近喘振工况及最高效率工况处气流速度均比优化前有所提高，且近喘振工况90%叶高之后相对马赫数有较为明显的提升，说明优化后压气机在该工况顶部所聚集的低速流体减少，降低了该工况下主要损失的来源．近堵塞工况下出口速度有所降低，堵塞现象得到缓解．

由图11可知，优化后压气机各叶高损失均小于优化前，尤其从90%叶高开始，存在明显的降低，低速流体在顶部的聚集减少，流动损失减小，尤其在近喘振工况下，优化后流道内流动得到明显的改善，损失大幅降低．

图10 叶轮出口处相对马赫数沿叶高分布曲线

图11 叶轮出口熵增沿叶高的分布曲线

2.2 叶轮优化前后柴油机高海拔性能

图12为叶轮优化前后海拔5500m条件下柴油机1200r/min缸内燃烧压力曲线．与优化前相比，叶轮优化后柴油机缸内最高压力升高9.53%，每循环所做的有用功提高了12.02%，进而提高了低转速下柴油机的动力性．

图12 柴油机缸内压力曲线

图13为优化前后海拔5500m条件下柴油机1200r/min缸内放热率曲线，可以发现，优化后预混燃烧放热率峰值比优化前低了19.10%，扩散燃烧放热率明显高于优化前，累计放热率提高了8.78%(见图14)．压气机叶轮优化后提高了进气质量，燃烧过程中氧气充足，局部缺氧现象得到缓解，滞燃期、燃烧持续期缩短(见图15)．

图13 柴油机放热率曲线

图14 累计放热率曲线

图15 柴油机滞燃期、燃烧持续期

图16为海拔5500m条件下叶轮优化前后低压级增压器性能对比．从中可以发现优化后低压级压比及效率均有增加，且在1200r/min时，压比和效率增幅最大，其中压比提高6.30%，效率提高了3.01%，这对于改善中低转速下柴油机高海拔性能至关重要.

图16 优化前后压气机压比及效率对比

图17为海拔5500m条件下叶轮优化前后增压柴油机进气量对比．由图可知，叶轮优化后柴油机各转速下进气量均增加，且在低速(1000～1500r/min)增加更为显著，1200r/min转速下进气量提高6.22%，2100r/min转速下进气量提高4.30%．这得益于高海拔条件下优化后压气机流动特性的改善，压比在全范围内得到提高，增加了进气压力，进而使得柴油机缸内进气量有所提升．

图17 优化前后柴油机进气量对比

进气量的增加将会直接影响到柴油机高海拔动力性及经济性的提升．图18为海拔5500m条件下叶轮优化前后柴油机转矩变化，从中可发现叶轮优化后柴油机转矩增加，在1500r/min转速下转矩可达到1145.75N·m，比原机高4.65%；此外，因优化后柴油机在中低转速下进气量得到了大幅提高，因此，在1000～1500r/min范围内转矩提高幅度较大，1200r/min转速下转矩达到412N·m，比原机提升了5.82%，因此优化后柴油机中低转速下的动力性得到了显著提升，有效改善了高原环境下车辆的加速 性能．

图18 优化前后柴油机转矩对比

海拔5500m条件下叶轮优化后柴油机燃油消耗率明显降低(见图19)．最低燃油消耗率从原机的210.74kg/(kW·h)降到204.29kg/(kW·h)，减小了3.15%；同时，由于叶轮优化后中低转速下进气更加充分，改善了缸内的燃烧过程，提高了热效率，最终使得燃油消耗率降低，其中1200r/min转速下燃油消耗率为268.28kg/(kW·h)，比原机降低了4.42%，柴油机高海拔中低转速工况的经济性得到了改善．

图19 优化前后柴油机燃油消耗率对比

3 结 论

(1) 海拔5500m条件下，车用离心压气机叶轮主叶片及分流叶片前缘前掠、分流叶片向主叶片吸力面方向偏移后，性能得到改善，压比、效率及流量范围提高，叶轮内部流动损失明显减少．

(2) 海拔5500m条件下，叶轮优化后柴油机1200r/min全负荷工况缸内燃烧状况得到改善，燃烧更加充分，滞燃期、燃烧持续期缩短，最高缸压增加了9.53%．

(3) 叶轮优化后柴油机海拔5500m动力性及经济性得到改善，尤其在中低转速下改善更加明显．海拔5500m、柴油机1200r/min全负荷工况，压气机压比提高6.30%，效率提高3.01%；柴油机转矩增加5.82%，燃油消耗率降低4.42%．

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Structure Optimization of Centrifugal Compressor and Its Influence on Performance of Diesel Engine at High Altitude

Dong Surong1，Liu Zhuoxue2, 3，Liu Ruilin1，Zhang Zhongjie2，Zhang Jinming4

(1. Military Vehicle Engineering Department，Army Military Transportation University，Tianjin 300161，China；2. Postgraduate Training Brigade，Army Military Transportation University，Tianjin 300161，China；3. 93015 of People’s Liberation Army，Harbin 150000，China； 4. Kangyue Turbocharger Company Limited，Shouguang 262711，China)

On the basis of the performance test of a two-stage adjustable turbocharged diesel engine at high altitude，the structural optimization of its centrifugal compressor impeller and the corresponding effect on its performance were investigated using computational fluid dynamics and the calculation method for the working process．Results showed that at an altitude of 5500m，the angle between the main blade and the splitter blade leading edge sweep was 6.27°，and the angle between the splitter blade and the suction surface of main blade angle was 12.09°．The overall loss in flow passage obviously decreased，and the flow stability at the outlet improved．The impeller’s pressure ratio，efficiency and flow range improved by 4.16%，2.63%，and 6.58%，respectively．After optimization，the combustion process of the two-stage adjustable turbocharger diesel engine at medium- and low-speeds clearly improved，and the ignition delay period and combustion duration were shortened．Under the working condition of 1200r/min and full-load，the maximum combustion pressure，cumulative heat，and torque were improved by 9.53%，8.78%，and 5.82%，respectively，whereas the fuel consumption rate was reduced by 4.42%．

high altitude；diesel engine；centrifugal compressor；structure optimization；performance

TK421

A

1006-8740(2019)03-0260-07

2018-08-26.

军队预先研究资助项目(30105030201).

董素荣（1967—），女，博士、教授.

董素荣，dongsr@126.com.

10.11715/rskxjs.R201808018