内燃机高压比离心压气机扩稳非对称流动控制研究

• 作 者: 杨名洋
• 出 处: 清华大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 内燃机涡轮增压 高压比离心压气机 非对称流动控制 自循环机匣处理

内燃机节能与CO₂减排、以及高原高空功率恢复的要求，推动着内燃机增压比不断提高，高增压技术成为先进内燃机发展的核心关键技术之一。增压比提高将导致离心压气机稳定工作范围急剧降低，高增压离心压气机的气动稳定性与扩稳成为高增压技术研究的核心和难点。自循环机匣处理是增压离心压气机扩稳的主要流动控制方法，目前研究主要从回流量控制的角度出发，对压气机内由蜗壳产生的流场畸变影响考虑较少，机匣处理几何结构呈轴对称。论文实验研究了高压比离心压气机内周向畸变流动特征，发现在非设计工况下由于蜗壳内的静压变化及蜗舌扰动，在无叶扩压器内形成静压周向畸变；该畸变通过叶轮出口进一步影响叶轮内部流动，且叶轮内部静压周向分布与转速密切相关。论文深入探讨了压气机内畸变流场的具体形式及产生机制。结果表明，叶轮内与转速相关的静压畸变是由从叶轮出口传入的静压畸变在旋转的叶轮流道内传播及反射所造成；叶轮出口压力畸变在叶轮出口处产生一个相对气流角变化的扰动。随着畸变向叶轮进口传播，扰动抵达主叶片吸力面前缘附近，导致了叶轮进口气流角等流动参数分布呈周向畸变。论文深入研究了自循环机匣处理流动控制方法对压气机流场的影响，发现该方法可抑制叶轮进口流场周向畸变，抑制效果与机匣处理所产生的回流周向分布相关。在详细分析高压比离心压气机近失速流场，以及自循环机匣处理对压气机内流场影响的基础上，提出了将机匣处理产生的回流量周向分布最大值布置在叶轮内最低静压周向位置的扩稳非对称流动控制新方法。基于所提出的非对称流动控制方法和自循环机匣处理几何参数对压气机性能及流场影响规律分析，设计并验证了压比4的非对称处理机匣高压比离心压气机。实验结果表明，非对称自循环机匣处理方案比原对称方案的综合扩稳效果提高，在设计转速时非对称方案的喘振流量比对称方案减小约4.1%。