車(chē)用渦輪增壓器渦輪非穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)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(hào):1000-0925(2010)05用渦輪增壓器渦輪非穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)研究于立國(guó),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(chē)輛工程學(xué)院,北京100081;2.北京汽車(chē)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(chē)用渦輪增壓器渦輪非穩(wěn)態(tài)特性測(cè)量及計(jì)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(yàn)臺(tái),為渦輪的非穩(wěn)態(tài)特性研究提供了一種試驗(yàn)研究手段。對(duì)某型號(hào)的渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)在典型工況下匹配時(shí)的非穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,試驗(yàn)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(gè)特性圈,對(duì)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(yàn)臺(tái);脈沖發(fā)生器;測(cè)量方法Keywords:ICengine;turbocharger;turbine;unsteadycharacteristics;testrig;pulsegenerator;measurementmethod中圖分類(lèi)號(hào):TK412.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0 概述近年來(lái),隨著內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放要求的不斷提高,需要對(duì)整個(gè)增壓系統(tǒng)進(jìn)行更加精細(xì)化的設(shè)計(jì)和匹配,特別是對(duì)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(dòng)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(shí)

6、、試驗(yàn)手段等因素,對(duì)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(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50676011)在實(shí)際的車(chē)用工況下,渦輪內(nèi)的流動(dòng)往往是脈動(dòng)的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng),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(gè)重要方向。為了解決這個(gè)問(wèn)題,工程上采用基于經(jīng)驗(yàn)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(dòng)情況下的準(zhǔn)確特性,研究界最早對(duì)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(gè)瞬時(shí)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(jiǎn)介:于立國(guó)(1980-),男,博士生,主要研究方向?yàn)閮?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(dòng)的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)工況下特性的試驗(yàn)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(gè)不規(guī)則的 圈 ;許多研究者也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的試驗(yàn)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(kāi)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(cè)量及計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)搭建了渦輪非穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)臺(tái),并對(duì)某型號(hào)的渦輪工作在典型非穩(wěn)態(tài)工況下的特性進(jìn)行試驗(yàn)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(yàn)手段。1 渦輪非穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)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(cè)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(dòng),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(cè)取以上參數(shù)之間的關(guān)系。1.1 渦輪非穩(wěn)態(tài)特性測(cè)量及計(jì)算的基本方法各種參數(shù)可通過(guò)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(shí)相似流量:TmTS=*15式中,WTac為渦輪瞬態(tài)實(shí)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(jiàn),如果能夠測(cè)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(duì)瞬態(tài)壓力、溫度、流量和轉(zhuǎn)速等參數(shù),可以通過(guò)各種瞬態(tài)傳感器及其對(duì)應(yīng)方法測(cè)取。渦輪非穩(wěn)態(tài)特性測(cè)試的難點(diǎn)在于對(duì)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(cè)量及計(jì)算方法渦輪瞬態(tài)輸出功率的測(cè)量計(jì)算方法根據(jù)原理的不同分為直接測(cè)量導(dǎo)出法和間接測(cè)量導(dǎo)出法15。其中,采用直接測(cè)量導(dǎo)出法4,7 9,11時(shí),所選用的測(cè)量設(shè)備是專(zhuān)為車(chē)用渦輪增壓器渦輪開(kāi)發(fā)的液力測(cè)功機(jī)或電渦流測(cè)功機(jī),其工作原理是通過(guò)測(cè)量測(cè)功機(jī)上的反作用力矩和轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算渦輪的實(shí)際輸出功率。該測(cè)量方法雖然簡(jiǎn)單,但是設(shè)備昂貴,同時(shí)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(duì)渦輪進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),需要對(duì)增壓器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造以安裝測(cè)功機(jī),

10、從而使得試驗(yàn)周期和成本加大,因此大幅度限制了這種測(cè)功機(jī)的使用。本文采用間接測(cè)量導(dǎo)出法,其原理是利用增壓器自身的壓氣機(jī)作為測(cè)功裝置,通過(guò)測(cè)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(lái)計(jì)算出渦輪的瞬態(tài)實(shí)際輸出功率。具體的計(jì)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(shí)際平均功率,J;Wacc為渦輪WTact=Idt式中,I為渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)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(rùn)滑油耗功率,J;mc、moil分別為壓氣機(jī)與潤(rùn)滑油的流量,kg/s;Cpc、Cpo分別為空氣與潤(rùn)滑油的定壓比熱,J/(kg!K);Tc、Toil分別為空氣與潤(rùn)滑油的溫度,K。1.3 測(cè)量參數(shù)時(shí)間不同步問(wèn)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(cè)量點(diǎn)位置的不同,所測(cè)出的參數(shù)在時(shí)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(cè)量,這兩個(gè)參數(shù)之間幾乎不存在時(shí)間差。渦輪的瞬態(tài)輸出功率是在渦輪軸上測(cè)取的,渦輪入口的能量需要經(jīng)歷一段時(shí)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(shí)間滯后,為了準(zhǔn)確計(jì)算出各個(gè)瞬時(shí)渦輪的效率,需要計(jì)算出這一滯后時(shí)間并加以消除。計(jì)算這一時(shí)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(yàn)的方法證明了采用平均音速來(lái)計(jì)算的正確性14;關(guān)于傳播距離關(guān)鍵是需要定義一個(gè) 名義上的葉輪入口 ,由此測(cè)算傳播時(shí)間,以往的研究中沒(méi)有對(duì)這一問(wèn)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(dòng)沒(méi)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(huà),可以通過(guò)測(cè)試渦輪殼體流道內(nèi)不同截面的動(dòng)態(tài)壓力獲得相關(guān)信息解決時(shí)間不同步問(wèn)題,并且可以進(jìn)一步了解渦輪內(nèi)各參數(shù)的動(dòng)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(dòng)特點(diǎn),很難準(zhǔn)確測(cè)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(dòng)態(tài)壓力傳感器來(lái)測(cè)得動(dòng)態(tài)壓力。本文提出一種新的方法解決這一問(wèn)題,其原理如圖1所示?；趬毫Σ◤臏u輪入口傳播到渦輪出口的時(shí)間小于一

14、個(gè)脈沖周期,通過(guò)同時(shí)測(cè)量渦輪入口和出口的壓力波動(dòng),可以從兩個(gè)壓力波形的滯后時(shí)間上得出壓力波從入口傳播到出口的時(shí)間t,這一時(shí)間包括壓力波從渦輪入口傳播到葉輪入口的時(shí)間t1和從葉輪入口傳播到渦輪出口的時(shí)間t2,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)論,傳播速度將接近于當(dāng)?shù)仄骄羲佟Ｈ~輪入口到渦輪出口的距離可以很方便地測(cè)出,因此可以計(jì)算出t2,而t與t2的差值即為本文所要求出的滯后時(shí)間t1。采用這種方法的優(yōu)勢(shì)是可以不用人為地定義一個(gè)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(yàn)可操作性。2 渦輪非穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)臺(tái)按照本文的方法搭建了渦輪非穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)臺(tái),試驗(yàn)臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。氣源中的壓縮空氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾器、電

15、加熱器之后,通過(guò)兩路管道送至15圖1 滯后時(shí)間計(jì)算方法的原理氣的壓力波,這一壓力波動(dòng)通過(guò)兩路管道分別傳遞給渦輪的兩個(gè)通道,以此來(lái)模擬增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)上的真實(shí)工況。通過(guò)調(diào)整脈沖發(fā)生器工作轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)盤(pán)開(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)調(diào)節(jié)各相關(guān)閥門(mén)開(kāi)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(jì)3.脈沖發(fā)生器及其轉(zhuǎn)速傳感器4.渦輪入口測(cè)量段(瞬態(tài)壓力、流量、溫度)5.待測(cè)渦

16、輪6.渦輪出口測(cè)量段(瞬態(tài)壓力、轉(zhuǎn)速)7.潤(rùn)滑油測(cè)量段(潤(rùn)滑油流量、進(jìn)出口溫度)8.壓氣機(jī)9、10.壓氣機(jī)測(cè)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(jì)F1F8調(diào)節(jié)閥圖2 渦輪非穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)臺(tái)渦輪進(jìn)出口動(dòng)態(tài)壓力傳感器采用Kisler4045壓阻式絕壓傳感器和4065信號(hào)調(diào)理模塊。渦輪動(dòng)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(dòng)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(yàn)研究在渦輪非穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)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(yàn)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(duì)渦輪特性的影響,在試驗(yàn)臺(tái)上調(diào)整脈沖發(fā)生器兩個(gè)通道的相位,將異相進(jìn)氣調(diào)改為同步進(jìn)氣,發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速為1600r/min,對(duì)應(yīng)的脈沖波頻率為40Hz,增壓器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的相似轉(zhuǎn)速為2680r/(min!K2),試驗(yàn)時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺(tái)各參數(shù),保持增壓器平均相似轉(zhuǎn)速恒定。經(jīng)過(guò)濾波、平滑,并按照之前所述的計(jì)算方法和時(shí)間修正之后得到的各種瞬態(tài)參數(shù)在一個(gè)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(wèn)題時(shí)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(shí)際功與絕熱功之比。與流量特性類(lèi)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(gè) 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(shí)效率變化非常大,最大時(shí)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(shí)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(dòng)渦輪,此時(shí)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(dòng)能對(duì)壓氣機(jī)做功,使渦輪的表觀實(shí)際功增加,導(dǎo)致測(cè)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(shí),測(cè)到渦輪的效率反而下降了,這一段區(qū)域正好是第一個(gè)壓力波峰的區(qū)域。效率下降的原因?yàn)?一方面是由于工況變化導(dǎo)致內(nèi)部流場(chǎng)變化帶來(lái)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(shí)際功被轉(zhuǎn)子以動(dòng)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(shí)際功減少和絕熱效率降低。經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的時(shí)間之后絕熱效率又迅速地上升,并超過(guò)了穩(wěn)態(tài)時(shí)的效率,隨著第二個(gè)壓力波峰的到來(lái),渦輪的效率表7,14,16圖3 一個(gè)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(shí),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(cè)試及計(jì)算的方法,搭建了渦輪非穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)臺(tái),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(yàn)手段。(2)提出了一種新的解決渦輪非穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)測(cè)量根據(jù)之前所述的方法計(jì)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(shí)出了之前由試驗(yàn)獲取的在同一相似轉(zhuǎn)速下的渦輪穩(wěn)態(tài)特性。試驗(yàn)得出了與文獻(xiàn)4 14類(lèi)似的試驗(yàn)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(gè)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

22、ulseflowperformanceandmodelingofradialinflowturbinesC.IMechECon ferenceonTurbochargingandTurbochargers,C484/006/94,1994.10HajilouyBA.RadialinflowturbineperformancecharacteristicsundersteadyandunsteadyflowD.England:ImperialCollegeofScience,Technology,andMedicine,UniversityofScience,TechnologyandMedic

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24、hikiD,EndohT,etal.Performanceofradialex1 王延生,黃佑生.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,19842 朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.3 BainesNC.FundamentalsofturbochargingM.UnitedStates:ConceptsNREC,2005.4 DaleA,Watson,N.VanelessradialturbineperformanceC.IMechE,ConfTurbochargingandTurbochargers,C110/86,1986.5 KousugeH,YamanakaN,ArigaI,etal.Performanceofradialflowturbine