李夢(mèng)鈺,石磊,張慧龑,李華雷,劉勝,楊震寰
(1.上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室,上海 200240; 2.中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司,上海 201109;3.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津),天津 300400)
渦輪增壓技術(shù)在保證結(jié)構(gòu)緊湊性的情況下可縮小排量,改善缸內(nèi)燃燒過(guò)程,進(jìn)一步提高柴油機(jī)的功率密度,降低柴油機(jī)油耗、排放和噪聲[1-2]。而渦輪等效流通面積的計(jì)算對(duì)渦輪特性的描述和渦輪增壓系統(tǒng)與柴油機(jī)的匹配具有重要意義:一方面,利用渦輪等效流通面積可以計(jì)算渦輪膨脹比與流量的關(guān)系,描述渦輪流通特性和做功能力;另一方面,對(duì)于渦輪增壓系統(tǒng)與柴油機(jī)的匹配,特別是變海拔匹配,通過(guò)壓氣機(jī)耗功需求和柴油機(jī)特性計(jì)算全工況渦輪等效流通面積需求,可以確定匹配點(diǎn)渦輪增壓器的選型和全工況渦輪旁通閥調(diào)節(jié)目標(biāo)。為計(jì)算渦輪等效流通面積,學(xué)者基于熱力學(xué)基本方程提出較多一維渦輪簡(jiǎn)化模型,目前應(yīng)用范圍較廣的是簡(jiǎn)單渦輪模型[4],將渦輪等效成單噴嘴,認(rèn)為在相同流量下,噴嘴面積產(chǎn)生與渦輪相等的壓降。但其只適用于中等膨脹比,膨脹比到達(dá)1.89之后,簡(jiǎn)單噴嘴模型計(jì)算的渦輪流量增加緩慢,會(huì)出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。事實(shí)上,實(shí)際渦輪工作過(guò)程分為靜葉和動(dòng)葉兩階段,膨脹比可達(dá)3.0[5]。之后又衍生出簡(jiǎn)單噴嘴模型的替代方法[6],認(rèn)為其產(chǎn)生的壓降是渦輪實(shí)際壓降的一半。此方法解決了臨界膨脹比問(wèn)題,但噴嘴出口處的壓力實(shí)際上是靜葉與動(dòng)葉之間的壓力,不利于計(jì)算渦輪出口壓力演變和分析渦輪做功能力。為解決上述問(wèn)題,Payri等[7-8]提出雙噴嘴模型,之后Eriksson[9]進(jìn)行了改進(jìn),但分別局限于氣體在兩個(gè)噴嘴膨脹過(guò)程中壓降相等或膨脹比相等的假設(shè)。
本研究在雙噴嘴模型的基礎(chǔ)上,提出了根據(jù)反動(dòng)度計(jì)算靜葉噴嘴出口壓力,分別確認(rèn)靜葉和動(dòng)葉噴嘴處膨脹比,進(jìn)一步計(jì)算渦輪等效流通面積的方法。為驗(yàn)證此改進(jìn)方法描述渦輪流通特性的準(zhǔn)確性,利用GT-Power軟件搭建柴油機(jī)性能仿真模型,根據(jù)計(jì)算得到的面積反算相應(yīng)工況下渦前渦后的氣體狀態(tài)參數(shù)并得到渦輪流通特性曲線,同時(shí)與簡(jiǎn)單噴嘴模型計(jì)算結(jié)果作對(duì)比。為驗(yàn)證此改進(jìn)方法描述渦輪做功能力的準(zhǔn)確性,基于計(jì)算得出的渦輪等效流通面積和變海拔渦輪面積關(guān)系式,為某6缸柴油機(jī)確定了渦輪變海拔匹配方案,考察增壓壓力恢復(fù)情況。
根據(jù)Payri的理論[7-8],氣體在徑流式渦輪中的熱力過(guò)程實(shí)際上是在靜葉和動(dòng)葉的兩次膨脹,其簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖1,熱力過(guò)程見(jiàn)圖2。由此可將靜葉和動(dòng)葉分別視為等效噴嘴,具有和理想噴嘴相同的流通特性。排氣從渦輪入口處進(jìn)入靜葉噴嘴,進(jìn)行第一次膨脹,然后經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓腔積聚質(zhì)量流量,再經(jīng)動(dòng)葉噴嘴進(jìn)行第二次膨脹并做功,最后通過(guò)渦輪出口排入大氣。將氣體在徑流式渦輪中的流動(dòng)過(guò)程視為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。
圖1 徑流式渦輪簡(jiǎn)化模型
圖2 徑流式渦輪熱力過(guò)程
反動(dòng)度是衡量氣體的膨脹過(guò)程在動(dòng)、靜葉處如何分配的參數(shù)。反動(dòng)度大意味著氣體在動(dòng)葉的膨脹份額更大。目前,比較常見(jiàn)的反動(dòng)度定義方法有兩種:一種是由靜壓定義的反動(dòng)度,為動(dòng)葉靜壓降與級(jí)的壓降之比;一種是由靜焓定義的反動(dòng)度,為動(dòng)葉靜焓降與級(jí)總能量轉(zhuǎn)換之比。本研究選取后者:
(1)
式中:Λ為反動(dòng)度;h表示焓;下標(biāo)中第一個(gè)位置的0,1,2分別表示靜葉入口、靜葉出口和動(dòng)葉出口,下同;下標(biāo)中第二個(gè)位置的0表示滯止焓,如沒(méi)有則為靜焓。
渦輪動(dòng)葉入口和出口處的速度三角形見(jiàn)圖3,其中c為氣流絕對(duì)速度,它的徑向和軸向分速度分別為cr和cα。u表示動(dòng)葉葉尖速度,ω為氣體相對(duì)于葉片的速度。所以有
(2)
又因?yàn)闅饬髟陟o葉只膨脹不做功,有靜葉噴嘴入口和出口滯止焓相等,即h00=h10,代入式(2)中可得
(3)
圖3 動(dòng)葉出口和入口速度三角形[4]
將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣視為理想氣體,則有
h10-h20=cpT10-T20。
(4)
式中:cp為排氣的比定壓熱容;T表示溫度,下標(biāo)中第二個(gè)位置的0表示總溫。將式(3)、式(4)與式(1)聯(lián)立得
(5)
根據(jù)葉輪機(jī)械歐拉方程和速度三角形,則有
(6)
c12=cθ12+cr12,
(7)
c22=cθ22+cα22。
(8)
(9)
最后考慮動(dòng)葉出口氣體軸向分速度等于入口氣體徑向分速度,即cr1=cα2,最終化簡(jiǎn)得
(10)
如果是固定截面渦輪,靜葉出口相對(duì)速度ω1與垂直線的夾角β1=0,cθ1=u1,所以反動(dòng)度Λ=0.5。
根據(jù)式(1),將渦輪內(nèi)工質(zhì)視為理想氣體,可得
(11)
將氣體在靜葉、動(dòng)葉和整個(gè)級(jí)之間的膨脹過(guò)程視為多變過(guò)程,多變指數(shù)分別為k,g和n,有
(12)
其中p表示氣體壓力。整理得
(13)
其中n可通過(guò)下式計(jì)算:
(14)
但k和g未知,只有式(12)無(wú)法求出兩個(gè)變量,需引入其他假設(shè)。分別討論Λ>0.5,Λ=0.5,Λ<0.5的情況,熱力過(guò)程見(jiàn)圖4。Λ=0.5時(shí),兩個(gè)噴嘴處氣體焓降相同,因?yàn)殪o葉噴嘴處的氣體流速更快,所以比動(dòng)葉噴嘴有更大的熵增。由此可確定實(shí)際過(guò)程的工作曲線,進(jìn)一步確定靜葉噴嘴出口壓力p1k-g(見(jiàn)圖4a)。由圖可以看出,假設(shè)氣體在靜葉噴嘴處作多變指數(shù)為k′的膨脹,在動(dòng)葉噴嘴處作絕熱膨脹,得到靜葉噴嘴出口壓力為p1k′-γ,比假設(shè)全部過(guò)程絕熱膨脹求得的p1γ和假設(shè)全部過(guò)程為多變指數(shù)為n的膨脹求得的p1n更接近實(shí)際壓力p1k-g。事實(shí)上,當(dāng)渦輪等效流通面積越小時(shí),靜葉噴嘴處氣體因摩擦造成的不可逆損失越大,在圖中表現(xiàn)為0—1曲線更傾斜,p1k-g和p1k′-γ之間的差距更小,假設(shè)更精確。同理,對(duì)于Λ>0.5(動(dòng)葉噴嘴處氣體焓降大于靜葉噴嘴)和Λ<0.5(動(dòng)葉噴嘴處氣體焓降小于靜葉噴嘴)的情況,由圖4b和圖4c可以看出,p1k-g總是落在p1k′-γ與p1γ之間,且均靠近p1k′-γ一側(cè)。所以,綜合考慮上述3種情況,為計(jì)算靜葉噴嘴出口壓力,可假設(shè)氣體在動(dòng)葉噴嘴處進(jìn)行絕熱膨脹,即g=γ,代入式(13)中求得靜葉噴嘴處多變指數(shù)k′:
(15)
進(jìn)一步求得靜葉噴嘴出口壓力p1:
(16)
圖4 不同反動(dòng)度下渦輪熱力過(guò)程
如前所述,利用式(10)和式(16)求出渦輪反動(dòng)度和靜葉噴嘴出口壓力之后,可確定在靜葉噴嘴和動(dòng)葉噴嘴處的膨脹比,再代入到Payri提出的公式[7-8]中,可得靜葉噴嘴和動(dòng)葉噴嘴的等效流通面積。
(17)
(18)
(19)
2.1.1計(jì)算結(jié)果
將某6缸柴油機(jī)(主要參數(shù)見(jiàn)表1)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入上述公式,得到外特性工況不同轉(zhuǎn)速(從最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速到標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速)的渦輪等效流通面積(見(jiàn)圖5)。同時(shí)利用簡(jiǎn)單噴嘴模型[4]計(jì)算相同工況下的渦輪等效流通面積,將兩者進(jìn)行對(duì)比。
表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)
圖5 渦輪等效流通面積
由圖5可以看出,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)淖畲笈ぞ攸c(diǎn)轉(zhuǎn)速提高到標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速時(shí),靜葉噴嘴面積、動(dòng)葉噴嘴面積以及渦輪等效流通面積均上升。這是因?yàn)樾u輪等效流通面積對(duì)應(yīng)大膨脹比,在渦輪效率變化不大的情況下,可提供更大的渦輪功,進(jìn)一步提高壓氣機(jī)壓比,彌補(bǔ)低轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量不足的情況。反之,高轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量充足,渦輪等效流通面積應(yīng)增大,否則可能出現(xiàn)壓比過(guò)高、缸內(nèi)最高燃燒壓力超限、渦輪增壓器超速的現(xiàn)象。
此外,由圖5還可以發(fā)現(xiàn)靜葉噴嘴面積小于動(dòng)葉噴嘴面積,更接近渦輪等效流通面積。表明在整個(gè)渦輪的氣體膨脹過(guò)程中,靜葉噴嘴處的膨脹比要高于動(dòng)葉噴嘴(見(jiàn)圖6),這與雙噴嘴模型推導(dǎo)過(guò)程中靜葉噴嘴不可逆損失大于動(dòng)葉噴嘴的假設(shè)相符。此外,比較簡(jiǎn)單噴嘴和雙噴嘴模型的渦輪等效流通面積計(jì)算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)單噴嘴模型計(jì)算結(jié)果偏小。表明在流量相同條件下,簡(jiǎn)單噴嘴模型需要用更小的面積,才能達(dá)到與雙噴嘴模型相同的膨脹比,也就是說(shuō),簡(jiǎn)單噴嘴模型對(duì)廢氣能量利用率更低,不可逆損失更大,這是由雙噴嘴模型假設(shè)動(dòng)葉噴嘴處膨脹絕熱導(dǎo)致的。
圖6 雙噴嘴模型渦輪膨脹比
2.1.2模型建立與校核
為便于驗(yàn)證雙噴嘴渦輪流通特性模型的計(jì)算結(jié)果,利用GT-Power軟件搭建某單級(jí)渦輪增壓柴油機(jī)的仿真計(jì)算模型(見(jiàn)圖7)。其中,氣缸燃燒模型采用三韋伯放熱規(guī)律函數(shù)[11];缸內(nèi)傳熱過(guò)程用woschni模型[12]描述;利用一維簡(jiǎn)化方式設(shè)立進(jìn)排氣管道;中冷器效果通過(guò)增大Pipe模塊的管壁面積和傳熱系數(shù)以及設(shè)定其目標(biāo)壁溫實(shí)現(xiàn);將MAP圖譜以離散化方式輸入到渦輪增壓器模型中。變海拔環(huán)境通過(guò)修改入口、出口氣體壓力和溫度模擬。
利用上述GT-Power仿真模型計(jì)算原機(jī)在最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速和標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速的外特性性能參數(shù),計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值之間的誤差見(jiàn)圖8??梢钥闯?,兩個(gè)工況下主要參數(shù)的相對(duì)誤差均小于5%,表明此柴油機(jī)單渦輪增壓器系統(tǒng)仿真模型有較高精度,可用于柴油機(jī)性能分析研究。
2.1.3驗(yàn)證結(jié)果
將原機(jī)增壓器流通特性用前述雙噴嘴模型計(jì)算得到的渦輪等效流通面積表示,并輸入GT-Power仿真模型,反算得到外特性工況下渦輪工作曲線以及柴油機(jī)性能數(shù)據(jù),與簡(jiǎn)單噴嘴模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證雙噴嘴渦輪流通特性模型的準(zhǔn)確性和適用范圍(見(jiàn)圖9和圖10)。
圖9 渦輪特性對(duì)比
圖9比較了經(jīng)計(jì)算和試驗(yàn)得出的外特性不同轉(zhuǎn)速下渦輪的膨脹比和流量,并利用計(jì)算得到的工作點(diǎn)得出渦輪特性擬合曲線。得到的擬合曲線與一般渦輪特性曲線稍有區(qū)別,描述的是渦輪在不同流通面積下對(duì)應(yīng)的膨脹比和流量。雙噴嘴模型擬合結(jié)果與試驗(yàn)得到的曲線相對(duì)誤差不超過(guò)9%,且在低流量時(shí)的誤差要比高流量時(shí)小一些,表明雙噴嘴模型可用于表征渦輪特性,且在低流量時(shí)準(zhǔn)確性更高。這是因?yàn)樵诟吡髁繒r(shí),渦輪實(shí)際的等效流通面積較大,故在靜葉噴嘴處氣體膨脹的不可逆損失較小。而又如前1.2節(jié)所述,已經(jīng)得出在靜葉噴嘴處的不可逆損失越大,動(dòng)葉噴嘴膨脹過(guò)程越接近絕熱膨脹假設(shè),靜葉噴嘴出口壓力計(jì)算值越接近實(shí)際值的結(jié)論。所以高流量時(shí)靜葉噴嘴出口壓力的計(jì)算不如低流量時(shí)準(zhǔn)確,進(jìn)一步影響了渦輪等效面積的計(jì)算。簡(jiǎn)單噴嘴模型渦輪特性計(jì)算值低于雙噴嘴模型,因?yàn)槿?.1.1節(jié)所述,簡(jiǎn)單噴嘴模型渦輪等效面積計(jì)算值更小,所以在相同膨脹比下,流通能力差,由GT-Power計(jì)算出的流量更低,與試驗(yàn)值誤差更大。特別是在高膨脹比(大于2.1)區(qū)域,由于流量增長(zhǎng)緩慢,簡(jiǎn)單噴嘴模型與試驗(yàn)值的誤差在15%以上。綜上,雙噴嘴模型在準(zhǔn)確度和適用范圍方面均優(yōu)于簡(jiǎn)單噴嘴模型。
圖10示出渦前溫度和渦后溫度的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較。
圖10 渦前、渦后溫度計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
從圖10可以看出簡(jiǎn)單噴嘴模型計(jì)算結(jié)果誤差大于雙噴嘴模型,前者誤差在4%~6%之間,后者相對(duì)誤差在4%以內(nèi),證明雙噴嘴渦輪流通特性模型具有較高的精度,可以用來(lái)再現(xiàn)渦輪的工作過(guò)程。
在渦輪增壓系統(tǒng)與柴油機(jī)變海拔匹配過(guò)程中,海拔變化將引起環(huán)境壓力即壓氣機(jī)入口壓力變化,如果要確保不同海拔下增壓壓力均恢復(fù)到平原水平,壓氣機(jī)壓比以及渦輪做功能力需要有一定的調(diào)節(jié)范圍,這通過(guò)渦輪旁通閥調(diào)節(jié)渦輪流量,進(jìn)一步調(diào)節(jié)渦輪等效流通面積實(shí)現(xiàn)。若只考慮平原渦輪等效流通面積,在高海拔時(shí)不加以調(diào)節(jié),容易造成高海拔時(shí)渦輪等效流通面積過(guò)大,渦輪膨脹功和壓氣機(jī)壓比不足,難以實(shí)現(xiàn)高海拔增壓壓力恢復(fù)。因此,需要利用本研究提出的渦輪流通特性模型計(jì)算出平原渦輪等效流通面積,再結(jié)合變海拔渦輪面積關(guān)系得到全海拔渦輪等效流通面積需求,通過(guò)計(jì)算全海拔渦輪等效流通面積下對(duì)應(yīng)的增壓壓力,驗(yàn)證增壓壓力是否恢復(fù)到平原水平,證明渦輪等效流通面積的計(jì)算值滿足要求,進(jìn)一步證明本研究提出的渦輪流通特性模型的正確性與實(shí)用性。
2.2.1計(jì)算結(jié)果
根據(jù)李華雷等[13-15]提出的基于增壓壓力恢復(fù)的變海拔渦輪匹配方法,則有
(20)
式中:角標(biāo)0和4分別表示渦前和環(huán)境狀態(tài);H代表高原狀態(tài);πC為壓比;ka和ke分別為空氣和排氣的絕熱指數(shù);ηTC為增壓系統(tǒng)總效率。
將2.1.1節(jié)所述計(jì)算結(jié)果,即利用雙噴嘴渦輪模型計(jì)算得到的某柴油機(jī)在平原外特性工況下最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速和標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速的渦輪等效流通面積A1和A2,代入到式(20)中,可確定該柴油機(jī)在高原對(duì)應(yīng)工況下為實(shí)現(xiàn)增壓壓力恢復(fù)所需的渦輪等效面積A1H和A2H,進(jìn)一步得到變海拔、變工況所需的渦輪等效流通面積變化范圍(見(jiàn)圖11)??梢钥闯?,隨著海拔降低,壓比需求增大,渦輪等效流通面積變小,且面積最小值和最大值分別出現(xiàn)在3 000 m最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速(匹配點(diǎn))和平原標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速工況。這是因?yàn)楦吆0蔚娃D(zhuǎn)速時(shí)柴油機(jī)進(jìn)氣量最少,因此,需要最小的渦輪等效流通面積,旁通閥門應(yīng)全部關(guān)閉,保證渦輪有足夠的膨脹功輸出,帶動(dòng)壓氣機(jī)提供高壓比,因此,此點(diǎn)也經(jīng)常作為渦輪選型的匹配點(diǎn)。而在低海拔高轉(zhuǎn)速工況,柴油機(jī)進(jìn)氣量較大,需調(diào)節(jié)旁通閥開(kāi)度,令渦輪等效面積達(dá)到最大值,否則將出現(xiàn)渦輪超速、壓比超限現(xiàn)象,因此,此點(diǎn)將作為閥門調(diào)節(jié)規(guī)律中的開(kāi)度最大點(diǎn)。
圖11 變海拔外特性工況渦輪等效面積變化范圍
2.2.2驗(yàn)證結(jié)果
將全海拔渦輪等效流通面積計(jì)算值代入2.1.2節(jié)所述某柴油機(jī)性能仿真模型中,驗(yàn)證柴油機(jī)變海拔增壓壓力恢復(fù)情況(見(jiàn)圖12)??梢钥闯鲈? 000 m范圍內(nèi),該柴油機(jī)從最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速到標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速的增壓壓力均恢復(fù)到了平原水平,證明基于雙噴嘴渦輪流通特性模型以及變海拔等效面積關(guān)系式計(jì)算得出的高原渦輪等效流通面積可以滿足變海拔增壓壓力恢復(fù)需求,進(jìn)一步說(shuō)明雙噴嘴渦輪流通特性模型可準(zhǔn)確表征渦輪做功能力。此外,在低于1 400 r/min的低轉(zhuǎn)速范圍,該柴油機(jī)未能實(shí)現(xiàn)增壓壓力完全恢復(fù),這與匹配點(diǎn)選擇有關(guān),匹配點(diǎn)渦輪等效流通面積為調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的最小值,無(wú)法進(jìn)一步減小為更低轉(zhuǎn)速提供足夠壓比,若想實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)壓力恢復(fù),應(yīng)重新調(diào)整匹配點(diǎn)向更高海拔更低轉(zhuǎn)速移動(dòng)。
圖12 0~3 000 m增壓壓力恢復(fù)情況
本研究在雙噴嘴渦輪模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化,根據(jù)動(dòng)葉噴嘴絕熱膨脹的假設(shè)以及反動(dòng)度的計(jì)算確定靜葉噴嘴出口壓力,得出動(dòng)、靜葉膨脹比分配,最終計(jì)算渦輪等效流通面積。
經(jīng)GT-Power仿真驗(yàn)證,此模型反算得到的柴油機(jī)性能參數(shù)與試驗(yàn)值誤差低于4%;計(jì)算得到的渦輪特性擬合曲線也與實(shí)測(cè)曲線接近,誤差低于9%,而簡(jiǎn)單噴嘴模型誤差在膨脹比大于2.1時(shí)高于15%;并且此模型在膨脹比大于2.2時(shí),未出現(xiàn)渦輪阻塞現(xiàn)象,適用范圍比簡(jiǎn)單噴嘴模型更廣。證明此模型能準(zhǔn)確描述渦輪的流通特性和工作過(guò)程。
結(jié)合變海拔等效面積關(guān)系式,利用此模型計(jì)算得到某柴油機(jī)變海拔渦輪等效面積需求,經(jīng)驗(yàn)證可實(shí)現(xiàn)3 000 m最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速到標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)增壓壓力恢復(fù)。證明此模型能準(zhǔn)確描述渦輪做功能力,對(duì)渦輪增壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配有重要意義。
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