張眾杰，劉瑞林，楊春浩，張君儀，焦宇飛，蔡駿，夏南龍

(1.陸軍軍事交通學院，天津 300161；2.海軍工程大學，湖北 武漢 430033; 3.南開區(qū)新聞中心，天津 300161;4.江蘇凱迪航控系統(tǒng)股份有限公司，江蘇 無錫 214161)

渦輪增壓技術(shù)是柴油機高原恢復功率的主要技術(shù)之一，但隨著海拔增加，空氣密度迅速減小，壓氣機效率下降，流量范圍變窄，喘振傾向增加[1]。匹配大流量增壓器能在一定程度上擴寬壓氣機流量范圍，但該方法無法兼顧柴油機高、低轉(zhuǎn)速工況，在高海拔低轉(zhuǎn)速時，排氣能量較低，不能有效提高柴油機的增壓壓力?？勺兘孛嬖鰤浩?VGT)能夠根據(jù)柴油機工況自由調(diào)節(jié)渦輪有效流通面積，提高排氣能量利用率，但受到壓氣機壓比和流量范圍限制，在更高海拔下柴油機功率恢復有限[2]。兩級可調(diào)增壓器具有高壓比、寬流量特點，能夠根據(jù)海拔和工況特點有效分配渦輪功，確定最佳增壓比分配，全面提升柴油機高原功率[3]。

壓氣機作為增壓器主要部件，其性能的改善對于提高柴油機高原功率至關(guān)重要。根據(jù)國內(nèi)外學者研究結(jié)果可知，離心式壓氣機特性隨海拔的變化，主要是由雷諾數(shù)變化引起的，而以馬赫數(shù)相似為基礎(chǔ)的特性曲線繪制圖法不再有效[4]。豐鎮(zhèn)平[5]基于等效管流模型，提出了離心式壓氣機特性雷諾數(shù)修正公式和高原準則相似特性轉(zhuǎn)化方法，但重點集中在壓比3.0以下70 mm尺寸壓氣機，而對大功率柴油機所用 90～140 mm 高壓比壓氣機未有涉及。徐斌[6]分析了不同海拔下壓氣機處于非自模區(qū)的流量界限，并采用相似模型理論推導出高原渦輪增壓器效率修正公式，但研究僅集中在壓氣機效率一個特性參數(shù)，且壓氣機葉輪直徑均小于50 mm。李書奇[7]采用試驗手段分析比較了高原環(huán)境下壓氣機四種流量特性(相似流量、體積流量、折合流量、實際流量)變化規(guī)律，結(jié)果表明，在壓比不小于2.5的工況下，以馬赫數(shù)相似為基礎(chǔ)的特性曲線繪制方法存在偏差，不再有效，但研究過程僅針對單級渦輪增壓器，并缺少理論分析。吳剛[8]采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了壓氣機通用特性及進口條件與雷諾數(shù)的關(guān)系，但研究對象僅為單級壓氣機，研究方法缺少相關(guān)試驗，不能反映結(jié)果真實性。

綜上，國內(nèi)外相關(guān)研究針對高原環(huán)境下單級離心壓氣機特性研究較多，采用方法大多是理論分析和模擬仿真。為了解決柴油機高原環(huán)境適應性問題，急需開展兩級離心壓氣機變海拔特性試驗研究。鑒于此，本研究基于自主開發(fā)的兩級離心壓氣機變海拔特性試驗臺，進行了高、低壓級壓氣機變海拔(0 m，2 500 m，5 500 m)特性試驗，為改善高海拔兩級增壓器與柴油機匹配特性提供理論指導。

1 高海拔對兩級離心壓氣機影響理論分析

隨海拔升高，大氣壓力和溫度下降，高、低壓級壓氣機進口氣體流動的雷諾數(shù)(Re)降低，對氣體黏性阻力影響增大。因此，有必要從理論上分析變海拔下壓氣機進口壓力和雷諾數(shù)的變化對兩級壓氣機特性的影響。圖1示出兩級離心壓氣機的布置。

圖1 兩級離心壓氣機布置

1.1 高海拔低氣壓對壓氣機絕熱壓縮功的影響

離心壓氣機主要特性參數(shù)包括流量、增壓比、絕熱效率和轉(zhuǎn)速。增壓比是離心壓氣機關(guān)鍵的氣動性能參數(shù)之一，表征壓氣機的增壓程度。絕熱效率是離心壓氣機的經(jīng)濟性指標，壓氣機絕熱效率定義為壓氣機絕熱壓縮功和實際壓縮功的比值。其中，低壓級壓氣機的絕熱壓縮功為

(1)

式中：HLs為低壓級壓氣機絕熱壓縮功；T0為低壓級壓氣機進口溫度；k為空氣絕熱指數(shù)，k=1.4；R為空氣氣體常數(shù)；πLc為低壓級增壓比。

高壓級壓氣機的絕熱壓縮功為

(2)

式中：HHs為高壓級壓氣機絕熱壓縮功；T1為高壓級壓氣機進口溫度；πHc為高壓級增壓比。

由式(1)、式(2)可知，壓氣機絕熱壓縮功與壓氣機進口溫度、增壓比和氣體絕熱指數(shù)有關(guān)，其中絕熱指數(shù)k是溫度函數(shù)。針對壓氣機進口溫度對壓氣機特性的影響研究表明[8]：當空氣溫度從250 K變化到500 K時，空氣絕熱指數(shù)k改變量僅為1%。忽略環(huán)境溫度對氣體絕熱指數(shù)的影響，在變海拔環(huán)境下，壓氣機絕熱壓縮功為增壓比和壓氣機進口溫度的函數(shù)。若不考慮雷諾數(shù)影響，在同一轉(zhuǎn)速下，僅改變壓氣機進口壓力，根據(jù)流動相似原理，壓氣機截面內(nèi)壓力與進口壓力成正比關(guān)系，壓氣機內(nèi)部溫度、轉(zhuǎn)速和增壓比不變。在該情況下，壓氣機效率不變，高、低壓級壓氣機進氣流量和消耗功率則隨大氣壓力變化而變化[8]。

1.2 高海拔低雷諾數(shù)對兩級離心壓氣機特性的影響

高原環(huán)境下，壓氣機進口條件隨海拔而變化，主要變化的參數(shù)有進口溫度、進口壓力、進氣密度，對應的空氣黏性、比定壓熱容、比熱容比、普朗特數(shù)等也會發(fā)生小幅度的變化，壓氣機運行中的微小熱變形影響可以忽略。而通用特性并沒有考慮到工質(zhì)物性隨進口條件的變化而變化以及雷諾數(shù)對于黏性損失的影響。對于同一壓氣機，不考慮壓氣機結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的高原特性可以表示為[9]

(3)

根據(jù)文獻[9]結(jié)論，從海拔0 m到4 500 m，工質(zhì)物理性質(zhì)Cp變化率為0.2%，k變化率為0.07%，Pr變化率為1%，三者變化率均很小。忽略工質(zhì)物理性質(zhì)隨進口條件變化影響，式(3)表示為

(4)

雷諾數(shù)理解為氣流慣性力和黏性力的比值，高海拔下雷諾數(shù)減小，氣流黏性力增加，壓氣機流道內(nèi)的附面層增厚，流動阻力增大，壓氣機效率下降。低壓級壓氣機進口雷諾數(shù)定義為

(5)

式中：u1為低壓級壓氣機葉輪進口氣體平均流速；D1為低壓級壓氣機葉輪進口輪緣直徑；ρ0為低壓級壓氣機進口空氣密度；μ1為低壓級壓氣機進口動力黏度系數(shù)。

(6)

式中：μ0=1.711×10-5Pa·s,C=122 K。

同理，高壓級壓氣機進口雷諾數(shù)定義為

(7)

式中：u2為高壓級壓氣機葉輪進口氣體的平均流速；D2為高壓級壓氣機葉輪進口輪緣直徑；ρ1為高壓級壓氣機進口空氣密度；μ2為高壓級壓氣機進口動力黏度系數(shù)。

(8)

根據(jù)張虹[10]研究，壓氣機的雷諾數(shù)僅是壓氣機進口溫度和壓力的函數(shù)，即

(9)

式中：ε為壓氣機同一折合轉(zhuǎn)速時的常數(shù)系數(shù)。

據(jù)此可以推斷，高原雷諾數(shù)下降主要是由環(huán)境壓力下降導致的。通常認為當雷諾數(shù)大于某一臨界值(Re>2×105)時，雷諾數(shù)變化不會引起氣體黏性阻力明顯變化，這時壓氣機雷諾數(shù)處于自模區(qū)。但實際車用增壓器壓氣機葉輪直徑較小，隨著海拔增大，Re不斷減小，壓氣機特性參數(shù)均與Re有關(guān)，必須考慮Re對壓氣機特性曲線的影響。目前，大多數(shù)文獻中雷諾數(shù)與壓氣機效率關(guān)系表述為

(10)

式中：ηc0，Re0分別為參考點效率和雷諾數(shù)；ηc，Re分別為修正點的效率和雷諾數(shù)；b，α和n為常數(shù)。

由式(10)可知，壓氣機修正點效率和雷諾數(shù)改變量有關(guān)，同一參考點，隨著雷諾數(shù)增加，壓氣機效率降低。文獻[11]研究表明：隨著海拔上升，環(huán)境溫度降低對雷諾數(shù)影響不大，因此壓氣機壓比和效率基本不受環(huán)境溫度影響。根據(jù)式(9)推導可得ΔRe=1-p2/p1。對應海拔0 m和5 500 m時壓氣機進口壓力100 kPa和49 kPa時，雷諾數(shù)變化差值達51%。

因此，隨著海拔上升，雷諾數(shù)明顯降低，低壓級壓氣機流道內(nèi)的附面層增厚，流動阻力增大。在轉(zhuǎn)速一定而流量變化時，氣流以更大沖角進入葉輪進口和擴壓器進口，更易引起流道中附面層脫離，使流阻損失急劇上升[11-12]，流量范圍變窄，等熵效率降低，喘振傾向增加。高壓級壓氣機特性參數(shù)與低壓級增壓比有直接關(guān)系，在變海拔發(fā)動機低速時，低壓級增壓比較小，高壓級流量特性參數(shù)受海拔影響較大，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高，低壓級壓氣機壓比增大，高壓級壓氣機雷諾數(shù)處于自模區(qū)，壓氣機流量和效率特性隨海拔變化不大。

2 兩級離心壓氣機特性試驗系統(tǒng)

2.1 試驗樣機

根據(jù)某型柴油機變海拔功率恢復需求，匹配了高(KD76GCT)、低壓級渦輪增壓器(KD100GCT)，其中壓氣機特性圖見圖2和圖3。試驗中高、低壓級增壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖2 高壓級增壓器KD76GCT壓氣機特性

圖3 低壓級增壓器KD100GCT壓氣機特性

表1 高、低壓級離心壓氣機幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 兩級離心壓氣機變海拔特性試驗臺

對增壓器綜合特性試驗臺進行改造，在壓氣機進口設(shè)計節(jié)流閥和穩(wěn)壓箱，通過對海拔0～5 500 m環(huán)境壓力模擬，實現(xiàn)對壓氣機進口壓力的調(diào)節(jié)。兩級離心壓氣機變海拔綜合特性試驗臺主要由進排氣穩(wěn)壓箱、燃燒室氣體加熱系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與管路系統(tǒng)6個部分組成。試驗臺布置結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 兩級離心壓氣機變海拔特性試驗臺

試驗臺架搭建好后，打開進氣穩(wěn)壓箱(其容積應使氣流速度馬赫數(shù)小于0.05)以及進氣穩(wěn)壓箱連接閥門，通過調(diào)節(jié)壓氣機端的進氣節(jié)流閥控制進氣壓力，以模擬不同海拔環(huán)境壓力；通過調(diào)節(jié)低壓級渦輪端背壓閥控制排氣壓力，以控制試驗過程中壓氣機的工作流量；通過調(diào)節(jié)渦輪端進氣閥開度或控制噴射進燃燒室的燃油量，以控制渦輪增壓器轉(zhuǎn)速。協(xié)同控制這4個變量來實現(xiàn)對不同海拔進氣條件、不同轉(zhuǎn)速和不同流量下離心壓氣機特性的試驗。

高、低壓級離心壓氣機變海拔特性試驗依據(jù)為JB/T 9752.1—2005《渦輪增壓器 第1部分：一般技術(shù)條件》、JB/T 9752.2—2005《渦輪增壓器 第2部分 試驗方法》。試驗圍繞兩級離心壓氣機變海拔環(huán)境特性，選取模擬海拔0 m，2 500 m和5 500 m進行重點分析。試驗中，通過控制高、低壓級渦輪VGT葉片開度，調(diào)節(jié)高、低壓級渦輪的流通能力，分別測得不同轉(zhuǎn)速下高、低壓級壓氣機特性參數(shù)。當壓氣機接近喘振區(qū)運行時，應緩慢減少壓氣機空氣流量，測出壓氣機喘振點；當壓氣機接近堵塞區(qū)運行時，應緩慢增加壓氣機空氣流量，測出壓氣機堵塞點。測量時喘振點可參照表2和表3。

表2 高壓級壓氣機特性試驗參照工況點(0 m喘振點)

表3 低壓級壓氣機特性試驗參照工況點(0 m喘振點)

3 變海拔兩級離心壓氣機特性分析

將壓氣機質(zhì)量流量轉(zhuǎn)換為折合流量的通用流量特性進行分析，當海拔變化時保持壓氣機轉(zhuǎn)速不變，分析進氣溫度和壓力改變對壓氣機流量特性的影響。壓氣機的絕熱效率可用下式計算：

(11)

式中：H為壓氣機總功；Tk為壓氣機出口溫度；Ta為壓氣機進口溫度。

為了便于比較環(huán)境壓力、溫度變化等不同進口條件下壓氣機特性，按照壓氣機實際質(zhì)量流量特性進行比較。

圖5 不同海拔條件下兩級壓氣機效率-流量曲線對比

從圖5中還可以發(fā)現(xiàn)，隨著海拔增加，壓氣機等轉(zhuǎn)速線(效率-流量)下彎程度增加。下彎程度增加是由于各點ηc變化不同引起的。高海拔下雷諾數(shù)的降低對壓氣機氣動性能的影響不容忽視，此時氣流黏性增加，附面層增厚，氣流抗分離能力及抗逆壓能力較差，流阻增加，使得葉輪內(nèi)部流動惡化。當?shù)绒D(zhuǎn)速線各點效率損失比相同時，ηc0越小，ηc降低越多。

圖6和圖7示出試驗測得的模擬不同海拔進氣條件下低、高壓級離心壓氣機壓比特性對比。從圖6中可以看出，隨著海拔升高，轉(zhuǎn)速不變情況下低壓級壓氣機進氣質(zhì)量流量減小，壓氣機進口氣流沖角變大，這就更容易引起附面層脫離，最終導致低壓級壓氣機特性曲線變陡，喘振提早發(fā)生，壓氣機工作范圍變小[12]。

圖6 不同海拔條件下低壓級壓比特性對比

在圖6中，當海拔提升，即進氣環(huán)境壓力和溫度降低時，同一測量工況點質(zhì)量流量減少，壓氣機穩(wěn)定工作流量范圍縮小且向小流量范圍方向移動。這是因為隨著海拔增加，低壓級壓氣機進口空氣密度降低，在相同容積流量情況下，質(zhì)量流量大幅降低。同時，在高海拔條件下，高壓級壓氣機低轉(zhuǎn)速時，低壓級壓氣機增壓效果不明顯，隨著高壓級渦輪轉(zhuǎn)速增加，低壓級壓氣機做功能力增強，使得高壓級壓氣機進口壓力提高，因此，相對于低壓級壓氣機，高壓級壓氣機在高海拔時質(zhì)量流量減小幅度降低，喘振線斜率較小(見圖7)。

圖7 不同海拔條件下高壓級壓比特性對比

高原環(huán)境下，由于雷諾數(shù)變化的影響，總體來看，以質(zhì)量流量參數(shù)繪制的通用特性在壓比、效率、效率圈、喘振線、折合流量參數(shù)等方面存在差異，這與文獻[7]結(jié)論相同。其中，海拔變化對喘振點和堵塞點均有較大影響。與海拔0 m相比較，海拔5 500 m時低壓級壓氣機質(zhì)量流量減小25%～36%，效率降低1%～3.8%，壓氣機進口氣體雷諾數(shù)降低51%。海拔5 500 m時高壓級壓氣機質(zhì)量流量減小26%～34%，效率降低1%～2.5%，壓氣機進口氣體雷諾數(shù)降低35%。

4 結(jié)論

a) 變海拔環(huán)境下，壓氣機進口壓力、進口溫度和雷諾數(shù)與壓氣機特性變化相關(guān)；其中，若忽略雷諾數(shù)影響，高、低壓級壓氣機絕熱壓縮功為增壓比和壓氣機進口溫度的函數(shù)；

b) 隨著海拔升高，高、低壓級離心壓氣機最高效率點向小流量范圍方向移動，壓氣機等轉(zhuǎn)速線(效率-流量)下彎程度增加；

c) 與海拔0 m相比較，海拔5 500 m時低壓級壓氣機質(zhì)量流量減小25%～36%，效率降低1%～3.8%，壓氣機進口氣體雷諾數(shù)降低51%；海拔5 500 m時高壓級壓氣機質(zhì)量流量減小26%～34%，效率降低1%～2.5%，壓氣機進口氣體雷諾數(shù)降低35%。