車用柴油機增壓系統(tǒng)導氣管喘振原因分析

1、學位論文車用柴油機增壓系統(tǒng)導氣管喘振原因分析analysis on surge of turbocharger for diesel engine作者姓名：學科、專業(yè)：機械設計制造及其自動化學號：指導教師：完成日期：摘要柴油機增壓后其經(jīng)濟性、排放、動力性提高到一個新的水平，但增壓后對柴油機及 其組件也提出了更高的要求，從而引發(fā)了一些新的問題。壓氣機的喘振現(xiàn)象就是其屮一 個主要問題。一旦喘振發(fā)生，就會使增壓器性能下降，引起柴油機燃燒惡劣，縮短了增 壓器和柴油機的壽命。因此，有必要對喘振現(xiàn)象進行研究，分析其產(chǎn)生的原因，以便在 故障岀現(xiàn)吋避免不必要的損失和設計的盲目性。為了研究某柴油機增壓系統(tǒng)喘振的

2、原因，文中運用空氣動力學、流體力學基木理論 和經(jīng)驗公式，對該增壓系統(tǒng)不同工況下管內氣流的流動狀態(tài)、流動參數(shù)進行了判斷和計 算，確定管內氣流的流動狀態(tài)，探討了變化規(guī)律，分析了流動參數(shù)與喘振的關系。根據(jù) 氣流的脈動理論對導氣管合理長度進行了分析。運用流體力學軟件fluent對某一工況 下導氣管內氣流流動狀態(tài)進行數(shù)值模擬，并對計算結果進行分析。本文所采用的檢驗計算方法和數(shù)值計算方法是可行的，能夠較為準確地反映管內氣 流的流動狀況，為工程實踐的參考依據(jù)作了探討。關鍵詞：柴油機；增壓系統(tǒng)；喘振；解析計算；數(shù)值分析analysis on surge of turbocharger for diesel e

3、ngineabstractthe economic efficiency，emission function, and power of a diesel engine can be improved by boosting its pressure with boosted pressure in a diesel engine, however, greater demands are placed on the performances of the components and the turbocharger may be subject to surge, which compro

4、mises the functions of turbocharger, results in unwanted burning, and shortens the life period of the turbocharger and diesel engine it is therefore of great importance to launch a research into the mechanism through which surge happens in order to pointedly deal with diesel engine malfunctions, thu

5、s avoiding unnecessary expense costs and blindness in diesel engine designingin order to study the infection of turbocharger for diesel engine against surge, the basic theories of aerodynamics and hydrodynamics and experience formulas were used to analyze and compute the fluid parameters the results

6、 of calculations were analyzed. the law of change was found out, and computed the least inner diameter and length in according with the fluid pulse theory. fluent was used to simulate situation of fluid, and analyze the result.this paper mainly studied the infection of fluid parameters of turbocharg

7、er for diesel engine against surge after comparing results of two methods, numerical simulation was proved that it is practicable. it can better and truly reflect the flow status in the pipe it can be regarded as reference of project practicekey words： diesel engine; turbocharger; surge; numerical s

8、imulation目 錄摘要iabstractit1緒論11.1本課題的背景11.2國內外研究現(xiàn)狀及存在的問題11.3本文的主要工作內容32基本理論4弓i言42. 1基本理論42. 1. 1基本概念42. 1.2基本方程52.2氣流參數(shù)與通道面積的關系82.3有摩擦的管內流動93柴油機增壓系統(tǒng)喘振影響因素分析11引言113. 1壓氣機喘振的機理113. 1. 1壓氣機的工作特性113. 1.2增壓器（壓氣機）與柴油機聯(lián)合工作123.2壓氣機喘振的原因133.2. 1增壓器（壓氣機）自身結構的原因133. 2. 2進氣管143.2.3中冷器153. 2. 4外部環(huán)境153. 3 管道消振措施文獻

9、16、17、18、19、21163. 3. 1壓力脈動的消減措施163. 3. 2改進管系結構特性的措施174導氣管內氣流的動力學計算194. 1確定紊流與層流194.2管內損失壓力的計算214.3導氣管內氣流壓力、速度的計算224. 3. 1馬赫數(shù)的確定234. 3. 2確定氣流參數(shù)和通道面積的關系244. 3. 3氣流壓力、速度計算244.4導氣管內徑的計算264. 5導氣管管長的計算285數(shù)值模擬305. 1控制方程15305.2網(wǎng)格生成315.3進氣管的數(shù)值計算315. 3.1進氣管流道模型的建立325. 3.2網(wǎng)格的劃分325. 3.3邊界條件的確定335. 3.4計算結果34結論3

10、7參考文獻38致謝391緒論1.1本課題的背景柴油機廣泛用于海船、內河船舶、常規(guī)艦艇、機車、各式火車、坦克、軍用 車輛、工程機械、小型電站等。在石油危機的幾十年中，各柴油機廠的研究機構 大力開展提高柴油機熱效率多種熱能的研究，把降低油耗作為主要的研究目標之 -o與此同時，柴油機增壓程度不斷提高，為適應低工況的性能要求，開發(fā)出了 各種各樣的增壓系統(tǒng)。廢氣渦輪增壓器是利用內燃機排出的部分廢氣能量，通過渦輪驅動壓氣機， 使空氣壓縮的裝置。發(fā)動機排氣利用的好壞與進排氣系統(tǒng)中氣體的受力與運動規(guī) 律有很大關系。進氣系統(tǒng)流動阻力的人小直接影響汽缸的充氣系數(shù)、燃燒過程與 品質、油耗率、功率的輸出和有害物的排放

11、。進排氣系統(tǒng)設計的好壞影響到汽缸 活塞的做功，對于增壓發(fā)動機來說，主要是影響排氣能量的有效利用，影響到增 壓系統(tǒng)的匹配和效果。發(fā)動機增壓后其經(jīng)濟性、排放、動力性提高到一個新的水平，但增壓后對發(fā) 動機及其組件也提岀了更高的耍求，從而也引發(fā)一些新的問題。其中一個問題就 是壓氣機的喘振現(xiàn)象。喘振一旦發(fā)生，就會使增壓器性能下降，引起柴油機燃燒 不充分，縮短了增壓器和柴油機的壽命。因此，對喘振現(xiàn)象做細致的研究，分析 其產(chǎn)生的原因，在故障出現(xiàn)時有的放矢，避免不必要的損失和設計的盲目性是很 必要的。1.2國內外研究現(xiàn)狀及存在的問題eg對于柴油機增壓系統(tǒng)喘振的研究主要是運用實驗分析和模擬計算兩種方法 來解決。

12、目前對喘振現(xiàn)象的研究依然是理論分析與實驗相結合。這種硏究方法實驗周 期長，沒有一定的通用性。隨著計算機技術的發(fā)展，人們運用模擬計算的方法所得的結果越來越能夠精 確反映實際狀況。計算流體力學就是流體力學與計算機技術的有效結合。發(fā)動機發(fā)展到今天， 越來越多的人都已認識到：終究會有一天，人們會通過計算流體力學在發(fā)動機設 計研究領域的廣泛應用，取得良好的經(jīng)濟和社會效益。發(fā)動機各系統(tǒng)中的氣體流動實際上都是非定常的三維流動。隨著計算機的飛 速發(fā)展，計算流體力學也隨之發(fā)展起來，成為一門新興科學。發(fā)動機中的多維模 擬就是計算流體力學在發(fā)動機工作過程中的應用。從70年代開始，陸續(xù)對發(fā)動 機汽缸內的流動進行了二維

13、、三維的計算，近年來對發(fā)動機多維流動的計算研究 做的較少。1978年英國帝國學院進氣支管和總管的接頭中的分散流進行了三維 定常的湍流計算，主要是了解接頭的壓力損失和速度分布，為一維壓力計算提供 有關壓力損失系數(shù)。計算時對實際的進氣管接頭進行簡化，將原來圓形管狀接頭 簡化成方形管狀接頭，將分管與支管分開計算，然后進行迭代。1986年三菱重 工長崎研究所用一維和二維相結合的方法對進氣管流動進行了計算，將管內流動 假定為非粘性、可壓縮、無質量力和傳熱等。1988年日立制作發(fā)動機研究所對 發(fā)動機進排氣管進行了二維非定常流動計算，計算中采用了正交變換技術，使計 算機網(wǎng)格可以比較貼近實際邊界。1997年日

14、本三菱對排氣支管與總管的接頭進 行了二維的非定常計算，計算中假定流動是無粘性的可壓縮流動。對進排氣系統(tǒng)的流動，除進行數(shù)值模擬計算研究外，還進行了人量的實驗研 究。長期以來，人們對影響進排氣系統(tǒng)中氣體流動的原因做了大量研究工作。近 年來，線測速技術和激光多普勒測速在內燃機氣體流動測速過程中的應用，為研 究多維流提供更有效的手段和更加豐富的信息。1992年英國曼徹斯特理工學院 對發(fā)動機進氣管內的氣體進行了三維定常流動的計算，數(shù)值計算的同時還用激光 多普勒測速儀對此進行了實測，所得結果與計算值比較一致，這證明數(shù)值計算的 精度在逐步提高。在國內進排氣系統(tǒng)的設計和研究，還主要停留在經(jīng)驗設計和整機性能研究

15、的 基礎上，這種設計和研究方法存在周期長、效率低、精度差并且相同或類似機型 間可借鑒性較差的缺點。大部分設計和研究工作屬于重復勞動，缺乏對具體零件 的定量研究。目前cfd(computer flow dynamics)fit!方法主要有：有限容積法、有限元法、 特征線法和邊界元法等。廣泛使用的是有限容積法，這種方法比較成熟。計算速 度比較快，所以多維非定常模擬計算主要采用有限容積法，但這種方法對復雜邊 界的適應能力比較差，對不同流場計算缺乏通用性，故通常采用貼體坐標來解決。 現(xiàn)在人們開始研究用有限元法計算流場，因為有限元法可方便的用于齊種邊界的 連續(xù)場問題，程序具有較強的通用性，用戶要做的只是

16、網(wǎng)格的劃分和邊界的確定。 近幾年來，有限元法在cfd(computer flow dynamics)中的應用研究越來越活躍, 方法越來越成熟。1.3本文的主要工作內容經(jīng)過對有關資料的消化和分析發(fā)現(xiàn)，同一工況下，當中冷器與壓氣機直接相 連時壓氣機喘振現(xiàn)象消失；當中冷器與壓氣機之間用導氣管相連就會出現(xiàn)喘振現(xiàn) 象。這說明導氣管是該增壓系統(tǒng)產(chǎn)生喘振的直接原因。本文運用空氣動力學、流體力學基本理論和經(jīng)驗公式對柴油機增壓系統(tǒng)不同 工況下，導氣管內氣流的流動參數(shù)進行計算，運用氣流脈動理論對導氣管內徑進 行估算，對計算結果進行分析，找出其變化規(guī)律。同時，應用計算流體力學軟件 對壓氣機某一工況下導氣管內氣流流動

17、狀況進行了仿真計算。具體步驟如下：(-)分析增壓系統(tǒng)喘振的原因。(-)對管路進行壓力損失計算。(三) 對導氣管內氣流參數(shù)進行計算。(四) 對導氣管內徑、長度進行計算。(五) 運用計算流體軟件對壓氣機某一工況下導氣管內氣流流動狀況進行了 計算。2基本理論引言在理論力學屮，是以受力后不變形的絕對剛體為研究對彖，而在流體力學屮, 是以無固定形狀的流體為研究對象。流體的每個質點都受周圍各質點的影響，其 運動相互牽制。由連續(xù)介質假設可知，流體質點是從連續(xù)介質流體中取岀的體積 趨近于零的流體微團。流體質點在空間運動具有確定的物理量，在運動的過程中, 這些物理量要發(fā)生變化。研究流體運動可著眼于研究流體質點的

18、運動，也可著眼 于流動空間點上流動參數(shù)的變化，對應于兩種方法為拉格朗日方法和歐拉方法。2. 1基本理論2.1.1基本概念(1) 定常流動和非定常流動流體運動的過程中，若空間點上對應的物理量不隨時間的變化而變化，則稱 此流動為定常流動，反之為非定常流動。(2) 均勻流動和菲均勻流動流體在運動的過程中，若所有物理量皆不依賴于空間坐標，則稱此流動為均 勻流動，反之為非均勻流動。均勻流動中流場內的物理量不隨空間點坐標而變， 因此它們僅是時間t的函數(shù)。(3) 跡線、流線跡線是流體微團運動的軌跡。流線是流場中瞬時光滑曲線，曲線上各點的切 線與該點的瞬時速度向量相重合。(4) 聲速與馬赫數(shù)在彈性介質中，任何

19、微小的擾動，都會從受擾點自動向外傳播。微小的擾動, 就是壓強和密度發(fā)生一個微小變化，這種變化是以波的形式在介質中傳播的。這 種壓強和密度變化的傳播速度稱為聲速。其公式是：c = 4krt(2. 1)式中k為空氣系數(shù)；r為空氣常數(shù)；t為溫度氣流速度u與當?shù)芈曀賑的比值，稱為馬赫(mach)數(shù)，記為ma:ma = -(2.2)c(5) 紊流與層流紊流與層流有本質的區(qū)別。紊流情況下流體質點的運動非常紊亂，隨時改變 速度的大小和方向。雷諾數(shù)由公式(2.3)確定。re = m(2.3)式中p為空氣密度；為速度；d為管徑；“為粘性系數(shù)雷諾數(shù)re小時，流體呈現(xiàn)為層流，雷諾數(shù)增大到一定數(shù)值時，層流就轉為 紊流

20、。層流向紊流轉變的雷諾數(shù)不是一個常數(shù)。臨界雷諾數(shù)的實際人小隨實驗的 外部條件而變化，通常在工程中，認為當re小于2100時管內的流動是層流；當 re大于4000,管內的流動是紊流。當處于兩者之間時，則可能處于不確定的過 渡狀態(tài)。流休質點在向前運動的同時，還有很大的橫向速度，而橫向速度的大小和方 向是不斷變化，從而引起縱向速度的大小和方向也隨時間作無規(guī)則的變化，這就 引發(fā)了速度的脈動現(xiàn)象。在紊流屮，各點的壓力也是脈動的。2. 1. 2基本方程把氣體看作無粘性、定常流動、等爛過程。如圖1, 1、2斷面和壁面構成 控制體。通過此控制體建立連續(xù)方程、能量方程和運動方程。圖2.1管子計算示意圖(1)連續(xù)

21、方程(2.4)由質量守恒定律 d(pva)= o 積分得或 px v, aj = p2v2a2 = c 式屮clm 質量流量 或為：些+砂+么0p v a(2. 5)由上式可知，沿流管流體的速度、密度、和流管的截面積三者的相對變化量之代數(shù)和必須等于零。(2)能量方程對單位質量的靜止氣體，從外部加入的熱量dq(j/kg),使氣體內能增加tdu(j/kg),同時氣體膨脹對外作了功皿一 vp)dq = du 十 pd(丿/焙)，由熱力學第一定律:(2.6)又，恰爪j / kg)定義為(2.7)dh =du +如p+ pd(2.8)對恒定等嫡氣流，血=0,則dh = p以上式中u(j/kg)為單位質量

22、流體的內能，稱為比內能，c”為比等壓熱容。在可壓縮等爛氣流中，比位能相對比壓能和比動能來說很小，略去。而考慮 能量轉換中有熱能參與，故應加入比內能u這一項。于是，對于恒定等爛氣流， 流動中的能量守恒可表示為比內能、比壓能和比動能三者之和是一常數(shù)，即(2.9 )(2. 10)d+lcp 2由以上各式，可把一元恒定等爛氣流的能量方程寫為vh = ckrt v21k-299或+ = c2以上五式都是一元恒定等爛氣流的能量方程表達形式(3)運動方程7對式孤干c進行微分必+ d=dq + + vdv = 0p對等爛氣流，dq = o,則坐+如0p(2. 11)(2. 12)(2. 13)(2. 14)(

23、2. 15)上式就是一元恒定等爛氣流的運動方程(已略去重力影響)，其積分形式為徑+ c(2. 16)p 2只要知道卩和。的關系，就可求得上式中的積分。將以上的連續(xù)方程、能量方程、和運動方程合起來求解恒定等爛氣流問題,三個方程尚不能求解,p、p、t四個參變量，還需加入一個等燔狀態(tài)方程 = c(2. 17)pk才能使方程組封閉，構成了一元恒定等爛氣流的基本方程組。如圖2. 1所示，對于任意1、2兩斷面，由(2. 4)式到(2. 17)式可推出如下方程：電+亡k p -,2(2. 18)2 2c 1 v 11k-22 2c 2 v 21k-2通過（2.18）式，只要知道截面1的所有參數(shù)、截面2的任意

24、一個參數(shù)，就 可求出所有其他參數(shù)。對于一元等怖氣流，盡管在實際流動中有摩擦會造成機械能的損失，但只要 討論的系統(tǒng)與外界不發(fā)生熱交換，則所損失的機械能仍以熱能的形式存在于系統(tǒng) 中。2.2氣流參數(shù)與通道面積的關系通道面積沿流程增人或減小直接影響流速、壓力沿流程的變化。木文小認為通道內的氣流是恒定等嫡的。由連續(xù)方程可寫出:dv_公+妙、a p >(2. 19)并由運動方程可寫出:dvdpv pv(2. 20)由上兩式可得:(2.21)(2. 22)(2. 23)上兩式建立了通道面積變化與壓強的變化和速度的相對變化之間的關系。以下分 三種情況討論:1. ma<.v<c (亞音速)此時

25、(1-m/)>0,由式(2.22)、式(2.23)可以看出：必與同號而與加 異號，即沿流向過流面積的增加會使流速不斷減小而壓強不斷增大；反之，沿流 向過流面積的減小會使流速不斷增大而壓強不斷減小。2. ma > 1,即(超咅速)此時(l-m/)vo,同樣由式(2.22)、式(2. 23)可以看出：現(xiàn)da與dp異 號而與加同號，即沿流向過流面積的增大反使流速不斷增大而壓強不斷減?。?反z,沿流向過流面積的減小會使流速不斷減小而壓強不斷增大。3. ma = 1,即 v = c (音速)從(2. 23)式中可看出，當ma = l時，式為零，這說明過流面積在此時應取 極大值或極小值。2.3

26、有摩擦的管內流動現(xiàn)用如/表示dx長管段內流動因摩擦造成的壓損，用2表示管內流動沿程 阻力系數(shù)，貝ij:dpf =磴岸24)式中d為管徑；心為所取管段長度，見圖2. 2。“14圖2. 2有摩擦管流中取控制體圖中取必長流段為控制體，采用動量守恒定律，有qm (v + dv)- v=- (/? + dp)a - adpf(2. 25)式中qm = pva ,為管中的質量流量，a為管斷面積。整理上式可得：p>adv = -adp-(2. 26)即dp_pdv2kma2v2 j=0(2. 27)上式就是有摩擦的管內流動的動量方程，它與能量方程式(力+工二力。)和連2續(xù)方程式(pv = c = g

27、)組成絕熱有摩擦管流的基本方程組。由這些基本方程可 求解出以下一些參數(shù)z間的關系式dma2ma2( b-kma2 + mq2i 2丿-ma2dv1 kma2 . dx= x一v2 l-ma2 ddp _ kma2 1 + (/： - l)mtz2 dx p2(-ma2) ddpopoakmcr 0 dxz2 d(2. 28)(2. 29)(2. 30)(2.31)通過上述公式我們就可以針對不同條件求解出管內氣流的參數(shù)變化。3柴油機增壓系統(tǒng)喘振影響因素分析引言在能源利用，環(huán)境保護要求口益提高的今天，發(fā)動機的發(fā)展已經(jīng)進入增壓時 代。發(fā)動機增壓后其經(jīng)濟性，排放，動力性提高到一個新的水平，但增壓后對發(fā)

28、 動機及其組件也提岀了更高的要求，從而也引發(fā)一些新的問題。其中一個問題就 是壓氣機的喘振現(xiàn)彖。喘振一旦發(fā)生，就會使增壓器性能下降，引起柴油機燃燒 等嚴重問題。因此，如何對喘振原因進行分析，在故障出現(xiàn)吋有的放矢，避免不 必要的損失和盲目性是很必要的。3.1壓氣機喘振的機理絕對速度圖3.1葉輪氣體分離柴油機增壓系統(tǒng)由柴油發(fā)動機、導氣管、增壓 器、中冷器組成，而增壓器由渦輪和壓氣機組成。 增壓系統(tǒng)中的柴油機和增壓器，在運轉中各有不同 的規(guī)律性。它們既相互依存又相互制約。在一設備 的參數(shù)發(fā)生變化時，會引起其它設備參數(shù)的相應變 化，如果變化不當將破壞組件之間的配合，兩者將 不能正常運轉，只有各個組件的協(xié)

29、調配合才能使整 個系統(tǒng)正常工作。3.1.1壓氣機的工作特性所謂壓氣機特性，即當壓氣機工況變化時，在不同轉速下，壓氣機的排出 壓力和效率隨空氣流量的變化規(guī)律。從試驗得知，在每一轉速下，當壓氣機的流 量減小到一定程度時，都會發(fā)生喘振。喘振是壓氣機固有的特性。把不同轉速下 發(fā)生喘振的點連接起來，就是喘振線。壓氣機的特性可通過試驗測得，圖3.2是 一臺經(jīng)典中速柴油機的渦輪增壓器壓氣機的特性曲線圖。喘振線以左區(qū)域為壓氣 機禁止運行的喘振區(qū)。產(chǎn)生喘振的根本原因是，（如圖3.1）壓氣機工作葉輪轉 速一定時，當流量減小到一定程度時，就會在壓氣機葉輪的背部發(fā)生氣體分離， 氣體分離進一步發(fā)生就形成了失速區(qū)，失速的

30、氣體以低于葉輪旋轉速度的線速度 逆葉輪旋轉方向傳播，如果再進一步降低流量，氣體失速區(qū)就會進一步擴大，葉 片通道出現(xiàn)渦流區(qū)，這時逆壓增大，流入葉輪的氣體瞬時中斷，氣流可能由渦流 區(qū)倒流至壓氣機空氣進口，這樣逆壓梯度消失，空氣再進入葉輪，再重新分離和 倒流，這種不穩(wěn)定的現(xiàn)象持續(xù)進行，就形成了喘振。喘振時氣流強烈顫動，壓氣 機出口壓力，氣體流量大幅下降，同吋引起壓氣機葉片強烈震動并伴有噪聲。喘 振嚴重時會使壓氣機的零件損壞。3. 1.2增壓器（壓氣機）與柴油機聯(lián)合工作在設計時，壓氣機與柴油機配合工作線應選擇喘振線右側的適當位置。因此, 在正常狀況下是不會發(fā)生喘振的，只有當工作條件發(fā)牛變化或操作不當時

31、，部分 工作線就會部分地或全部的左移，從而引發(fā)喘振。圖3. 2壓氣機特性曲線發(fā)動機在不同工況下運行吋，相應每一個工況，需要一定的空氣量的和壓力, 此空氣量和壓力將由壓氣機供給。將各個工況下所需的空氣量繪制在壓氣機的特 性圖上，即得到發(fā)動機和壓氣機的配合工作線。它是分析和改進的依據(jù)。見圖 3. 3為一柴油機和壓氣機配合的特性曲線圖，曲線是比較理想的，柴油機的運行 線基木平行于喘振線，且穿過壓氣機的最高效率區(qū)。曲線2、3部分或全部位于 喘振線左側即發(fā)生了喘振。曲線2與喘振線較為接近，表明在低負荷運行時發(fā)生 喘振；曲線3遠離喘振線，表明在高負荷下發(fā)生喘振；曲線4表明發(fā)動機所需要 流量太大，而壓力過低

32、，壓氣機無法供應，產(chǎn)生了阻塞。從圖中可看出，良好的 配合線應保證柴油機的運行線處在壓氣機的高效率區(qū)，并且不發(fā)生喘振?？諝饬髁?kg/s)圖3. 3柴油機和壓氣機配合曲線3.2壓氣機喘振的原因3. 2. 1增壓器(壓氣機)自身結構的原因在增壓系統(tǒng)發(fā)生的喘振種種現(xiàn)象出現(xiàn)時，多會反映在壓氣機的工作狀態(tài)上。所以研究喘振應從壓氣機本身結構入手。(1) 葉輪葉片進口角的和葉輪進口直徑文獻1中介紹，通過實驗證明葉輪葉片的進口角對喘振線的位置有顯著影 響，在8v-135發(fā)動機與110增壓器聯(lián)合實驗中遇到喘振時，增壓器葉輪出口直 徑110mm入口肓徑65mm,葉片進口角從32°c陸續(xù)減至16°

33、;c,喘振流量從0.259 減至0. 127kg/s,喘振流量減小。如圖3. 4所示，在文獻1中介紹，通過實驗 證明葉輪葉片的進口角對喘振線的位置有顯著影響，在8v-135發(fā)動機與110增 壓器聯(lián)合實驗中遇到喘振吋，增壓器葉輪出口直徑llorrnn入口直徑65rmn,葉片進 口角從32°c振線從1移到3,整個喘振線向小流量方向作了很大平移。分析其原 因，葉輪在一定轉速下，隨著葉輪葉片進口角的減小，發(fā)生喘振的流量也在減小, 在壓氣機內發(fā)生氣體分流的流量也在減小，形成逆渦流，近而發(fā)生喘振的氣體流 量也相應減小。葉輪進口直徑的改變也能顯著的改變壓氣機的喘振流量，從圖3. 4中可見，110壓

34、氣機進口直徑由65mm變?yōu)?6mm,喘振線由4移動到1,喘振流量向高流量移動。這是因為葉輪的進口直徑小，它的掃氣能力就小，進而相同時間相同轉 速下進入壓氣機的流量小，所以產(chǎn)生氣體失速上游流量向小流量移動。但問題往 往是多方面的，在減小喘振流量的同時壓氣機的效率也隨之減小了。0.25伍比2.01.81.61. 壓氣機葉輪110/65-322. 壓氣機葉輪110/58-233壓氣機葉輪110/58-164. 壓氣機葉鴕105/58-221.41.20.050. 100. 150.200.250.30空氣涼量（kg/s）圖3. 4喘振線位置比較(2) 擴壓器的形式另外，在壓氣機自身原因中還有擴壓器的

35、型式、葉輪葉片的型式都對壓氣機 發(fā)生喘振用一定的影響。擴壓器一般分為無葉擴壓器和葉片擴壓器兩種，為了滿 足高性能壓氣機的要求，常采用葉片擴壓器，葉片擴壓器等固定元件的合理應用 能將葉輪出口的動能有效地轉化為壓力能，從而達到提高壓氣機性能的目的；擴 壓器的型式對于喘振工況和阻塞有很大影響，它們是決定壓氣機的穩(wěn)定工況范圍 的重要因素。但是擴壓器在實際的設計中沒有一個通用的方法，并且葉片擴壓器 的各種設計參數(shù)的擴壓器的實際流動條件變化較大叫 主要是與其配置的葉輪形 式不同，在壓氣機運行過程中，始終在設計工況是難以保證的，這些因素對擴壓 器的性能影響很大。3. 2. 2進氣管進氣管系引導壓氣機出口氣體

36、方向，它的流道設計直接影響壓氣機岀口氣流 均勻性與穩(wěn)定性，影響增壓器的性能和喘振流量，所以進氣管也是一個重要部件。管道帶進氣彎管，增加了進氣損失，流動阻力增大，加大流場的不穩(wěn)定性， 使高效區(qū)變窄，效率降低。尤其是在增壓器高轉速，大流量工況下，流場的不穩(wěn) 定性加劇，導致壓氣機葉輪發(fā)生氣休分離，提前發(fā)生喘振。它的喘振線向左移動。 由于發(fā)動機本身結構的特點，問題不可回避，在實際設計中必須通過進氣管來引 導氣流流動，所以在設計中必須考慮管子對整個系統(tǒng)的影響。本文分析，管子引 發(fā)喘振是由于管子的加入，增加了氣流的流動損失，流動阻力增大，從而造成整 個增壓系統(tǒng)流動阻力增大，進而引起一定轉速下壓氣機進氣流量

37、減小，發(fā)生氣體 分離，引起喘振。3. 2. 3中冷器中冷器是對流動過程中的氣流進行冷卻的裝置，在使用初期可有效的降低氣 流的溫度，使流經(jīng)的氣流流動狀況改善。但一段時間后壓氣機也會發(fā)生喘振現(xiàn)彖。 通過測試發(fā)現(xiàn)，分析發(fā)現(xiàn)兩個原因，一個是在壓氣機發(fā)生喘振前，中冷器后的空 氣溫度遠高于設計給定值由此，可以推斷中冷器的換熱效果較差，從而造成葉輪 的入口溫度較高，落在喘振區(qū)內，進而導致整個機組進入非穩(wěn)定工作狀態(tài) 另一個是隨著使用時間的加長，漸漸會在中冷器入口處堆積污垢，造成流通面積 的減小，背壓升高，氣體流量減小，造成整個增壓系統(tǒng)進氣流量減小，產(chǎn)生分流, 增加了喘振可能。3.2.4外部環(huán)境前面所述，引起增

38、壓系統(tǒng)喘振的因素是多方面，除結構和聯(lián)合工作中的因素 外還有其他方面的因素。大氣環(huán)境對壓氣機的工作過程有很大影響。在同一轉 速下，溫度高時比溫度低時喘振發(fā)生的早。這是因為，壓氣機周圍的溫度高時， 空氣單位體積的密度小，在一定轉速下進入壓氣機的空氣量就小，較早的引起氣 體分流，從而造成喘振。喘振是壓氣機及整個系統(tǒng)中介質的前進運動的穩(wěn)定性遭到破壞所致，即喘振 時氣流的脈動是軸向的，喘振時流量、壓力、功率均有波動。如前所述，當壓氣機在一定轉速下流量小到一定程度時要發(fā)生喘振。不同工 況下喘振時的最小流量是不同。喘振本身是一種不穩(wěn)定流動，故不難想彖實驗狀 況，特別是壓氣機出口氣流穩(wěn)定狀態(tài)與否可使喘振提前或

39、推后發(fā)生。另外，發(fā)現(xiàn)在部件實驗臺上測得的壓氣機喘振線與壓氣機與發(fā)動機聯(lián)合工作 時測得的喘振線是不同的。有時從特性圖上看發(fā)動機在外特性上低速工作時已經(jīng) 進入壓氣機的喘振區(qū)，但實際實驗時并未發(fā)生喘振，分析其原因在于活塞發(fā)動機 在進氣沖程中產(chǎn)生一定的吸力，故使壓氣機脫流不易產(chǎn)生，也就推遲了喘振的發(fā) 生。此外，發(fā)動機上進氣管容積的大小，發(fā)火次序的均勻與否等均對喘振線的位 置產(chǎn)生影響。綜上所述，喘振并非壓氣機的唯一特性，它與整個系統(tǒng)密切相關。實踐證明, 當增壓器與發(fā)動機聯(lián)合工作時，壓氣機的喘振與發(fā)動機發(fā)火次序、進氣脈動、增 壓器配置情況以及發(fā)動機運行工況等有很大關系。一旦發(fā)生喘振，不能僅從壓氣 機本身出

40、發(fā)而應從系統(tǒng)著眼來解決。3. 3管道消振措施文獻16、17、18、19、213. 3.1壓力脈動的消減措施通過降低管內氣流壓力的不均勻度，減小氣流壓力脈動幅值即消減激振力， 對于緩解管道振動非常重要。(1) 避開氣柱共振消減氣流脈動，首先應避免氣柱共振。要進行氣柱固有頻率的計算，使氣柱 固有頻率與活塞激發(fā)頻率錯開。(2) 采用合理的吸排氣順序多缸壓氣機吸，排氣時，管道中氣流脈動情況與氣缸氣閥開啟時間長短和彼 此的相位差有關。各氣缸開啟時間相位則取決于氣缸的結構和各列氣缸的曲柄錯 角。通過改進氣缸的結構和配置，采用合理的吸排氣順序，使壓氣機較均勻的向 管道排(吸)氣，可以達到減小氣流壓力脈動的目

41、的。(3) .裝設緩沖器緩沖器被認為是最簡單且有效的減緩氣流脈動的設施，壓縮機排出的氣體經(jīng) 過緩沖器后的壓力脈動明顯下降。理論分析和實踐表明，為了能充分發(fā)揮緩沖器 減緩氣流脈動的效果，應盡量將緩沖器放置在緊靠壓縮機的進，排氣口；緩沖器 和管道要采取合適的連接方式；緩沖器容積要通過必要的計算來確定。以下是美 國石油協(xié)會api618計算緩沖器容積的近似公式：匕=9.27v(kts/ m)vd = vs/ri/k式中：匕一入口緩沖罐的最小容積匕一出口緩沖罐的最小容積k絕熱指數(shù)兀一吸入側絕對溫度m氣體分了量v與緩沖罐相連的氣缸每轉排(吸)總凈容積氣缸的級壓比(4) .增設孔板在容積的入口處加裝適當尺寸

42、的孔板，可以降低該管段內的壓力不均勻度， 使管道尾端不具有反射條件從而達到減輕管道振動的目的。消振孔板通常安裝在 緩沖罐的進出口管嘴處，孔板與管道取相同材料制作。孔板的孔徑d與管道直徑 d之比與工質，平均流速心有關，有的學者推薦孔徑比用下式計算d/d = vja有的資料推薦d/d二0.50.43,低聲速工質取較大質，高聲速工質取較小值，孔 板厚為35mm。(5) 增設氣流脈動衰減器衰減器基于聲學濾波原理制作，也叫聲學濾波器，比緩沖器有更好的衰減氣 流脈動的效果，不過結構比較復雜。分為高頻波通濾波器和低頻波通濾波器兩種。(6) 設置集管器并聯(lián)運行的管道在匯合處脈動量會相互迭加，迭加的結果有時相互

43、抵消，有 時相互加強。為避免在多處匯合處產(chǎn)生過大脈動值，在匯合處應設置集管器。通 常的原則是集管器的通流面積應大于進氣管通流面積總和的三倍。(7) 消減氣流脈動的其他措施如利用波的干涉原理設計消振器，加大總管直徑等。要視實際情況采取相應 的措施。3.3.2改進管系結構特性的措施在整個管系脈動值都控制在允許的范圍內后，再進行管系結構振動的計算， 通過適當改進管道系統(tǒng)結構，將機械振動的振幅和動應力控制在允許的范圍內。(1)避免氣流方向和速度突變的措施乩在管道中氣流壓力不均勻度比較高的地方，應盡量不用彎管，保持管線的 平直。b管道中必須使用彎頭的地方，彎管的彎曲半徑耍大，轉角要盡量小，避免 氣流方向

44、的突變。c在異徑接頭處，應盡量減小收縮口的角度，避免管徑收縮的突然性。(2) 避免機械共振改變結構的固有頻率，使z避免落入機械共振區(qū)域，一般通過采用不同的支 架型式，數(shù)量，位置等方法來實現(xiàn)。(3) 增加管系結構的阻尼增加管系結構的阻尼，可以有效地防止管系結構發(fā)生共振破壞。增加管系結 構阻尼的主要方法是在適當?shù)奈恢迷O置阻尼器。但實際上這種方法在往復式壓縮 機管道減振措施中很少使用。一般情況下采用在管道的固定支承的部位放置金屬 彈簧，橡皮或軟木等來改變管系結構的阻尼，其隔振，減振的效果也比較好。4導氣管內氣流的動力學計算前面分析了增壓系統(tǒng)發(fā)牛喘振原因，得知增壓系統(tǒng)各個組件都可能對壓氣機 喘振產(chǎn)生影

45、響。就本課題來說主要考慮導氣管對喘振的影響。在流經(jīng)管子時氣流 的壓力、速度等參數(shù)如何變化，氣流參數(shù)變化與管子結構參數(shù)的關系如何是本文 對探討增壓系統(tǒng)喘振的主要出發(fā)點。木章就對導氣管進行動力學計算，對計算結 果進行分析，找出其內在規(guī)律，探討其對壓氣機喘振的影響，并對導氣管結構進 行探討。本文研究的柴油機增壓系統(tǒng)如圖4.1所示：圖4.1柴油機增壓系統(tǒng)結構圖4. 1確定紊流與層流研究氣體流動，首先確定氣流的流動狀態(tài)。因為流動狀態(tài)不同，研究的目標 和方式也有所不同。1883年，英國科學家雷諾第一個把通道流分為紊流和層流。 通過大量的實驗發(fā)現(xiàn)，決定管內流動是紊流還是層流的因素有：氣流的平均速度、 管徑、

46、氣體密度和粘性。雷諾數(shù)小吋，流動呈現(xiàn)為層流，雷諾數(shù)re增人到一定 程度時，層流就轉變?yōu)槲闪鳌恿飨蛭闪鬓D變的雷諾數(shù)不是一個常數(shù)。臨界雷諾 數(shù)的實際大小隨實驗的外部條件的變化而變化。通常在工程中，認為當re小于 2100吋，管內流動為層流；當re犬于4000,管內流動為紊流；當re處于兩者 之間時，則處于由層流向紊流轉變的不確定狀態(tài)。通過理論研究表明，決定管內流動狀態(tài)的判斷依據(jù)是一個無量綱準則數(shù)一 雷諾數(shù)re,其計算公式為：=(4. 1)a式中p為空氣密度,單位：kg/m3 ； u為氣流速度，單位：m/s ； £為管徑, 單位：m； “為粘性系數(shù)。以出口邊界條件：壓氣機轉速4oooo/

47、min 出口壓力155985“/、出口溫 度361.8p、流量0.317/5 ；入口邊界條件：空氣密度1.225/m3 標準大 氣壓101325 pa，溫度293 k為例計算在此工況下導氣管內氣流的密度p、速度v、 雷諾數(shù)re。由于導氣管截面積相等，由連續(xù)方程（2-4）可知有：= piv 2（42）乂將流體流動的能量方程式（2.18）中式（1）-式（2）有rt、丄= rt?且ppi將 /? = 287 > 7； =28%、p =.225kg/m3 > 門=101325/、3=361.%、p2 = 155985“/ 代入上式、即知 °2 = 1.501 /m3kk2而又將流

48、體流動的能量方程式（2.18）中式（1）進行移項有(4.3)將式（4.2）和式（4.3） 連幕求解得:v2 = 41.4m/s于是計算出在此工況下的氣流流動雷諾數(shù)：re = 2.78x10 s依此計算方法計算出在各工況下導氣管內氣流的密度°、速度v、雷諾數(shù)re如 表 4. io表4.1各轉速下導氣管內氣流雷諾數(shù)壓氣機轉速p氣流速度vre(n/min )(kg/m3 )()(*105)400001.50141.42. 7840000c1.49129. 11.94450001.59245.93. 2645000c1.56433.72. 35500001.68150.93. 8250000

49、c1.68336. 12.71注1）：表屮“c”表示喘振工況從表4. 1可以看出壓氣機各轉速下氣流的雷諾數(shù)都遠大于4000,從而可知 導氣管內氣流流動處于紊流狀態(tài)。只有在紊流狀態(tài)下，氣流的速度、壓力、流量 才會波動，才可能使增壓系統(tǒng)發(fā)生喘振。4.2管內損失壓力的計算氣流在流經(jīng)管內的過程中，受到沿程阻力壓力、導氣管結構等因素的影響其 壓力是有損失的。流動阻力增大伴隨著壓力損失增大，造成其背部壓力增大，使 的壓氣機流量減小。本節(jié)對現(xiàn)有管子的壓力損失進行計算，分析對壓氣機的影響。管內壓力損失由公式（4.4）求出，式中 如/表示山長的管段內流體因摩擦造成的壓損，用2表示管內流動沿 程阻力系數(shù)；d為管徑

50、，單位：m；力為管段長度，單位:/77； p為氣流密度, 單位：kg/m3 ； v為氣流速度，單位：m/s q本文分別取距進氣口 165加加和330mm管長的壓降進行了計算，如圖4. 2。由于馬赫數(shù)的平方約等于零（m/ =0）,所以在計算中氣流密度取壓氣機出 口值。本文研究的導氣管是一進口小，出口大的彎形管。在滿足計算要求的情況 下，根據(jù)流體力學理論，用損失系數(shù)代替管的彎部損失。彎管就可等同于如圖 4.2的管型。入口圖4. 2壓力損失計算示意圖計算導氣管內氣流壓力損失，計算結果如下：表4. 2 屮間截面和出口處壓力損失壓氣機轉速ptgvpdp f2n/minpakkgsm/skg/m3papa

51、40000155985361.80. 31741.41.5012651530240000c157855370. 10.21829. 11.4911301260345000173015379.00. 36745.91.5923451691245000c173275386.80. 26433. 71.5641833365650000191465398.00. 43050.91.6814492898450000c194695404.60. 30536. 11.68322614522注1）：表中“c”表示喘振工況表4.2中，導氣管入口氣流壓力卩、溫度t和流量g是通過實驗得出的，根 據(jù)公式（2.4）、（

52、2. 18）.計算出密度p和速度八 再通過公式（4.4）計算出氣 流的壓力損失。表4. 2中必?/. 1是氣流流經(jīng)165/nm管長的壓力損失，dp2是氣 流流經(jīng)330mm管長的壓力損失。從表4. 2中可以看出壓力損失是隨著轉速的增 加而增加的，同時壓力損失也是隨著管長的增加而不斷增大的。本文取柴油機工 作一定時間后為研究對象，這吋可以認為導氣管的溫度是恒溫的，在此我們不考 慮熱交換造成的壓力損失。從計算結果可以看岀損失的壓力和初始壓力相比是很小的。壓力損失對導氣 管的影響是很小的，可以忽略。4.3導氣管內氣流壓力、速度的計算在探討喘振問題時，首先要了解管內氣流的流動狀況，即而探討導氣管對壓 氣

53、機的影響。氣流流經(jīng)導氣管時，氣流各參數(shù)與導氣管各參數(shù)有密切關系，兩者 相互制約，相互影響。取導氣管的四個截面進行計算，如圖4. 3所示。4. 3.1馬赫數(shù)的確定由公式:ma = -cc = 4krt要對管內氣流進行動力學分析必須確定氣流是超音速流述是亞音速流，通 過流速的大小來判斷導氣管是噴管還是擴壓管。氣流在噴管中流過時，速度增大 壓力減?。辉跀U壓管中流過吋壓力增大速度減小。超音速與亞音速流的判斷是由 馬赫數(shù)的大小來確定的。(4. 5)(4. 6)式中c為音速，單位:m/s ；"為氣流速度，單位:m/s ； k為空氣系數(shù)；r 為空氣常數(shù)；t為溫度，單位：k。根據(jù)公式(4.5)、(4

54、. 6)計算氣流音速c、馬赫數(shù)mg,結果如表4. 3所示：表4. 3不同工況下的馬赫數(shù)壓氣機轉速(n/min)c(m/s)v(m/s)ma40000381.441.40. 10940000c385. 729. 10. 07545000390.345.90. 11845000c394.333.70. 08550000400.050.90. 12750000c403.336. 10. 090注1)：表中“c”表示喘振工況從表4. 3我們可以看出氣流的馬赫數(shù)在喘振和非喘振時都是小于“1”的。從而可以確定管內流動為亞音速流動。管內氣流為亞音速流時，氣流流過時壓力 增大速度減小。超聲速流動與亞聲速流動中，流速與端面變化的關系有著本質上 的區(qū)別，為了闡明這個問題，下一小節(jié)確定氣流參數(shù)和通道面積的關系。4. 3.2確定氣流參數(shù)和通道面積的關系對氣流進行動力學計算之前首先要確定氣流參數(shù)和通道面積的關系。這樣 才會了解氣流壓力、速度是如何變化的。由連續(xù)方稈可寫出： =+(4. 7)v i a p )并由運動方程可寫出： =(4. 8)v pv由上兩式可得:da _ dp dp _ dp q v2)a pv p pvdp/dp(4. 9)或 (4. 10) a v根據(jù)(4.9)、(4.10