船用柴油机涡轮增压技术发展现状

涡轮增压是提升船用柴油机燃油经济性、排放性及动力性的核心关键技术。船舶动力排放与燃油经济性法规日趋严格、智能化发展趋势日趋明显,推动船用柴油机涡轮增压技术向高增压、高效率、柔性化和电动化等方向快速发展。本文分别从涡轮增压系统与涡轮增压器部件角度,对国内外主要船用柴油机增压技术的基本原理、主要特性、应用机型等内容进行了详细阐述,重点分析两级涡轮增压、相继增压、可变涡轮增压和机电负荷涡轮增压等增压系统技术,以及高效宽域涡轮增压部件技术,展望了船用柴油机增压技术发展趋势。     

基于模型的废气涡轮增压与发动机匹配

根据发动机工作过程模拟计算原理,采用GT-POWER软件对一级增压活塞式航空发动机建立涡轮增压器与发动机的仿真模型,并通过发动机实验数据验证了模型的准确性。按照高空环境条件对发动机提出的功率恢复的特殊要求,研究不同海拔高度下发动机与增压器的匹配规律,给出废气阀对增压系统的调节规律。分析结果表明,该仿真模型具有可信性且涡轮增压器的选型满足安全设计及匹配要求。     

高空活塞发动机2级涡轮增压系统匹配分析

为满足无人机高性能动力要求,改进了某型涡轮增压活塞式发动机2级涡轮增压系统。根据发动机工作过程模拟计算原理,利用CFD软件建立了该型发动机1级涡轮增压模型,并验证了该模型的准确性;确定了2级涡轮增压参数及高、低压气机的压比分配,讨论了2级增压器和中冷器的布置方案,分析了2级涡轮增压的高空特性,为2级涡轮增压系统选配了合适的增压器。     

超级增压器提升发动机功率

涡轮增压器多年来已被广泛用于提升发动机功率.增压器的效率是提升发动机整体性能的关键因素.它主要受制于压缩过程的消耗及输入发动机的空气温度.当然,输入冷空气因其密度大而更佳.但是压缩过程会使气体升温,实际使用就希望这种升温作用小到可以忽略,使增压器的工作更为有效.     

航空活塞发动机涡轮增压系统的安全边界研究

针对高空长航时无人机的动力性和安全性要求,首先应用MATLAB/Simulink对某型一级航空活塞发动机涡轮增压系统建立联合仿真模型.模型主要分为四部分:涡轮增压器模型、发动机平均值模型、中冷器模型和废气阀模型,并根据实验数据对仿真结果进行了校核,确保模型的可行性.在此基础上从整个系统的角度出发研究活塞发动机涡轮增压系统的安全边界,通过发动机级的安全边界要求给出增压器级的安全要求,同时分析主要参数对系统安全性的影响.最后,建立基于安全边界的废气阀的调节规律,使整个活塞发动机涡轮增压系统运行在安全边界之内.结果表明:基于模型的活塞发动机涡轮增压系统的安全边界研究方法给可以给出系统安全运行边界,同时可以在保证安全的前提下为下一步改善发动机涡轮增压系统的性能提供依据,进一步在设计阶段确保系统的安全性.      

双级涡轮增压活塞发动机螺旋桨推进系统部件法数学模型与飞行特性分析

对适用于高度为10~20km的中速、低速多用途飞行器的双级涡轮增压活塞发动机螺旋桨推进系统的特性计算方法进行了研究.引用涡轮发动机的部件法,建立基于各部件特性的代数数学模型,推进系统各部件工作点则由Newton法求解系统联合工作方程组得到.给出了方程组中的活塞发动机功率保持工作条件及增压器与活塞发动机联合工作条件,分析了推进系统功率保持工况和减功率工况的调节规律,及其对涡轮增压器工作线的影响.分析了推进系统总体及各部件的高度-速度特性.研究表明:该特性计算方法收敛快,一个工况点一般迭代5~6次即可;两个燃气旁通阀的调节规律不但可以满足推进系统的设计目标,同时还可对增压器工作点进行有效的优化调节;该特性计算方法可直接推广到更复杂的多级涡轮增压系统中.      

涡轮电推进系统建模及控制规律设计

为了研究涡轮电推进系统的工作特性及控制规律设计方法，建立了涡轮电推进系统总体性能仿真模型。基于部件法建立了涵道风扇性能计算模型；基于电机效率图建立了发电机及电动机性能计算模型；基于面向对象的建模方法建立了电推进模块计算模型。将建立的电推进模块计算模型加入涡扇发动机部件级仿真模型中，构建了涡轮电推进系统的共同工作方程组，即其性能仿真模型。采用逆算法研究了不同几何参数控制规律下，涵道风扇推力调节时推进系统的工作特性。通过在性能仿真模型中添加推力平衡方程，并结合差分进化算法构建涡轮电推进系统优化模型，形成了涡轮电推进系统控制规律优化设计方法，应用此方法计算了推进系统节流过程控制规律和性能参数。计算结果表明：本模型设计点性能计算结果与国外发动机性能计算软件计算结果最大偏差仅为0.22%，验证了建模方法的有效性；当涵道风扇推力改变时，可能导致涡扇发动机出现超温、超转和喘振等问题，通过联合调节尾喷管喉部面积和涵道引射器面积，可以有效改善这些问题；设计出的节流过程控制规律可以保证不超温、不超转，具有足够的喘振裕度，且在节流过程中还能进一步降低耗油率；该控制规律还具有连续、单调的特点，利于工程实现。     

利用涡轮增压技术 提高国产摩托车性能

涡轮增压器对提高内燃机的功率具有明显的成效。金属涡轮增压器已广泛应用于汽车，在国外已开始应用于摩托车发动机上。陶瓷涡轮增压器能明显降低惯性矩，因而在８０年代已应用于国外汽车上。在我国摩托车发动机上开发应用该技术不但十分必要，也是完全可能的。     

船用大功率柴油机瞬态工况油气响应及燃烧特性研究

针对船用大功率柴油机瞬态性能提升的需求,本文开展了某增压中冷船用大功率柴油机瞬态工况动态响应及燃烧特性研究。研究表明涡轮增压器惯性导致的进气滞后是柴油机瞬态工况下性能恶化的主要原因;突加载工况下,进气量响应滞后供油量响应4-5个工作循环,且进气量响应速度随初始负荷增加而增加,IMEP等燃烧特征参数加载过程中响应速度较快,波动较小;缸内燃烧过程恶化,CA50、CA90较同负荷下稳态工况值均推迟。     

利用涡轮增压技术 提高航空发动机性能

利用涡轮增压技术,能有效提高航空发动机的性能。本文简要介绍美国热力学系统(TMS)公司开发的三级涡轮增压器系统的设计、高空模拟试验和飞行试验等。     

低速轴流压气机转子叶片三维优化的数值研究

为了深入认识低速大尺度轴流压气机端壁区的流动,减小流动损失,提高其气动性能,采用数值模拟和优化相结合的手段,针对用于低速模拟的某低速大尺度轴流压气机原型转子的三维积叠线进行了优化,提高了其设计工况下的气动性能.结果表明:优化转子轮毂附近无法承受过大的负荷;相比于原型转子,优化转子主要的性能提升位于轮毂附近,一定程度的正弯有效减小了轮毂区的流动损失,具有“前加载”的效果,抑制了叶根尾缘的流动分离,转子总压损失减小约19.4%.      

叶尖间隙分布对内燃机增压压气机性能影响

采用三维CFD(计算流体动力学)方法,对两种相反叶尖间隙分布方式的无叶扩压器压气机级进行了详细流场分析,研究了叶尖间隙分布对跨声速离心压气机叶轮及扩压器性能的影响机理.结果表明,非均匀分布弦向间隙分布叶轮有较宽的稳定工作范围;出口轴向间隙小于进口径向间隙的压气机级压比和效率明显高于出口轴向间隙大于进口径向间隙的压气机级.较小的出口轴向间隙削弱了叶轮通道后半段间隙流动,显著提高了叶轮后部做功能力,获得更高的级压比;并使叶轮后部间隙涡强度及涡在叶轮通道和扩压器通道内耗散损失小,压气机级效率更高.      

耦合进排气壳的增压器涡轮流动干扰及激振力弱化研究

为探究船用增压器涡轮在耦合进排气壳条件下的流动特性,采用SST湍流模型和FFT方法对某增压器轴流涡轮与进排气壳耦合的流场进行非定常数值模拟,重点分析排气壳非对称流场对涡轮动叶片压力的干扰特性和扰动来源,在此基础上提出基于导叶非对称布局的激振力弱化改型方案并进行了验证。结果表明：进气壳影响静叶前缘静压沿周向的分布,排气壳流场导致的非对称背压会给动叶表面造成低频的压力波动,约为3.6%的转子通过频率,在尾缘吸力面处该低频波动幅值大于动静叶排干涉导致的高频波动幅值;排气壳内部复杂的分离流动和涡系结构是产生上述流动干扰的主要原因。4种非对称布局方案都能在几乎不影响涡轮性能的前提下分散并弱化高频波动幅值;其中Case2尾缘高频幅值减小了98.6%,低频幅值减小了52.6%,而且涡轮效率还有略微提高,为最优布局。     

直升机用轴流风机内部流动分析

通过理论分析、数值仿真与试验比较相结合的方法,对某型直升机用轴流风机不同工况下的内部流动进行了分析.结果表明,叶轮内部相对速度分布的理论假设适用于额定工况,但不适用于小流量工况.当直升机高空飞行时,风机工作流量低于额定工况,叶顶处容易出现回流,二次流损失加剧;同时飞行高度增加还易导致边界层分离、射流-尾迹区域扩大,从而使风机效率进一步降低;低能流体的集中,促使叶轮失速往往首先从叶顶处出现.在设计直升机滑油系统用轴流风机时,应注意对其变工况性能进行研究,对影响变工况下叶轮内部流动损失的主要气动参数进行优化设计,以提高系统高空工作的稳定性.      

防冰引气对组合压气机性能影响的数值模拟研究

为了研究防冰引气系统对轴流-离心组合压气机性能、内部流场和级间匹配关系的变化的影响,以带有防冰引气系统的组合压气机为研究对象,在离心压气机离心叶轮约3/4相对弦长位置轮缘处开槽引气,在轴流进口导叶叶片表面开孔喷气,进行3维数值模拟计算,并与不带引气和喷气系统的原始压气机进行对比分析。结果表明：防冰引气会引起组合压气机的性能降低,喘振裕度减小;轴流前2级由于折合转速下降,近工作点效率略有提高,但喘振裕度减小;离心级特性线向小流量方向移动,效率降低,稳定工作范围减小。     

基于补偿切割法的离心泵轴向力控制试验

为解决切割叶轮后盖板平衡轴向力的方法会导致泵扬程和效率降低这一关键问题,提出了一种补偿叶轮后盖板切割量平衡轴向力的方法。采用在同一个叶轮上切割叶轮后盖板和补偿叶轮后盖板切割量的研究方案,开展了泵性能、叶顶间隙压力、前后泵腔及平衡腔液体压力的系统测量。试验研究表明：以原型叶轮在设计流量下的扬程、效率和轴向力为基准,相对切割率为3.81%、7.62%、11.43%时,泵的扬程分别下降了3.52%、6.41%、9.93%,效率分别下降了2.97%、4.59%、6.18%,轴向力分别降低了8.02%、20.57%、22.3%;而补偿叶轮后盖板切割量后,泵的扬程最大降幅仅为4.18%,效率最大降幅仅为2.7%,轴向力最大降幅达到了83.1%;相对于切割叶轮后盖板而言,补偿叶轮后盖板切割量可以使前泵腔压力升高而后泵腔压力降低。     

液环泵叶轮叶片轴向叶顶间隙微射流流动机理及性能分析

液环泵的轴向间隙泄漏流对其水力性能有重要的影响,为了抑制其叶片轴向叶顶间隙泄漏流动,提升水力性能,以2BEA-203型液环泵为研究对象,在叶片轴端间隙引入微射流,采用数值模拟方法对比分析微射流对间隙泄漏流场及液环泵性能的影响机理。分析结果表明:轴向间隙射流能够有效地抑制间隙泄漏,液环泵的效率及真空度均在一定范围内提升。叶片轴向间隙内射流孔出口处会形成一相对高压区,微射流排挤占用一部分间隙的流道,部分射流与压力面泄漏流相互作用形成间隙涡,阻滞泄漏流动,使得叶片间隙泄漏流强度降低,叶片背面后方的泄漏涡前移。液环泵叶轮轴向间隙泄漏流存在复杂的时空分布特征,湍动能分布由吸气区沿叶旋方向逐渐增强,受微射流抑制作用,射流型叶轮间隙吸力面侧的湍动能强度要明显弱于原型叶轮间隙;泄漏流强度沿弦线方向逐渐减弱,微射流的部分流体沿弦线方向流入叶片轴向间隙,排挤占用下游间隙的流道,提升了叶顶间隙的密封性能。      

混合式脉冲爆震发动机原理性试验系统设计、集成与调试

设计、集成了由涡轮增压器、脉冲爆震燃烧室、燃油供给单元、润滑单元和测控单元构成的混合式脉冲爆震发动机原理性试验系统。初步实验研究表明该系统运行可靠。当脉冲爆震燃烧室与涡轮组合工作时,可在一定频率范围内稳定工作;爆震室头部及管壁沿程压力相对于爆震室独立工作时有所提高;压气机出口空气流量远大于爆震室进口空气流量,证明利用压气机给爆震室供气是可行的。在5Hz爆震频率下,涡轮被爆震产物冲击20min后,叶片没有任何烧蚀和裂纹出现。     

航空用燃气发生器和高温放气阀的设计原则及试验

分析了燃气发生器和高温放气阀的作用及必要性,阐述了两者的设计思路,提出了有关的设计原则,并根据该原则设计研制出了满足技术指标的燃气发生器和高温放气阀.对两者进行一系列试验,验证了设计原则的正确性.结果表明:燃气发生器在最小空气流量为0.025kg/s,最高燃气工作温度为950℃,燃气温度波动范围为±10℃,实现稳定工作;高温放气阀在1200℃时能实现不漏气、灵活可靠的工作.上述技术指标均高于我国目前地面上使用的、车用的同类试验设备.利用该两项试验设备,可准确、完整地得到涡轮增压器特性,为实现航空活塞发动机的优良高空性能提供了依据.      

基于两相流的涡轮增压器轴承油膜特性分析

利用计算流体动力学方法,分析了涡轮增压器半浮动轴承内油膜静力特性,考虑两相流油膜破裂和非牛顿流体润滑油模型,计算分析带轴向贯通油槽的油膜压力和汽化比率分布情况,以及转速、偏心率、润滑油温度和润滑油压力等因素对油膜承载力和摩擦功耗的影响规律。结果表明: 温度和转速是影响两相流油膜摩擦功耗的主要因素,分段楔形油膜的摩擦功耗与贯通轴向油槽的位置变化无关,油膜的气穴空化也不会引起摩擦功耗的明显变化;两相流油膜承载力随着偏心率的增加、油温的降低和油压增大而有不同程度的增大,但随转速的变化规律不一致;与此同时,小偏心率、高油压、低油温有利于减轻两相流油膜发生气穴空化的比率。