專業(yè)英語(yǔ)大作業(yè)

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跨聲速汽車高壓比壓氣機(jī)渦輪增壓器內(nèi)燃機(jī)的研究和開(kāi)發(fā)鄭鑫前，張楊俊，楊明陽(yáng)汽車安全和能源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)，北京100084,中國(guó)2009年10月27日收到,2010年5月4日接收引言：渦輪增壓器離心壓縮機(jī)所需的壓力比與內(nèi)燃機(jī)功率密度增加。高壓縮比造成葉輪跨聲速流 場(chǎng)中跨聲速流穩(wěn)定流量范圍和deteriorates階段效率的減小。在這種工作條件下，一個(gè)先進(jìn) 的高壓比壓氣機(jī)設(shè)計(jì)完成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：渦輪增壓器的最人壓力比約為4.2,最大效率答 8()%以上，設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速率可達(dá)到穩(wěn)定流呈范用的34%左右。調(diào)杳證明這種跨聲速壓氣機(jī)渦倫 增壓器已經(jīng)在一些汽車上應(yīng)用，而且使功率提高了 40%o 關(guān)鍵詞：渦輪增壓器、內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(IC)、壓縮機(jī)、高壓比、跨聲速1介紹：渦倫增壓內(nèi)燃機(jī)木身就是一件古老的引擎。人多數(shù)今天生產(chǎn)制造的所有型號(hào)、人小的柴汕 內(nèi)燃機(jī)都使用渦輪增壓而R自然吸氣柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)比過(guò)去更容易。渦輪增壓也越來(lái)越多 的應(yīng)用于汽油引擎。渦輪機(jī)是由壓縮機(jī)和渦輪增壓器組成的。壓縮機(jī)是由渦輪機(jī)從廢氣小抽 収能量帶動(dòng)的。與自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比較，渦輪增壓機(jī)的好處是功率增加，油耗減少和排放 減少。而對(duì)近些年來(lái)能源枯竭和II益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，在未來(lái)屮，渦倫增壓技術(shù)會(huì)變得越來(lái) 越重要。高壓縮比渦輪增壓技術(shù)是實(shí)現(xiàn)柴汕機(jī)的功率增大、減少排放、人人提高發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì) 性和減少二氧化碳排放冃標(biāo)必不可少的技術(shù)。特別是用高壓縮比來(lái)彌補(bǔ)高廢氣循環(huán)率和氣缸 容積的減小而造成的功率和氣缸工作容積損火，因此功率峰值就顯得很特殊。另外，高增壓 比是高空作業(yè)必不可少的，尤具是對(duì)高空無(wú)人機(jī)引擎而言。然而，高壓比造成在壓縮機(jī)中流速接近音速，造成復(fù)朵的流動(dòng)現(xiàn)象，像使邊界層震動(dòng)交互 影響，縮小壓縮機(jī)的穩(wěn)定流量范圍，使車輛內(nèi)燃機(jī)操作困難。擁冇高壓縮比的渦輪增壓器已 經(jīng)在船舶發(fā)動(dòng)機(jī)上發(fā)展起來(lái)。然而，壓縮機(jī)在汽車上的穩(wěn)定流量范圍比在船舶上的寬一些。 鄭教授改進(jìn)的壓縮比為4.0： 1的接近音速的離心壓縮機(jī)是以壓縮比為3.5： 1的內(nèi)燃機(jī)為基 礎(chǔ)的。盡管壓縮比和壓縮效率己經(jīng)提高，但它的流速范圍卻并沒(méi)有增寬。圖1展示的是以報(bào) 道的內(nèi)燃機(jī)的性能為參考。擁有高壓縮密度的現(xiàn)代汽車功率運(yùn)行線在壓氣機(jī)特性1111線中沒(méi)有 表示出來(lái)。在高壓縮比的壓氣機(jī)特性曲線當(dāng)中運(yùn)行線左邊部分表示由于受到?jīng)_擊穩(wěn)定運(yùn)行是 不可能的。因此，由于達(dá)到最高水平的高壓縮比壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)與發(fā)展加強(qiáng)后的特性111!線是主 要的發(fā)行物。為了使壓縮機(jī)達(dá)到這個(gè)要求，擁有較寬的流速范圍的跨聲速離心壓縮機(jī)被設(shè)計(jì) 和發(fā)展起來(lái)。2完整的三維幾何設(shè)計(jì)：離心壓縮機(jī)由三部分組成：葉輪，擴(kuò)壓器和蝸殼。首先，在NERC概念中仁寶模塊, 一個(gè)渦輪增壓器專家設(shè)計(jì)了一個(gè)軟件用來(lái)優(yōu)化-?維關(guān)鍵兒何參數(shù)和性能預(yù)測(cè)。圖2展示 了優(yōu)化參數(shù)之后的初特性滿足設(shè)計(jì)要求。但是，通過(guò)取決于三位兒何設(shè)計(jì)的以為仁寶模 塊無(wú)論最后的空氣動(dòng)力學(xué)性能能否達(dá)到性能預(yù)測(cè)的那樣，特別是設(shè)計(jì)形狀復(fù)朵的葉輪形 狀。之后，Axcent?模塊概念NREC?被用來(lái)設(shè)計(jì)葉輪的三維幾何，它基于三部分：輪廓 設(shè)計(jì)，槳葉角分布和葉片厚度分布。接下來(lái)，來(lái)解釋基本原理和設(shè)計(jì)規(guī)則。刀翼形狀的輪廓對(duì)于壓縮機(jī)的性能有很大的幫助。關(guān)于跨聲速離心壓縮機(jī)，進(jìn)口葉尖 的相對(duì)馬赫數(shù)對(duì)性能起了很重要的作用。確定進(jìn)口葉尖半徑的原則是通過(guò)是進(jìn)口馬赫數(shù) 最小來(lái)減小激波強(qiáng)度，通過(guò)機(jī)翼前緣到葉輪喉部的流入量不能被計(jì)算的太多。誘導(dǎo)葉片 應(yīng)該是直的其至是負(fù)彎Illi的。對(duì)于這個(gè)設(shè)計(jì)，葉輪廓坡率從0%到20%而且在屮間和結(jié) 束部分的斜率增加。為了避免流動(dòng)間隔，機(jī)翼前緣的曲線率和葉倫廓和屮心倫廓的示緣 應(yīng)盡可能的小。對(duì)于跨聲速流壓縮機(jī)，它的葉輪廓前緣的Illi線率通常為0為了避免或減 小由激波造成的流量間隔。根據(jù)歐拉方程，葉片角度決定了葉片加載，特別是在頂峰位置。葉片包角和葉片傾斜 角度遵從槳葉角的分布。因?yàn)榇我羲賶嚎s機(jī)的壓縮比低，其最人載荷一?般位于平均徑向 距離。對(duì)于跨聲速壓縮機(jī)，它的最大載荷位于其平均徑向距離的60%到80%處，這意味 著故大葉片角位于其70%到80%的位置撮大葉片角與葉片后緣角存在10°<0°的差值。葉片應(yīng)力和顫動(dòng)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性是非常重要的，特別是對(duì)于跨聲速壓縮機(jī)而言。 葉片厚度的分布規(guī)律可能會(huì)影響葉片的強(qiáng)度和對(duì)小氣動(dòng)性能的影響，特別是対亞音速壓 縮機(jī)而言。對(duì)于跨聲速壓縮機(jī)，具前緣的厚度應(yīng)盡可能的薄為了減少誘導(dǎo)輪屮的流動(dòng)加 速。屮葉倫的振動(dòng)頻率和材料疲勞由錐速度分布決定決定，而錐速度又由葉片倫廓和倫 轂的葉片厚度所決定。根據(jù)上述跨聲速壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的原則，Axcent單元被用來(lái)完成跨聲速壓縮機(jī)的幾何設(shè) 計(jì)。(圖 3 以展示)主要的兒何參數(shù)有:Rlt/R2=0.73; Rlh/R2=0.23;B2/R2=0.12; R5/R2=1.52 Rlt是位于入口處葉倫的齒頂圓角半徑；Rih是位于入口處葉片的中心半徑；R2是出口 處葉片的半徑；B2是出口處葉片的寬度；R5是出口處擴(kuò)壓器的半徑。葉片的倒角是38 。然而，這種早期的一步是極人地影響后續(xù)數(shù)值的迭代，通過(guò)完全三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)在 隨后的數(shù)據(jù)模擬中取得成果。為了進(jìn)一步擴(kuò)展跨聲速離心壓縮機(jī)的穩(wěn)定流量范圍，自行循環(huán)套管應(yīng)川也被研究和采 用。套管應(yīng)丿IJ的結(jié)構(gòu)參數(shù)在圖4屮展示。對(duì)個(gè)別參數(shù)的影響進(jìn)行全面詳細(xì)的分析之后， 給出了這種葉倫機(jī)的優(yōu)化兒何參數(shù)：Sr=l 1 mm, br=5 mm, hb= 13 mm, bb=8 mm,Sf=15 mm, hf=10mmo在原因可以理解的范圍中，參數(shù)變化分析的詳細(xì)描述已忽略。3完整的三維CFD流分析在前面的段落中，跨聲速壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)原則已被討論。壓縮機(jī)的兒何形狀已被確定，自 行再循壞套管應(yīng)用的結(jié)構(gòu)也已被確定。壓縮機(jī)的幾何形狀對(duì)性能的影響并不是孤立的血 是彼此之間相互作用影響的。對(duì)于跨聲速流壓縮機(jī)，它的空氣動(dòng)力學(xué)性能比幾何參數(shù)更 敏感。因此，一維或三維的流速分析已成功的應(yīng)用在亞音速壓縮機(jī)上。完整的三維CFD 分析工具應(yīng)該用來(lái)分析流場(chǎng)和優(yōu)化幾何。事實(shí)上，上面所有的幾何參數(shù)是根據(jù)以往的完 整的三維流場(chǎng)數(shù)值模擬的優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果。盡管在演算的過(guò)程中花費(fèi)的時(shí)間很多，全面 分析仿真必須包括葉輪、擴(kuò)壓器、蝸殼和SCRTo解算器適用于基于3 d穩(wěn)定的可壓縮流體流動(dòng)有限體積格式使用CFD代碼來(lái)解決 Reynolds-averaged方程。中央計(jì)劃被用于空間離散化當(dāng)執(zhí)行前面時(shí)間離散化的指令時(shí)。 單方程一等式模型被應(yīng)用于湍封閉。沿速度方向的總溫度和總壓力是進(jìn)口邊界條；靜壓 力設(shè)置為出口邊界條件。對(duì)于堅(jiān)實(shí)的管壁無(wú)滑動(dòng)和不滲透。葉輪和蝸殼之間的接口用凍 結(jié)轉(zhuǎn)子法來(lái)建模。角變化的流動(dòng)數(shù)量超過(guò)了可以忽略的水平，是本研究工作的對(duì)象。因此， 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)相對(duì)處標(biāo)的計(jì)算，然而，本地傳輸流數(shù)量沒(méi)有改變?nèi)~輪和蝸殼的相對(duì)位置。在此次流動(dòng)模擬測(cè)試中最重要的是網(wǎng)狀SRCT的網(wǎng)格質(zhì)雖。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于CFD解 算器來(lái)說(shuō)最重要的步驟是將單元尺寸歸納為數(shù)值問(wèn)題。至于單元尺寸，SRCT和通道網(wǎng) 通常差界顯著；因此匹配這兩個(gè)網(wǎng)格挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。圖5舉例說(shuō)明了拓補(bǔ)的葉尖間隙網(wǎng) 格方法在這項(xiàng)工作中是 關(guān)?鍵?詞： 專業(yè) 英語(yǔ) 作業(yè)

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總結(jié)

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