可变喷嘴涡轮增压器喷嘴环设计及非定常流场分析

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1、可变喷嘴涡轮增压器喷嘴环设计及非定常流场分析詹志胜2015年1月中图分类号：TK421.8UDC分类号：621.5可变喷嘴涡轮增压器喷嘴环设计及非定常流场分析作者姓名詹志胜学院名称机械与车辆学院指导教师施新副教授答辩委员会主席马朝臣教授申请学位工学硕士学科专业动力工程及工程热物理学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月VariableNozzleTurbochargerNozzleDesignandUnsteadyFlowFieldAnalysisCandidateName：ZhanZhishengSchoolorDepartment:

2、MechanicalEngineeringFacultyMentor:AssociateProf.ShiXinChair,ThesisCommittee：Prof.MaChaochenDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：PowerEngineeringandEngineeringThermophysicsDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Jan,2015北京理工大学硕士学位论文摘要可变喷嘴涡轮增压器由于其流通截面可调的特点能够与处于

3、变工况的车用发动机形成良好匹配，从而比其它涡轮增压器更有效地提升发动机的加速性、动力性等性能，因而它越来越多地应用在车用发动机上。但是转子叶片前缘的高周疲劳失效在一定程度上阻碍了可变喷嘴涡轮的进一步推广，而涡轮流场中激波、叶尖间隙泄漏流等被认为是造成失效的主要原因，因此研究涡轮叶片槽道中的流动，明确各非定常流动现象的具体特征及变化规律变得势在必行。本文做的主要工作有：本文对JK90S可变喷嘴涡轮增压器的喷嘴环进行了改型优化设计，共做出两种改型方案。第一方案是通过增加喷嘴叶片数目来增加叶片稠度，增大相邻叶片的重合度，从而加长气流的加速距离，使气流在

4、喷嘴槽道中得到更多的加速后再推动涡轮转子做功。第二方案是将喷嘴叶片的叶型更改为厚前缘的喷嘴叶片，这种叶型能更好适应脉冲增压造成的变化的进口气流角。对两种方案建立数值模型，并验证了数值模型的有效性。然后通过定常计算完成了对两种方案涡轮增压器的涡轮特性计算，得到了较为全面的特性曲线。分析非定常计算的流场，探究各非定常流动特征的特点及对涡轮的影响。通过对比两种方案的转静面处的流场，发现第二方案的叶型对气流的加速效果更好，但同时也形成了激波。激波受叶型、喷嘴开度的影响，强度及位置都会发生变化，并会对下游转子叶片附近的流场造成影响。两种方案中的叶片尾迹会随

5、叶型的不同而发生强度变化，叶片尾迹向下游输运时主要沿周向，不会对转子叶片造成气动影响。叶尖间隙泄漏流在两种方案中的强度也是不同的，并且在向下游传播过程中会影响到下游转子前缘处的流场，随着涡轮转子的转动，其影响的区域也会不断发生变化。相比于叶片尾迹，激波与间隙泄漏流对下游转子的影响是主要的，会对转子叶片前缘流场产生强烈的扰动。由于方案二的整体性能较好，本文对该方案的喷嘴环进行了加工，并对其做了涡轮特性试验，试验结果表明改型后的涡轮增压器的流量范围较宽，能够更好地匹配各发动机工况，并且喷嘴对流量的调节能力较强。关键词：可变喷嘴涡轮；非定常；激波；尾迹

6、；间隙I北京理工大学硕士学位论文AbstractDuetoitsflowcross-sectioncanchangeinworkingconditions,variablenozzleturbochargercanformagoodmatchwithvehicle.Thereby,itenhancesenginepower,accelerationandotherpropertiesmoreefficientlythanotherturbochargers.Thusitisincreasinglyusedinthevehicleengine.Bu

7、tthehigh-cyclefatigueoftherotorbladeleadingedgetosomeextenthinderedthefurtherpromotionofvariablenozzleturbine.Theshockwave,tipclearanceleakageflowinturbineflowfieldareconsideredtobethemaincauseoffailure,sotheresearchofturbinevanechannelflowandthechangepatternsofunsteadyflowph

8、enomenabecomesimperative.Inthispaper,themainworkisdone:Inthispaper,J