Design and study on variable nozzle mixed-flow turbocharger

A spatial motion mechanism was designed which could make all the nozzle vanes rotate a- round the center of ball with the same radius synchronously to realize control of the variable nozzle mixed-flow turbocharger （VN-MT）. The back and abdomen of the nozzle vane was designed as arc- shaped. A variable nozzle ring perfectly combined with the mixed-flow turbine was made available. The turbine geometric model of VN-MT was established through the computational fluid dynamics （CFD）. Compared with nozzleless mixed-flow turbine, the flow range of variable nozzle mixed-flow turbine was broadened tremendously while the peak turbine efficiency point was lower slightly. Flow field analysis in turbine stage showed that the energy was larger and the blade load of rotor was lower than loss of the VN-MT under designed condition the nozzleless mixed-flow turbocharger.

变几何涡轮燃气轮机总体性能研究

为深入了解变几何涡轮对燃气轮机的总体性能影响机理,通过部件法对燃气轮机进行建模,然后分别改变高压涡轮、中压涡轮和动力涡轮的第一级导向器喉道面积,在不考虑导叶两端调节机构和导叶间隙等对涡轮效率影响情况下,对燃气轮机总体性能的变化情况进行了系统地分析,并得出各截面的总温与总压变化情况。结果表明:在采用保持高压涡轮入口总温恒定的控制规律时,增大燃气轮机的高压涡轮流通能力,燃气轮机输出轴功率与耗油率均不断增加,高压涡轮流通能力增加10%,输出轴功率与耗油率分别上升2.83%与1.13%;增大燃气轮机的中压涡轮流通能力,导致燃气轮机输出轴功率降低,耗油率上升,中压涡轮流通能力增加10%,输出轴功率降低9.96%,耗油率上升3.63%;动力涡轮流通能力增加,燃气轮机输出轴功率先上升,后有小幅下降,耗油率增大,动力涡轮流通能力变化量从0增加到10%,输出轴功率降低0.05%,耗油率增加2.01%。

可变截面增压器扭曲导叶对涡轮叶片激振的影响研究

涡轮叶片高周疲劳(HCF)限制了涡轮增压器的使用寿命,在可变截面增压器中尤为明显。针对某0.6 L二冲程汽油机用增压器的可调导叶径流涡轮在运行中容易出现高周疲劳失效的问题,设计了一种扭曲结构的导叶叶型,采用数值模拟方法研究了扭曲导叶对涡轮流场和叶片激振的影响。研究结果表明:顺时针扭曲导叶可以减弱喷嘴导叶出口与涡轮叶片前缘之间的干涉效应,逆时针导叶会增强二者的干涉效应;相较于原对称叶型导叶,进入涡轮增压器的高温、高压气流在通过顺时针扭曲叶型导叶后,尾迹呈倾斜状,气流激振力被分散,对下游涡轮叶片前缘的影响减弱;同时,由于涡轮叶片间隙的压力梯度减小,间隙泄漏流强度降低,叶片高激励区的激励幅值也随之减小。研究综合考虑了涡轮机效率和叶片激振力的变化趋势,确定导叶扭曲角度为4°时最为合理,最优方案在不影响涡轮性能的前提下,叶片最大振动应力降低64%。

导叶间隙不确定性对可调向心涡轮影响数值研究

为了评估可调向心涡轮导流叶片叶顶及叶根间隙尺寸不确定性对涡轮级性能的影响,首先将喷嘴环叶片大开度模型的单通道定常数值结果与实验数据对比;然后以导流叶片小开度涡轮为研究对象,数值模拟导叶两端叶顶间隙尺寸多种分配模型三维流场,总结出导叶间隙不确定性与涡轮级性能之间相应变化规律;最后选取导叶两端间隙平均分配模型和最优涡轮性能下间隙分配模型开展多通道定常/非定常计算,用于分析间隙分配变化对转静干涉影响。研究结果表明:当导流叶片轮缘侧间隙尺寸占全部间隙尺寸5%~15%范围时,涡轮级效率较高;当导叶间隙全部集中在轮缘侧时,涡轮效率较低;最高、最低效率差别约为6%。间隙泄漏流变化将引起下游转子叶片进口气流角发生变化,进而改变转子叶片吸力面前缘分离涡损失大小。此外,导叶两端间隙分配变化可以改变嘴环叶片吸力面激波强度,并通过诱发交变载荷变化方式影响转子叶片可靠性。

变桨距风力发电机组恒功率反馈线性化控制

在额定风速以上时,为保证风电机组的安全稳定运行,需要降低风力机捕获风能,使风力机的转速及功率维持在额定值,基于微分几何反馈线性化方法,提出变桨距风力发电机组恒功率控制策略.建立了风力机的仿射非线性模型,采用微分几何反馈线性化变换实现全局精确线性化;根据新的线性化模型,以风力机转速为输出反馈变量,叶片桨距角为输入控制变量,设计桨距角控制器;在风速高于额定值时调节风力机维持在额定转速,从而实现额定风速以上的恒功率控制.仿真结果表明,所提控制策略能较好地解决变桨距风力发电机组额定风速以上的恒功率控制问题,控制方法具有较好的适应性和鲁棒性.

一种考虑变几何特性的重型燃气轮机建模方法

在传统燃气轮机仿真模型的基础上,对比分析模型计算结果与机组性能试验数据,定量地得到了可转导叶(IGV)开度变化对燃气轮机性能的影响,建立了考虑IGV开度变化对机组性能影响的重型燃气轮机性能仿真模型.结果表明:所建模型的稳态计算结果与试验数据相吻合,正确反映了燃气轮机参数随燃气轮机功率的变化关系,可以应用于系统动态特性分析以及控制系统的设计和验证.

变转速风力机额定风速以上的非线性控制——恒功率输出控制问题

讨论了在额定风速以上时变转速风力机的控制问题，系统采用基于微分几何理论下的桨距角和触发角双输入控制．变转速风机是一个带有大范围风速的多输入多输出非线性系统，通过坐标变换，使非线性系统转化为一个标准的线性系统．直接利用所推导的仿射非线性机理模型，在额定风速以上，采用微分几何精确线性化理论，通过坐标转换，实现变转速风机全局精确线性化控制，给出了反馈控制算法。

可变截面涡轮增压器与废气再循环对柴油机排放的影响

以一台重型柴油机为试验对象,研究可变截面涡轮增压器(VGT)和废气再循环(EGR)阀门开度对柴油机增压比、空燃比、燃油消耗率及NO_x,CO,HC,CO2和烟度等排放特性的影响.研究结果表明,随着EGR阀门开度的增大,增压比、空燃比降低,经济性变差.EGR阀门开度和VGT阀门开度对NO_x排放影响很大,随EGR阀门开度和VGT阀门开度增大,NO_x排放的体积分数显著降低,但HC,CO,CO2的体积分数和烟度升高.为实现降低NO_x排放的同时控制燃油消耗率和烟度的升高,可在中等负荷时选择EGR阀门开度50%、VGT阀门开度45%的控制策略;在高负荷时选择EGR阀门开度75%、VGT阀门开度55%的控制策略.

大子午扩张变几何动力涡轮流场及损失特性分析

针对四级大子午扩张变几何动力涡轮开展数值计算研究,描述可调静叶端部间隙泄漏涡的形成过程,研究可调静叶转动前后可调静叶级三维流场结构及其损失机理的变化情况,分析静叶可调对动力涡轮各级总体性能的影响。研究结果表明:涡轮变几何引入了可调静叶端部部分间隙以及泄漏涡和通道涡的相互干扰,且泄漏涡涡核主要是由旋转轴后侧的泄漏流线组成;可调静叶转动不仅导致静叶自身出现攻角流动,还导致下游动叶前缘附近产生了大攻角分离流动,并且可调静叶关闭导致的动叶吸力侧大分离流动是由轮毂端壁附近分离泡螺旋向上运动产生,表现出强烈的三维特性,严重恶化变几何涡轮性能;可调静叶转动改变了静叶的喉部面积,导致涡轮级间焓降重新分配,从而在不同程度上影响动力涡轮各级流动性能,整体上对可调静叶级的影响最为明显。

导流叶片两端间隙不同分配对可调向心涡轮性能影响

针对现有可调涡轮产品缺少喷嘴环叶片两端间隙约束机构现状,选取三种典型喷嘴环叶片间隙分布模型,用数值方法研究喷嘴环叶片两端间隙不同分配对涡轮级性能影响,并找出导致涡轮性能变化的相关机理,为提高可调向心涡轮在非设计工况下性能提供参考.研究结果表明:在小开度情况下导流叶片两端间隙变化导致涡轮级效率差别至少为4%,且流动损失变化主要集中在转子段;导流叶片间隙泄漏流中气体气流角小于主流气体,因此间隙分布变化可以改变转子叶片吸力面前缘附近分离涡位置,从而改变转子叶轮通道内部流动损失,最终影响涡轮性能.

变几何涡轮动叶栅流场的PIV实验研究

对某变几何涡轮在不同导叶转角工况下进行了内流场PIV实验研究,获得了动叶叶栅流道及其下游区域详细的流场及涡量场数据,并对其进行了对比分析.结果表明:导叶转角从6°转到-6°的过程中,叶轮出口截面最大速度增加约11%,叶轮流道内部最大绝对速度增加约40.6%,气流角度单调变化,叶轮输出功率在这一过程中增加了42%;但随着导叶转角的减小,下游动叶流道的流动损失有所增加.

变几何变工质涡轮性能预测及变工况性能计算

为适应涡轮在变工质，大变工况条件下的性能预测，研究了工质的性质，涡轮各种损失与涡轮流通通道内的临界堵塞流动，变几何涡轮的性能计算方法。这些研究的结果是变几何变工质涡轮理论分析的有用工具。

脉冲进气条件下弹性约束导叶可变几何涡轮性能研究

文中基于可调涡轮弹性约束导叶的概念,采用流固耦合方法研究了在脉冲进气条件下,弹性约束导叶涡轮的非稳态特性以及脉冲幅值和频率对其性能的影响,通过与传统可调涡轮对比,分析了弹性约束导叶可调涡轮性能发生变化的原因.结果表明,脉冲进气幅值越小,频率越低,弹性约束导叶可调涡轮相对传统可调涡轮流量提升率越大,输出功率提升率越大,效率下降率越低.通过对转静子进口气流角以及导叶出口压力损失分布的分析,论证了弹性约束导叶涡轮性能对脉冲幅值和频率发生变化的原因.

小偏差方法在变几何燃气轮机性能研究中的应用

为了分析不同涡轮变几何给燃气轮机性能带来的影响,基于小偏差方程提出了一种研究变几何燃气轮机性能的新方法。该方法的计算结果与特性曲线法的计算结果比较表明,新方法的计算精度在绝大多数工况下都可以保证在4%以内,如表2所示。采用该方法的计算结果表明,不同涡轮变几何可以得到不同的效果:高压涡轮和低压涡轮变几何可以很好地调节压气机的工作点,在燃气轮机改造过程中可以起到很重要的调节作用,动力涡轮变几何则可以更好地改善机组的变工况性能。

发动机废气能量回收系统研究

废气能量回收是提高汽车节能减排效果的有效手段之一。建立了发动机废气涡轮发电回收系统模型;系统采用旁通阀和可变截面涡轮技术来控制发动机排气背压和涡轮机转速。针对某企业的某款车用发动机,利用有关数学模型及数学分析法对涡轮机进行了选项设计,确定了涡轮机的基本参数,根据基本参数选定某国产H1A涡轮机;再根据涡轮机有关输出参数对发电机及步进电机进行了选项设计。建立了废气能量回收系统仿真模型,对整个系统进行了仿真分析。结果表明,混合动力汽车发动机废气能量回收可以实现废气能量的回收利用。通过两种典型工况的仿真分析,其最高回收功率可达（1.7~1.9）k W。

可调向心涡轮增压器调节机构优化设计

提出了一种新型的增压器调节机构设计方案,该设计方案取消了传统增压器调节机构中的喷嘴座或定距套结构,利用3个固定导叶来控制喷嘴环的宽度。该设计方案力图减小蜗壳或导叶流道中由于特定结构所导致的局部扰动,减小其流动损失,提高涡轮效率。对该设计方案与喷嘴座结构方案、定距套结构方案进行了相同工况的数值计算,通过计算结果的对比,从理论上验证了设计方案的可行性。

涡扇发动机可变几何参数调节对性能影响的分析

对于混合排气加力涡扇发动机可变几何参数调节对其性能的影响进行了分析研究，结果表明在超声速飞行条件下调节几何参数对于改善性能有显著效果。

可变截面涡轮增压器涡轮性能研究

本文对一种无叶可变截面涡轮增压器的涡轮性能进行了测试和分析,提出可变截面涡轮如设计合理,在变截面工作过程中,涡轮效率没有大幅度变化;与同类不变截面涡轮对比涡轮效率没有明显下降,为可变截面涡轮的实际使用提供了重要的技术依据。

摆杆式导叶调节机构的设计与研究

为促进变几何涡轮在航空发动机中的广泛应用,提高变几何涡轮的工作效率,设计了一种用于变几何涡轮的摆杆式导叶调节机构。采用Adams软件对导叶调节机构进行了运动学仿真研究,仿真结果验证了调节机构设计的可行性,通过仿真发现这样的导叶调节机构至少需采用3个作动筒同时驱动才能保证涡轮调节的精度要求。在Adams中对机构进行了参数化建模,利用参数化模型分析了尺寸误差和间隙对导叶转动精度的影响,并且以前十次仿真为例计算了调节机构导叶角度重复位置精度的可靠度。研究结果表明设计的导叶调节机构结构合理、可靠性高。

变几何涡轮对涡轮气动性能的影响研究

针对自由涡轮导向器叶片可调的多级轴流涡轮进行气动性能研究。结果表明:通过改变自由涡轮导向器叶片角度可以调节多级涡轮的流量、效率、膨胀比分配和功率分配,自由涡轮导向器叶片角度变化对涡轮流场和各级静叶损失产生明显的影响。