某大功率柴油机顺序增压系统切换过程试验研究

为提高某大功率柴油机顺序增压系统切换过程的平稳性,对柴油机不同负荷工况下切换对增压压力的影响规律,进气阀延迟时间与动作速度对系统喘振、空气倒流的影响规律进行了台架试验研究。试验结果表明:切换点选择在柴油机的较大负荷工况,可以避免切换过程中柴油机功率的大幅度下降;从1TC到2TC的切换过程中,进气阀延迟并缓慢打开,从2TC到1TC的切换过程中,进气阀延迟并快速关闭,可以避免系统的喘振和空气倒流。研究结果为顺序增压系统控制策略的制定提供了依据。

车用发动机涡轮增压器常见故障及原因

介绍了车用发动涡轮增压器常见的几类故障现象,对故障现象及零部件失效原因进行了分析,并进行了归类总结,可用于涡轮增压器的设计、加工及使用维护参考。

周向槽宽度对涡轮增压器转子系统非线性动力学特性影响研究

浮环外表面周向槽宽度结构参数会影响外膜压力分布,进而对高速轻载涡轮增压器转子系统非线性振动特性产生显著影响。基于流体润滑机理和有限元理论,建立了包含轴系集总运动方程、浮环轴承瞬态温度模型、润滑油黏温方程以及轴承间隙热变形方程在内的涡轮增压器轴系热-流-固耦合的综合模型,并提出了一种有效的求解策略。通过与试验数据对比,验证了该综合模型的准确性和可靠性。以某柴油机用涡轮增压器转子系统为例,通过三维振动瀑布图研究不同周向槽宽度在低(50℃)、中(90℃)、高(130℃)3种入口油温下转子系统频域瞬态振动响应。结果表明:相对于全圆瓦浮环轴承支撑的转子系统,当周向槽宽度从2.4 mm增加至4.8 mm时,在不同入口油温下转子系统内膜涡动、振荡的转速区间逐渐缩小,振动幅值均大幅降低;但随着周向槽宽度和入口油温的增加,外膜承载力降低,转子系统呈现出刚性运动,即零频振动,并且零频振动幅值高于低频振动,成为主导频率。当周向槽宽度从2.4 mm增加至4.8 mm:入口油温为50℃时转子系统的最大无量纲振幅值降幅分别约为67%、75%和83%;入口油温增加至90℃时,转子系统的最大无量纲振幅值降幅分别约38%、75%和82%;入口油温增加至130℃时,最大无量纲振幅值降幅分别约为67%、75%和79%。因此,对于不同的入口油温,周向槽浮环轴承可使转子系统的振动幅值大幅降低,有利于提高转子系统的稳定性,结论可为周向槽浮环轴承的参数设计提供理论参考。

增压器轴承和密封环温度试验研究

为找出影响涡轮增压器涡轮端轴承和密封环温度的关键因素,在涡轮增压器试验台架上对影响涡轮增压器涡轮端轴承和密封环温度因素进行了测试研究。研究结果表明:涡前温度是影响涡轮端轴承和密封环峰值温度的主要因素;在瞬态运行工况下,由于在轴承体内产生了热倒流现象而导致涡轮端轴承的温度变化趋势是先从稳态运行温度开始升高并达到峰值温度后又开始降低,而涡轮端密封环的温度则不受热倒流现象的影响,其变化趋势始终是从稳态运行温度开始慢慢降低。

不同调节转换装置在顺序增压系统中的应用研究

针对目标柴油机顺序增压系统,设计了液压调节转换装置和气动调节转换装置。将这两种调节转换装置分别集成在柴油机顺序增压系统中进行对比研究,结果表明:在结构上液压调节转换装置比气动调节转换装置更紧凑;计算和验证了调节转换装置的驱动扭矩和执行动作时间,气动调节转换装置的驱动扭矩和执行动作时间均小于液压调节转换装置。两种调节转换装置还通过了进排气阀及执行机构连续动作1000次考核试验,试验结果表明:集成液压和气动调节转换装置的顺序增压系统,其主副增压器涡前最大温差均出现在排气阀关闭时,平均温差分别为28℃和219℃。

涡轮增压器浮环轴承静特性分析

以某型号涡轮增压器径向浮环轴承为研究对象,建立内外膜的控制方程及边界条件,通过有限元计算得到了两种工作温度下浮环平衡工作参数及内外膜的静特性参数随主轴转速和偏心率的变化关系。结果表明,浮环平衡参数几乎不受温度变化的影响,而内外膜静特性参数随润滑油黏度的改变而显著变化。

两区模型离心压气机性能预测方法研究

为获得有效的压气机性能预测方法,基于车用涡轮增压器压气机性能试验数据,重点研究了两区模型离心压气机性能预测及标定方法。研究结果表明:该预测方法仔细考虑了压气机内部扩散和损失过程,综合考虑逆压梯度黏性流动过程影响,标定方法简单实用,能方便地应用于工程设计;该性能预测方法也能有效预测涡轮增压器离心压气机流量特性及喘振、堵塞边界特性,能够反映出压气机的全工况性能;与试验结果相比,预测压比与试验压比差值小于3%,预测绝热效率差值小于5%,在高转速跨音速工况下预测喘振堵塞流量差值小于0.06。

车用增压器离心压气机改型设计

为缩短研制周期,提高设计成功率,降低研制风险,基于当代工具预测设计方法,开展了某车用增压器跨音速离心压气机设计和试验验证。研究结果表明:压比3为亚音和跨音速临界压比,高于此临界压比,叶轮进入跨音速流动,流量范围急剧变窄;压比大于4,流量范围不高于20%,需采用机匣处理等流量拓宽装置以获得宽广压气机特性;采用机匣处理装置后,跨音速流量范围可拓宽15%左右;采用两区模型性能预测技术和控制载荷叶片造型技术可获得高压比宽流量范围的高性能压气机。

跨音速离心压气机级间静压测量研究

为获得车用涡轮增压器离心压气机各元件进出口及周向静压分布,开展了跨音速离心压气机级间静压测试研究。研究结果表明:蜗舌结构未造成导风轮进口静压分布周向不均匀(导风轮进口周向压力波动在2.5 kPa之内);蜗舌结构导致短叶片轮缘静压分布的周向不均匀性;同一转速下,跨音速流动最高效率工况周向静压分布不均匀;叶轮跨音速时,蜗壳沿着流动方向进行减速扩压;同一转速下,扩压器静压提升变化很小(约在3 kPa之内),而叶轮静压提升变化很大(约13～50 kPa),叶轮静压提升的改变决定压比流量特性线的陡峭程度。

基于现代设计手段的某车用增压器离心压气机设计

针对发动机高压比宽流量范围需求,作者采用两区模型性能预测,控制载荷分布叶片造型和提高自振频率等技术,开展某车用增压器跨声速离心压气机设计和试验验证研究。并得出如下结论:①两区模型性能预测技术可快速预测压气机特性,其结果与试验吻合较好。②控制载荷叶片造型技术可快速方便应用于工程研制,设计结果比较理想。③相同大小叶轮,改变叶轮进口直径,在保持压比和效率近似恒定的情况下,可获得不同流量范围的压气机特性。④减小叶轮出口宽度和增大扩压器收敛段长度在某种程度上可推迟发生亚声速流动喘振。⑤压比大于3后(跨声速状态),压气机流量范围会突然变窄,喘振流量会大幅度增大。

涡轮增压器超高速轴承-转子动力学建模及模态参数识别

针对传统涡轮增压器超高速轴承-转子系统动力学建模精度不高、模态参数不易识别等问题,基于Timoshenko梁理论建立了涡轮增压器动力学模型及运动微分方程,利用锤击法试验对增压器不同激励位置、有无预紧力等工况下的模态参数进行了识别,并将理论与试验分析结果进行了对比验证。研究结果表明:激励涡轮增压器不同位置时,系统的激发模态不尽相同;预紧力对转子动力学分析结果具有重要影响,增加预紧力可显著提高转子刚度;建立的动力学模型和模态识别方法具有一定的准确性和适用性,可以为后续涡轮增压器结构优化设计、模态参数识别提供理论与试验基础。

系统参数对浮环轴承转速比的动态影响

转速比即环速比和轴颈涡动比是涡轮增压器浮环轴承系统的功耗和稳定性研究的重要指标。基于经典短轴承理论,考虑浮环和轴颈的回转变位角速度,推导出内外层非线性动载油膜力的解析模型。考虑轴系的偏心质量引起的离心力,建立了涡轮增压器浮环轴承系统非线性动力学模型。仿真得到环速比和轴颈涡动比随转速的变化曲线,并分析研究了不同转速下偏心质量、润滑油粘度、浮环结构参数等对环速比和涡动比的动态影响机制,及转速比对系统参数敏感程度的变化规律。为浮环轴承的设计研发和涡轮增压器浮环轴承系统的性能评价提供了重要参考。

浮环轴承温度预测模型的仿真及试验验证

综合考虑温黏效应和热膨胀导致的半径间隙变化,结合动载作用下的非线性油膜力,考虑压力流和剪切流对摩擦力矩的共同影响,建立了更为精确的涡轮增压器浮环轴承系统温度预测模型。在涡轮增压器浮环轴承试验台上对回油温度进行实测,并对仿真结果进行对比分析。研究结果表明:仿真所得结果与试验所测结果有较好的吻合性,证明了温度预测模型的准确性;温度和转速变化关系接近线性,温升、黏度、环速比和轴承间隙等变化均在合理范围之内,浮环轴承工作状态良好。

圆柱滑动轴承油膜流态影像采集与分析

滑动轴承中油膜的流态与速度、间隙及油的粘度等因素有关,不同位置油膜的流态也非一样。为了解油膜从层流到紊流的变化情况,验证理论计算模型的准确性,利用相似原理搭建了的圆柱滑动轴承油膜全流态可视化试验台,通过试验观察并记录了圆柱滑动轴承中不同直径、速度、间隙及粘度油膜流态的变化情况,实现了油膜流态的影像采集,初步比对分析后总结了油膜层流、紊流及过渡区域油膜的变化趋势,为以后研究复杂结构轴承油膜流态奠定了基础。

考虑热效应的浮环轴承转速比计算

分析了利用已有浮环轴承转速比计算公式在全工况下计算结果不能满足要求的原因,指出由于已有公式中没有考虑到热效应的影响,导致在高速运转条件下得到的转速比与试验结果有较大的偏差。针对这个缺陷,以试验数据为基础,开展热效应影响下的浮环轴承转速比计算公式修正研究。研究结果表明:利用浮环轴承转速比修正计算公式可以在全工况范围内获得与试验结果比较吻合的转速比变化趋势。

离心压气机级间压力测试研究

为获得离心压气机各元件静压分布,苇点开展了跨音速离心压气机级间静压测试研究,研究结果表明:(1)蜗舌未造成导风轮进口静压分布周向不均匀;(2)蜗舌导致了短叶片轮缘静压分布的周向不均匀性;(3)同一转速,跨音速高效工况周向静压分布并不均匀;(4)跨音速时,蜗壳沿流动方向总是减速扩压;(5)相同转速,扩压器静压提升变化很小(约3kPa),而叶轮静压提升变化很大(约13～50 kPa),叶轮静压提升的改变决定着特性线的陡峭程度。