應用計算流體動力學軟件CFX,以某柴油發(fā)動機的渦輪增壓器渦輪級為研究對象,對其進行了軸向力傳統(tǒng)理論計算與數(shù)值模擬計算。計算出不同發(fā)動機折合轉速下渦輪端軸向力的大小,并與傳統(tǒng)計算方法進行對比,通過對窄縫間隙的流場分析,找出兩者之間差異的原因。研究結果表明,隨著增壓器轉子轉速增加,渦輪端軸向力合力越來越大,且兩種計算方法結果差異隨之減小,由最大值146.314N減至125.4N,減小了14.3%;研究密封環(huán)間隙、葉頂間隙對軸向力的影響,發(fā)現(xiàn)葉頂間隙對軸向力影響比密封環(huán)間隙小0.155～2.955N,并且發(fā)現(xiàn)在整個計算的過程中,傳統(tǒng)計算給予的假設近乎理想狀態(tài),并非實際情況。 

【文章來源】：機械設計與制造. 2019,(04)北大核心

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

渦輪轉子軸向力簡圖Fig.1TurbineRotorAxialForceDiagram渦輪葉輪進口氣體壓力作用在葉輪上所產(chǎn)生的軸向力：FT3FT1

擦，使輪背間隙中的氣體轉速不同于葉輪中氣體的轉速。該計算方法基于假設輪背間隙旋轉角速度是葉輪角速度的一半，縫隙間密度取平均值。3軸向力數(shù)值模擬計算方法數(shù)值模擬實際上利用數(shù)值解析來求解表示流體運動的數(shù)學方程，渦輪級內(nèi)流體的流動可用Narvier-Stokes方程來進行描述，這是使用CFD求解氣動軸向力最基本的方法。以某柴油發(fā)動機的渦輪增壓器渦輪級為研究對象，運用ICEM對蝸殼和葉片部分進行網(wǎng)格劃分，分析軟件CFX對網(wǎng)格模型進行計算分析。3.1網(wǎng)格模型模型各部分的網(wǎng)格結構，如圖2所示。均采用了六面體結構網(wǎng)格，渦輪部分網(wǎng)格單元數(shù)為445139，如圖2（a）所示。葉輪部分網(wǎng)格單元數(shù)為3712512，如圖2（b）所示。渦輪葉輪背部間隙網(wǎng)格單元數(shù)為383688，如圖2（c）所示。（a）渦輪箱網(wǎng)格（b）葉輪網(wǎng)格（c）輪背間隙網(wǎng)格圖2網(wǎng)格示意圖Fig.2TheGridDiagram3.2邊界條件對于亞音速徑流式增壓器渦輪級數(shù)值模擬計算時，主流區(qū)域采用SST方程模型，近壁區(qū)域采用標準壁面方程。渦輪級的邊界條件均按照試驗數(shù)據(jù)設定，進口給定總壓、總溫，出口給定靜壓，對固體壁面設定為無滑移、無流動、絕熱等邊界條件，在縫隙出口邊界定義為開放式，常溫，常壓狀態(tài)。邊界條件，如表1所示。表1增壓器渦輪流通特性數(shù)據(jù)Tab.1SizeunderVariousTurbochargerRotorSpeedTurbineMassFlow折合轉速r/min渦輪進口總溫℃渦輪進口總壓kPa渦輪進口靜壓kPa渦輪實測流量kg/s40000646.844.6442.7070.38145000651.557.2882.6590.43950000647.675.722.5380.52455000651.291.6492.4390.5876000064

軸向力、輪背間隙軸向力以及渦輪端軸向力合力，結果如圖3、圖4所示。1550150014501400135013001250120011501100F/Nr/104r/min4.04.55.05.56.06.57.07.5傳統(tǒng)理論計算方法數(shù)值模擬計算方法傳統(tǒng)理論計算方法數(shù)值模擬計算方法F/Nr/104r/min4.04.55.05.56.06.57.07.5220020001800160014001200（a）渦輪葉輪軸向力（b）渦輪輪背軸向力圖3渦輪軸向力分力Fig.3TurbineAxialForceComponentr/104r/min4.04.55.05.56.06.57.07.5F/N數(shù)值模擬計算方法傳統(tǒng)理論計算方法8007006005004003002001000圖4渦輪端軸向力合力Fig.4TheTurbineEndAxialForceTogether由圖3可以看出，當折合轉速在40000r/min低轉速時，渦輪葉輪軸向力傳統(tǒng)數(shù)值算法與數(shù)值模擬算法相差57.564N，渦輪輪背軸向力相差88.75N，隨著增壓器轉子轉速增加而增加，在折合轉速70000r/min高轉速時，兩種算法渦輪葉輪軸向力相差50.107N，渦輪輪背軸向力相差75.293N，且對渦輪端軸向力合力的影響越來越明顯。渦輪端軸向力合力的計算結果，如圖4所示。折合轉速40000r/min低轉速時，渦輪端軸向力合力的兩種計算方法相差146.314N，隨著轉子轉速的不斷增加，折合轉速70000r/min高轉速時，二者相差125.4N，且渦輪端軸向力合力越來越大。因為合力為負，所以軸向力的方向是壓氣機端指向渦輪端。對比兩種計算軸向力合力的方法，隨著發(fā)動機轉速的增加，兩種計算方法的誤差在縮小，但結果仍有較大的差別。主要原因是傳統(tǒng)計算方法在滿足所有假設條件的情況下，通過方程（1）～（3），其中若所選擇的經(jīng)驗公式和氣

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3576919