應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件CFX,以某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器渦輪級(jí)為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行了軸向力傳統(tǒng)理論計(jì)算與數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算出不同發(fā)動(dòng)機(jī)折合轉(zhuǎn)速下渦輪端軸向力的大小,并與傳統(tǒng)計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比,通過(guò)對(duì)窄縫間隙的流場(chǎng)分析,找出兩者之間差異的原因。研究結(jié)果表明,隨著增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加,渦輪端軸向力合力越來(lái)越大,且兩種計(jì)算方法結(jié)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(duì)軸向力的影響,發(fā)現(xiàn)葉頂間隙對(duì)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(gè)計(jì)算的過(guò)程中,傳統(tǒng)計(jì)算給予的假設(shè)近乎理想狀態(tài),并非實(shí)際情況。 

【文章來(lái)源】：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造. 2019,(04)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：5 頁(yè)

【部分圖文】：

渦輪轉(zhuǎn)子軸向力簡(jiǎn)圖Fig.1TurbineRotorAxialForceDiagram渦輪葉輪進(jìn)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(zhuǎn)速不同于葉輪中氣體的轉(zhuǎn)速。該計(jì)算方法基于假設(shè)輪背間隙旋轉(zhuǎn)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(jì)算方法數(shù)值模擬實(shí)際上利用數(shù)值解析來(lái)求解表示流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)方程，渦輪級(jí)內(nèi)流體的流動(dòng)可用Narvier-Stokes方程來(lái)進(jìn)行描述，這是使用CFD求解氣動(dòng)軸向力最基本的方法。以某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器渦輪級(jí)為研究對(duì)象，運(yùn)用ICEM對(duì)蝸殼和葉片部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分析軟件CFX對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算分析。3.1網(wǎng)格模型模型各部分的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，如圖2所示。均采用了六面體結(jié)構(gòu)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(duì)于亞音速?gòu)搅魇皆鰤浩鳒u輪級(jí)數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，主流區(qū)域采用SST方程模型，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程。渦輪級(jí)的邊界條件均按照試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定，進(jìn)口給定總壓、總溫，出口給定靜壓，對(duì)固體壁面設(shè)定為無(wú)滑移、無(wú)流動(dòng)、絕熱等邊界條件，在縫隙出口邊界定義為開(kāi)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(zhuǎn)速r/min渦輪進(jìn)口總溫℃渦輪進(jìn)口總壓kPa渦輪進(jìn)口靜壓kPa渦輪實(shí)測(cè)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(jié)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(jì)算方法數(shù)值模擬計(jì)算方法傳統(tǒng)理論計(jì)算方法數(shù)值模擬計(jì)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(jì)算方法傳統(tǒng)理論計(jì)算方法8007006005004003002001000圖4渦輪端軸向力合力Fig.4TheTurbineEndAxialForceTogether由圖3可以看出，當(dāng)折合轉(zhuǎn)速在40000r/min低轉(zhuǎn)速時(shí)，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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加而增加，在折合轉(zhuǎn)速70000r/min高轉(zhuǎn)速時(shí)，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(duì)渦輪端軸向力合力的影響越來(lái)越明顯。渦輪端軸向力合力的計(jì)算結(jié)果，如圖4所示。折合轉(zhuǎn)速40000r/min低轉(zhuǎn)速時(shí)，渦輪端軸向力合力的兩種計(jì)算方法相差146.314N，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的不斷增加，折合轉(zhuǎn)速70000r/min高轉(zhuǎn)速時(shí)，二者相差125.4N，且渦輪端軸向力合力越來(lái)越大。因?yàn)楹狭樨?fù)，所以軸向力的方向是壓氣機(jī)端指向渦輪端。對(duì)比兩種計(jì)算軸向力合力的方法，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，兩種計(jì)算方法的誤差在縮小，但結(jié)果仍有較大的差別。主要原因是傳統(tǒng)計(jì)算方法在滿(mǎn)足所有假設(shè)條件的情況下，通過(guò)方程（1）～（3），其中若所選擇的經(jīng)驗(yàn)公式和氣

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：3576919