车用涡轮增压器混流涡轮的性能试验研究

文章编号:1000-0909(2002)02-0141-03200033车用涡轮增压器混流涡轮的性能试验研究
施　新,马朝臣,杨长茂,张　虹,魏名山,杨　策
(北京理工大学车辆与交通工程学院,北京100081)
摘要:针对匹配J6110Z柴油机的H1F增压器混流涡轮进行了涡轮性能试验,并将其试验结果与原径流涡轮试验结果进行了分析和比较。

试验结果表明:由于混流涡轮兼有径流和轴流涡轮的流动特性,其流
通能力较直径相当的径流涡轮大,这对于改善车用增压柴油机的加速性能是有益的;在低相似转速情况
下,混流涡轮的最高效率比径流涡轮高,并且最高效率点与径流涡轮相比向小u/c0方向移动,这对于改
善车用增压柴油机的低速性能是有益的。

关键词:混流涡轮;涡轮增压器;增压柴油机
中图分类号:T K423.5 文献标识码:A
引言
随着现代车用动力对动力性、经济性、排放特性等要求的不断提高,涡轮增压技术也不断向高转速、小型化、大容量方向发展,使得径流涡轮的设计比转速越来越高。

然而在高比转速下,径流涡轮的叶轮出口损失增加,从而导致涡轮效率下降[1]。

混流涡轮由于其具有在高比转速下仍保持高效率的优点,近年来在涡轮增压领域受到了研究者的广泛关注,国外增压器公司不断推出采用混流涡轮的商用增压器。

但在车用涡轮增压领域,目前仅有IHI(日本石川岛播磨)的RHE型投入使用。

本文针对所设计的匹配J6110Z型车用柴油机的H1F增压器混流涡轮[2]进行了涡轮性能试验,并将试验结果与J6110Z柴油机原配备的径流涡轮试验结果进行了比较。

1　混流涡轮的结构和特性
典型的车用增压器混流涡轮结构形式如图1所示。

与径流涡轮相比,混流涡轮最主要的特点是叶轮进口来流倾斜,绝对速度c1和相对速度w1的子午分量都已不再局限于径向,而是具有轴向的分量,如图2所示。

由于这种特殊的叶轮结构形式,使得气流能很好地适应叶型的变化,平缓地过渡至轴向,可以有效地防止高比转速下轮缘处气流脱离现象的发生,使叶轮的内部流场大为改善,这是混流涡轮在高比转速下保持高涡轮效率的主要原因[3]。

混流涡轮的另一优点是涡轮最高效率点的u/c
图1　混流涡轮剖面
Fig.1　Cross-section of mixed-f low
turbine
图2　混流涡轮叶轮进口速度三角形
Fig.2　Rotor inlet velocity triangle
of mixed-f low turbine
值较径流涡轮低。

车用增压器涡轮多为脉冲进气,在脉冲峰值区发动机的可用能最大,相应的涡轮膨胀功最大。

而一般情况下,只要发动机的工况一定,排气脉冲
第20卷(2002)第2期
内　燃　机　学　报
Transactions of CSICE
Vo l.20(2002)No.2
收稿日期:2001-07-23;修订日期:2001-09-10。

作者简介:施　新(1974-),男,博士,讲师,主要研究方向为内燃机增压技术。

引起的涡轮转速变化很小,这样对应于排气脉冲峰值的u/c0较小。

因此,若使涡轮最高效率点的u/c0小于传统径流涡轮的稳态设计值(一般为0.7),则可以更为有效地利用发动机的排气能量。

而且,发动机排气的脉冲幅值随其转速的降低而增大,因此涡轮最高效率点向小u/c0方向移动,对于车用增压柴油机的低速性能的改善也是有益的。

这种要求反映在叶轮结构上,就是要使叶轮进口角度为正,即使叶轮进口段前弯(前弯定义为叶片向逆叶轮旋转方向弯曲)。

但这样会使叶轮在旋转时带来附加弯矩,从叶轮强度方面来说这是不利的,而混流涡轮由于叶轮进口速度具有轴向的分量,因此对于目前广泛采用的轴向后弯结构叶轮,就可以在保持叶片纤维径向的同时得到正的叶轮进口角,使涡轮最高效率点向小u/c0方向移动。

2　混流涡轮的性能试验
2.1　试验方法
用试验的方法获取涡轮效率特性比较困难,这是因为在涡轮性能试验中无法准确地测定涡轮温降,所以涡轮实际膨胀功也就无法由涡轮温降得出,因此涡轮效率必须从直接测量涡轮功求得[4]。

而涡轮的工作转速很高,即使采用相似转速时,其实际转速也达每分钟数万转,高速测功装置不仅价格昂贵而且安装复杂。

混流涡轮的性能试验是在专用的涡轮性能试验台上进行的。

该试验台采用增压器本身的压气机作为测功元件,通过测量压气机进出口气体参数计算压气机实际压缩功,通过润滑油温升计算机械损失功,从而获得涡轮的效率特性。

试验中,压力测量采用U型管压力计,温度测量采用热电偶温度计,流量测量采用标准孔板流量计。

考虑气源供气条件和涡轮工作范围,选定相似
转速n/T*
t=2700和3000作为测试工况。

2.2　试验结果与分析
混流涡轮的流量特性和效率特性的试验结果分别示于图3和图4。

试验用的混流涡轮是以匹配J6110Z 柴油机的H1F增压器径流涡轮设计参数进行设计的,设计过程中保持蜗壳0-0截面面积与叶轮出口面积和原径流涡轮相等。

为便于比较,图中示出了原径流涡轮相同相似工况下的涡轮性能试验曲线。

混流涡轮与径流涡轮的流量特性趋势基本相同:相似转速大的流量曲线比相似转速小的流量曲线更靠近右上方。

这是由于叶轮中气体流动为克服旋转所产生的离心力必须建立起相应的径向压力梯度,这意味着涡轮膨胀比的一部分必须用来克服离心力的作用,
剩余的部分才是用于加速气流的。

当转速增大时,离
图3　混流和径流涡轮流量特性比较
Fig.3　Comparison of mass f low character
f or radial and mixed-f low turbine
图4　混流和径流涡轮效率特性比较
Fig.4　Comparison of ef ficiency character f or radial
and mixed-f low turbine
心力增大,因而克服离心力所需的膨胀比也有所增加,因此转速增大时,对应相同流量的膨胀比也增大。

混流涡轮与径流涡轮流量特性的区别之处在于混流涡轮两个相似转速下,相同膨胀比下的相似流量之差较径流涡轮小,这是由于混流涡轮叶轮进口具有轴向的速度分量,因而其流量特性也介于轴流和径流涡轮之间,当转速增大时,虽然克服离心力所需的膨胀比依然增加,但是增加的比例较径流涡轮小。

由图3可以看出,混流涡轮的流通能力较径流涡轮大:在相似转速为2700时,混流涡轮相似流量比径流涡轮平均大10.8%;在相似转速为3000时,混流涡轮相似流量比径流涡轮平均大8.1%。

这同样是由于混流涡轮具有轴流涡轮的流动特点,相同的膨胀比 t,其用于克服离心力的部
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分较径流涡轮小,因而用于加速气流部分的膨胀比较径流涡轮大,显然它的流通能力较当量径流涡轮大。

因此,在相等流通能力的条件下,混流涡轮将比径流涡轮尺寸小,这对于车用增压柴油机加速性能的改善是有益的。

从图4可以看出,在试验的两个相似转速下,混流涡轮最高效率点的u/c0值均较径流涡轮小。

相似转速为2700时,混流涡轮在u/c0=0.685时达到最高总静绝热效率75.2%,相似转速为3000时,在u/c0= 0.664时达到最高总静绝热效率70.1%。

从涡轮效率最高值比较,相似转速为2700时,混流涡轮最高效率比径流涡轮74.2%的最高效率高1个百分点。

但是从整个工况范围看,混流涡轮的效率优势不明显,并且在相似转速为3000时,涡轮效率更是低于径流涡轮。

分析其原因,可能是由于为了缩短样机研制的周期,叶轮毛坯采用了快速成型的方法制造。

由于要在烧结出的塑料模上手工涂蜡处理,造成铸造出的叶轮毛坯表面质量较差。

而在加工涡轮转子时,由于叶轮顶弧圆心的确定有偏差,使装配后的叶尖间隙加大,增大了转子的间隙损失。

这些都使混流涡轮效率产生了一定程度的下降。

3　结　论
(1)　混流涡轮流动兼有径流和轴流涡轮的特点,其膨胀比中用于克服离心力的部分较径流涡轮小,因此混流涡轮比当量径流涡轮的流通能力大,这对于增压发动机加速性能的改善是有益的。

(2)　虽然叶轮加工质量较差,所设计的混流涡轮在一定范围内依然取得了较高的涡轮效率,在相似转速为2700时,涡轮最高总静绝热效率达到75.2%,并且最高效率点的u/c0值较原径流涡轮小,这对于增压发动机低速性能的改善是有益的。

(3)　进一步的工作应集中于混流涡轮增压器与发动机的性能匹配试验上。

参考文献:
[1]　Rohlik H E.A naly tical D eterminatio n o f R adial Inflow
T urbine G eomet ry fo r M ax imum Efficiency[R].
NA SA T N D-4384,1967.
[2]　M a C C,Shi X.Dev elo pment o f a M ixed-F lo w T ur bine
for H1F T ur bocharg er[J].Jour nal o f Beijing Institute
of T echnolog y,2000,9(4):370～374.
[3]　Chen C C,Gibbs C A.T he Design and T esting o f a
m ix ed flow tur bine for tur bo cha rg ers[C].SA E Paper
890644,1989.
[4]　王延生,黄佑生.车用发动机废气涡轮增压[M].北京:
国防工业出版社,1984.201.
Experimental Study on Mixed-Flow Turbine for Automotive Turbocharger
SHI Xin,MA C hao-chen,YANG C hang-mao,ZHANG Hong,WEI Ming-shan,YANG Ce (Schoo l o f V ehicle and T r anspor tation Engineer ing,Beijing Institute o f T echnolog y,Beijing100081,China)
Abstract:T urbine ex per iment o n the mixed-flow turbine fo r H1F turbo char g er,which is curr ently used in J6110Z diesel eng ine,w as undertaken.T he ex perimental r esults wer e ana ly zed and co mpared with t hat o f cur-rently used r adial turbine.I t can be seen fro m the mass flo w char acter co mpar iso n t hat since it has co mbined flo w char acter of the r adial and ax ial-flow turbine,the mix ed-flo w turbine has lar ger flo w capacity than rele-vant r adial t ur bine,w hich will benefit t he acceler ation char acter fo r tur bo char g ed diesel engine.T he efficiency ex per imental result also show s t hat the mix ed-flo w tur bine can o bt ain hig her max imum efficiency at low er v e-lo city ratio u/c0,w hich w ill benefit the low-speed char acter fo r t ur bocharg ed diesel engine.
Keywords:M ix ed-flow turbine;T urbo char ger;T urbochar ged diesel engine
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・2002年3月 施　新等:车用涡轮增压器混流涡轮的性能试验研究。