脈衝與激波耦合作用下渦輪內氣流激振特性研究

《脈衝與激波耦合作用下渦輪內氣流激振特性研究》是依託北京理工大學，由祁明旭擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：脈衝與激波耦合作用下渦輪內氣流激振特性研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：祁明旭
• 項目類別：面上項目

項目摘要

噴嘴導葉可調的渦輪增壓器可有效改善車用內燃機的動力性、經濟性和排放性能，在未來高效低排放車用內燃機中具有非常明確的套用前景。在大負荷高膨脹比或導葉制動工況下，渦輪內部流動具有跨音特性，在噴嘴導葉出口常伴隨強激波產生。在轉靜干涉作用下，激波掃掠葉輪葉片前緣表面並形成周期性強高頻突變載荷，極易導致葉片高周疲勞斷裂；同時活塞式內燃機的工作過程決定了脈衝進氣是車用發動機廢氣渦輪增壓器渦輪的工作特點，此低頻脈衝特徵導致渦輪進氣參數發生明顯變化，使得噴嘴出口激波強度和位置產生低頻交變。噴嘴和葉輪之間的激波掃掠及干涉規律決定於高頻和低頻兩種強脈衝載荷作用。探討脈衝進氣及激波形成工況下噴嘴出口激波強度變化及掃掠規律、研究激波與脈衝耦合作用下徑流渦輪內部氣流激振力分布及變化特性，對於可調渦輪增壓器的渦輪葉輪結構強度設計、抑制氣流激振力、提高渦輪可靠性具有重要指導意義。

結題摘要

在大負荷高膨脹比或導葉制動工況下，可變幾何渦輪內部流動具有跨音特性，在噴嘴導葉出口常伴隨強激波產生。在高頻轉靜干涉非定常作用和低頻脈衝進氣的共同作用下，激波掃掠葉輪葉片前緣表面並形成周期性突變載荷，易導致葉片高周疲勞失效。探討脈衝進氣及激波形成工況下噴嘴出口激波強度變化及掃掠規律、研究激波與脈衝耦合作用下徑流渦輪內部氣流激振力分布及變化特性並尋求導葉內激波抑制方法對於可調渦輪增壓器的渦輪結構強度設計、提高其可靠性具有重要指導意義。項目以抑制導葉內激波為最終目標，首先對研究了可變幾何渦輪內激波形成機理以及導葉開度、膨脹比對渦輪內激波掃掠規律以及其對葉輪上游氣流參數擾動特徵額影響；在此基礎上，考慮了渦輪低頻進氣脈衝與高頻動-靜干涉高頻非定常效應共同作用下渦輪導葉內部的複雜非定常流動以及激波特徵，研究了脈衝進氣對渦輪瞬態特性、流場頻域特性、激波行為以及葉輪上游氣流激振力的影響。結果表明在可變幾何渦輪中小開度、大膨脹比工況，渦輪導葉吸力面尾緣側產生較強激波，激波的強度決定於葉輪前緣與導葉尾緣的相對位置，當葉輪前緣旋轉至距離導葉尾緣較近時，激波強度增強，反之減弱；脈衝進氣對導葉內激波強度和位置存在較為明顯的影響，進而影響葉輪前緣載荷的強烈變化；針對可變幾何渦輪內部激波形成特點，研究了導葉葉片表面開置凹槽以改變激波形態、弱化激波的激波抑制方法，並採用試驗和數值相結合的方法研究了不同凹槽結構對激波形態和激波抑制效果的研究。研究結果表明，導葉吸力面開置合理尺寸凹槽的方法可以改變導葉內的激波形態並有效抑制激波強度。與光滑葉片相比，凹槽結構葉片可以將正激波轉變為多道斜激波，從而降低了激波強度；凹槽尺寸對激波抑制效果影響明顯，在槽寬固定時，過大和過小的槽深都使得其對激波的抑制效果較弱；在槽深固定時，槽寬的減小有利於激波的抑制。