第2期（总第235期） 2018年4月
车用发动机 VEHICLEENGINE
No2(Serial No235)
Apr2018
一种基于双喷嘴模型的涡轮等效流通面积计算方法
李梦钰，石磊”，张慧樊”，李华雷”，刘胜°，杨震寰
(1上海交通大学动力机械与工程教育部重点试验室，上海200240：
2中国航发商用航空发动机有限公司，上海201109；3.中国北方发动机研究所（天津），天津300400）
摘要：基于双喷嘴模型，利用反动度求静叶喷嘴出口压力，对等效涡轮流道面积计算方法进行了研究。将计算
结果输入经校核的GT-PoWer仿其模型中反算得到不同转速下涡轮前后的气体状态参数，绝大部分仿具值与试验值误差小于4%；计算得出的涡轮特性曲线与实测曲线误差低于9%，高胀比时涡轮未出现阻塞，优于简单喷嘴模型。利用此方法计算的变海拨满轮等效流通面积可实现300m范围内最大扭矩点转速到标定功率转速的案油机增压压力恢复。表明此模型具有较高精度，能适应较宽的膨胀比范围，可用于描述涡轮的工作状态和工作过程，表征涡轮流通特性和做功能力，进一步服务于增压系统与柴油机的匹配过程。
关键词：柴油机；涡轮等效流通面积；静叶；动叶；双喷嘴模型；径流涡轮 DOI:10 3969 /j issn.1001-2222 2018 02 002
文章编号：1001-2222(2018)02-0009-08
中图分类号：TK4223
文献标志码：B：
涡轮增压技术在保证结构紧凑性的情况下可缩小排量，改善缸内燃烧过程，进一步提高柴油机的功率密度,降低柴油机油耗、排放和噪声1-2。而涡轮等效流通面积的计算对涡轮特性的描述和涡轮增压系统与柴油机的匹配具有重要意义：一方面，利用涡轮等效流通面积可以计算涡轮膨胀比与流量的关系，描述涡轮流通特性和做功能力；另一方面，对于涡轮增压系统与柴油机的匹配，特别是变海拔匹配，通过压气机耗功需求和柴油机特性计算全工况涡轮等效流通面积需求，可以确定匹配点涡轮增压器的选型和全工况涡轮旁通阀调节目标。为计算涡轮等效流通面积,学者基于热力学基本方程提出较多一维涡轮简化模型，目前应用范围较广的是简单涡轮模型4,将涡轮等效成单喷嘴，认为在相同流量下，喷嘴面积产生与涡轮相等的压降。但其只适用于中等膨胀比，膨胀比到达189之后，简单喷嘴模型计算的涡轮流量增加缓慢，会出现阻塞现象。事实上，实际涡轮工作过程分为静叶和动叶两阶段，膨胀比可达305]。之后又衍生出简单喷嘴模型的替代方法的，认为其产生的压降是涡轮实际压降的一半。此方法解决了临界膨胀比问题，但喷嘴出口处的压力实际上是静叶与动叶之间的压力，不利于计算涡轮出口压力薄变和分析涡轮做功能力。为解决上述
收稿日期：2017-10-22；修回日期：2018-03-11
问题，Payri等[7-提出双喷嘴模型，之后Eriksson[9] 进行了改进，但分别局限于气体在两个喷嘴膨胀划程中压降相等或膨胀比相等的假设。
本研究在双喷嘴模型的基础上，提出了根据反动度计算静叶喷嘴出口压力，分别确认静叶和动叶喷嘴处膨胀比，进一步计算涡轮等效流通面积的方法。为验证此改进方法描述涡轮流通特性的准确性，利用GT-Power软件搭建柴油机性能仿真模型，根据计算得到的面积反算相应工况下涡前涡后的气体状态参数并得到涡轮流通特性曲线，同时与简单喷嘴模型计算结果作对比。为验证此改进方法描述涡轮做功能力的准确性，基于计算得出的涡轮等效流通面积和变海拔涡轮面积关系式，为某6缸柴油机确定了涡轮变海拔匹配方案，考察增压压力恢复情况。
1计算模型
根据Payri的理论[-8]，气体在径流式涡轮中的热力过程实际上是在静叶和动叶的两次膨胀，其简化模型见图1，热力过程见图2。由此可将静叶和动叶分别视为等效喷嘴，具有和理想喷嘴相同的流通特性。排气从涡轮入口处进人静叶喷嘴，进行第一次膨胀，然后经过稳压腔积聚质量流量，再经动叶喷
基金项目：国家安全重大研究基础计划（国防"973"计划)项目（6132520202）
作者简介：李梦钰（1993一），女，硕士，主要研究方向为内燃机增压与性能优化；corduroy@sjtueducom。