CN115292934B - 两级涡轮增压***旁通支路和主管偏心相贯的设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种涡轮增压技术领域的两级涡轮增压***旁通支路和主管偏心相贯的设计方法，包括以下步骤：把高压级涡轮的进气口与发动机排气总管相连通，把高压级涡轮的出气口与低压机涡轮的进气口相连接；把旁通支管的进气口与发动机排气总管相连通，把旁通支管的出气口与低压机涡轮前的级间主管相连通，在旁通支管上布置旁通阀；对旁通支管与级间主管的结合处分别进行左偏、未偏、右偏设计；通过低压级涡轮的等熵效率计算公式来分别衡量左偏、未偏、右偏对低压级涡轮效率带来的影响，确定最终采用的设计方案。本方法简单有效，应用广泛，可对不同可调两级涡轮增压***乃至多级涡轮增压***进行旁通支管的偏置设计，达到改善低压级涡轮效率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种涡轮增压技术领域的设计方法，特别是一种可以改善低压级涡轮效率的两级涡轮增压***旁通支路和主管偏心相贯的设计方法。
背景技术
随着排放法规的愈加严格和节能减排理念的进一步深入，发动机向高效节能、清洁低碳的方向持续发展。可调两级增压通过弯管和开度可调的旁通阀将两个增压器连接起来实现负荷的优化分配，具有高增压、宽流量范围、强调节能力、高效率等优势，已经成为一种广泛应用于新一代动力装置的先进涡轮增压技术。
受发动机小型化的影响，可调两级增压***具有高度结构紧凑性，两个涡轮之间具有高度扭曲、剧烈转向的弯管以及旁通支管等复杂管路结构，整个管路***内部流动相较于传统单级涡轮增压更加复杂。由于结构上的特点，两级增压***级间管道及高、低压级涡轮出入口均存在不同形式的流动畸变，使管道内部流动更加复杂。流场的复杂化会造成涡轮气动性能的改变，进一步影响涡轮增压***乃至整个发动机的性能。研究表明，两级可调增压***中两级涡轮之间存在一定程度的耦合效应，其中的表现形式之一为高压级涡轮出口旋流对低压级涡轮性能产生影响，相较于稳态均匀直流的涡轮入口条件，高压级涡轮出口速度场旋流效应对低压级涡轮效率存在约2％～3％的影响。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，本发明提出了一种可调两级涡轮增压***的旁通支管和主管偏心相贯的设计方法，当旁通阀处于全开状态时，针对不同转向的高压级出口旋流调整旁通管路在级间主管上的偏转位置，改变气流在低压级涡轮入口管道处的流动形态，达到增强或者抑制旋流的效果，从而改变低压级涡轮的气动效率。
本发明是通过以下技术方案来实现的：本发明包括以下步骤：
步骤一，把高压级涡轮的进气口与发动机排气总管相连通，把高压级涡轮的出气口通过级间主管与低压机涡轮的进气口相连接；
步骤二，把旁通支管的进气口与发动机排气总管相连通，把旁通支管的出气口与低压机涡轮前的级间主管相连通，在旁通支管上布置旁通阀；
步骤三，对旁通支管与级间主管的结合处分别进行左偏、未偏、右偏设计，在旁通阀全开的情况下，分别对这三种设计进行仿真计算；
步骤四，通过低压级涡轮的等熵效率计算公式来分别衡量左偏、未偏、右偏对低压级涡轮效率带来的影响，确定最终采用的设计方案。
进一步地，在本发明中，低压级涡轮的等熵效率计算公式为：
式中，Tt-in为涡轮入口总温，单位K；Ts-out为涡轮出口静温，单位K；Pt-in为涡轮入口总压，单位Pa；Ps-out为涡轮出口静压，单位Pa；γ为无量纲空气绝热系数，取值为1.353。
本发明主要包括级间主管、旁通支路、低压级涡轮，级间主管为高、低压级涡轮之间的主流管道，所述旁通阀等效为将气流从排气总管直接引入低压级涡轮入口管道的旁通支管。旁通阀分为全开和全关两个阀门状态，通过阀门的开闭改变气流在管道内的流动状态和分布形态，进而改变低压级涡轮的气动性能。当旁通阀全关时，排气总管的气流依次流入高压级涡轮，级间主管、低压级涡轮。此时，高压级涡轮的出口旋流在级间主管内进一步发展后直接进入低压级涡轮；当旁通阀全开时，排气总管的一支分流直接流入旁通支管，并在旁通支管和级间主管的交汇点位置与高压级出口旋流汇合，两股气流相互掺混、作用，形成完全不同于阀门关闭时的低压级涡轮入口流动形态。涡轮作为高速旋转的流体机械，其气动效率很大程度上受内部流体流动状态的影响，涡轮入口流动状态的变化势必引起涡轮效率的改变。用低压级涡轮的等熵效率变化来衡量旁通支管的偏心带来的影响。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本方法简单有效，应用广泛，可对不同可调两级涡轮增压***乃至多级涡轮增压***进行旁通支管的偏置设计，达到改善低压级涡轮效率的目的。
附图说明
图1为本发明实施例中旁通支管的结构示意图；
图2为本发明实施例中旁通支管未偏的结构示意图；
图3为本发明实施例中旁通支管左偏的结构示意图；
图4为本发明实施例中旁通支管右偏的结构示意图；
图5为本发明实施例中不同偏心方式下的低压级涡轮效率变化示意图。
其中，1为级间主管，2为旁通支管，3为低压级涡轮。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
具体实施例如图1至图5所示，把高压级涡轮的进气口与发动机排气总管相连通，把高压级涡轮的出气口通过级间主管1与低压机涡轮3的进气口相连接；把旁通支管2的进气口与发动机排气总管相连通，把旁通支管2的出气口与低压机涡轮前的级间主管1相连通，在旁通支管2上布置旁通阀；对旁通支管与级间主管的结合处分别进行左偏、未偏、右偏设计，在旁通阀全开的情况下，分别对这三种设计进行仿真计算；通过低压级涡轮的等熵效率计算公式来分别衡量左偏、未偏、右偏对低压级涡轮效率带来的影响，确定最终采用的设计方案。
其中，低压级涡轮的等熵效率计算公式为：
式中，Tt-in为涡轮入口总温，单位K；Ts-out为涡轮出口静温，单位K；Pt-in为涡轮入口总压，单位Pa；Ps-out为涡轮出口静压，单位Pa；γ为无量纲空气绝热系数，取值为1.353。
在本实施例中，给定高压级涡轮入口总温为873.15K，高压级涡轮入口总压为200Kpa，低压级涡轮出口静压为101Kpa，展开基于Ansys-CFX的三维数值计算，其中，高压级涡轮转速为41800rpm，低压级涡轮转速为52100rpm。以此为基础，针对图1所示的旁通管路，调整旁通阀相对于级间主管1的偏转位置，分别如图2(旁通阀左偏)、图3(旁通阀未偏)、图4(旁通阀右偏)所示。不同旁通阀偏置方式下的旁通支路2气流使高压级出口旋流产生了不同的畸变，即低压级涡轮3入口气流各有不同，最终根据低压级涡轮等熵效率计算公式计算所得的低压级涡轮等熵效率如图5所示，图5中的纵坐标为低压级涡轮等熵效率。由图5可以看出，相对于旁通阀未偏的情况，旁通阀左偏使低压级涡轮效率下降约2.5％，旁通阀右偏使低压级涡轮效率提高约2.2％。
以上对本发明的具体操作方式进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定操作方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (2)
1.一种两级涡轮增压***旁通支路和主管偏心相贯的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，把高压级涡轮的进气口与发动机排气总管相连通，把高压级涡轮的出气口通过级间主管与低压级涡轮的进气口相连接；
步骤二，把旁通支管的进气口与发动机排气总管相连通，把旁通支管的出气口与低压级涡轮前的级间主管相连通，在旁通支管上布置旁通阀；
步骤三，对旁通支管与级间主管的结合处分别进行左偏、未偏、右偏设计，在旁通阀全开的情况下，分别对这三种设计进行仿真计算；
步骤四，通过低压级涡轮的等熵效率计算公式来分别衡量左偏、未偏、右偏对低压级涡轮效率带来的影响，确定最终采用的设计方案。
2.根据权利要求1所述的两级涡轮增压***旁通支路和主管偏心相贯的设计方法，其特征在于所述低压级涡轮的等熵效率计算公式为：
式中，Tt-in为涡轮入口总温，单位K；Ts-out为涡轮出口静温，单位K；Pt-in为涡轮入口总压，单位Pa；Ps-out为涡轮出口静压，单位Pa；γ为无量纲空气绝热系数，取值为1.353。
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