變海拔兩級離心壓氣機特性試驗研究

張眾杰，劉瑞林，楊春浩，張君儀，焦宇飛，蔡駿，夏南龍

(1.陸軍軍事交通學院，天津 300161；2.海軍工程大學，湖北 武漢 430033; 3.南開區新聞中心，天津 300161;4.江蘇凱迪航控系統股份有限公司，江蘇 無錫 214161)

渦輪增壓技術是柴油機高原恢復功率的主要技術之一，但隨著海拔增加，空氣密度迅速減小，壓氣機效率下降，流量范圍變窄，喘振傾向增加[1]。匹配大流量增壓器能在一定程度上擴寬壓氣機流量范圍，但該方法無法兼顧柴油機高、低轉速工況，在高海拔低轉速時，排氣能量較低，不能有效提高柴油機的增壓壓力。可變截面增壓器(VGT)能夠根據柴油機工況自由調節渦輪有效流通面積，提高排氣能量利用率，但受到壓氣機壓比和流量范圍限制，在更高海拔下柴油機功率恢復有限[2]。兩級可調增壓器具有高壓比、寬流量特點，能夠根據海拔和工況特點有效分配渦輪功，確定最佳增壓比分配，全面提升柴油機高原功率[3]。

壓氣機作為增壓器主要部件，其性能的改善對于提高柴油機高原功率至關重要。根據國內外學者研究結果可知，離心式壓氣機特性隨海拔的變化，主要是由雷諾數變化引起的，而以馬赫數相似為基礎的特性曲線繪制圖法不再有效[4]。豐鎮平[5]基于等效管流模型，提出了離心式壓氣機特性雷諾數修正公式和高原準則相似特性轉化方法，但重點集中在壓比3.0以下70 mm尺寸壓氣機，而對大功率柴油機所用 90～140 mm 高壓比壓氣機未有涉及。徐斌[6]分析了不同海拔下壓氣機處于非自模區的流量界限，并采用相似模型理論推導出高原渦輪增壓器效率修正公式，但研究僅集中在壓氣機效率一個特性參數，且壓氣機葉輪直徑均小于50 mm。李書奇[7]采用試驗手段分析比較了高原環境下壓氣機四種流量特性(相似流量、體積流量、折合流量、實際流量)變化規律，結果表明，在壓比不小于2.5的工況下，以馬赫數相似為基礎的特性曲線繪制方法存在偏差，不再有效，但研究過程僅針對單級渦輪增壓器，并缺少理論分析。吳剛[8]采用理論分析和數值模擬相結合的方法，研究了壓氣機通用特性及進口條件與雷諾數的關系，但研究對象僅為單級壓氣機，研究方法缺少相關試驗，不能反映結果真實性。

綜上，國內外相關研究針對高原環境下單級離心壓氣機特性研究較多，采用方法大多是理論分析和模擬仿真。為了解決柴油機高原環境適應性問題，急需開展兩級離心壓氣機變海拔特性試驗研究。鑒于此，本研究基于自主開發的兩級離心壓氣機變海拔特性試驗臺，進行了高、低壓級壓氣機變海拔(0 m，2 500 m，5 500 m)特性試驗，為改善高海拔兩級增壓器與柴油機匹配特性提供理論指導。

1 高海拔對兩級離心壓氣機影響理論分析

隨海拔升高，大氣壓力和溫度下降，高、低壓級壓氣機進口氣體流動的雷諾數(Re)降低，對氣體黏性阻力影響增大。因此，有必要從理論上分析變海拔下壓氣機進口壓力和雷諾數的變化對兩級壓氣機特性的影響。圖1示出兩級離心壓氣機的布置。

圖1 兩級離心壓氣機布置

1.1 高海拔低氣壓對壓氣機絕熱壓縮功的影響

離心壓氣機主要特性參數包括流量、增壓比、絕熱效率和轉速。增壓比是離心壓氣機關鍵的氣動性能參數之一，表征壓氣機的增壓程度。絕熱效率是離心壓氣機的經濟性指標，壓氣機絕熱效率定義為壓氣機絕熱壓縮功和實際壓縮功的比值。其中，低壓級壓氣機的絕熱壓縮功為

(1)

式中：HLs為低壓級壓氣機絕熱壓縮功；T0為低壓級壓氣機進口溫度；k為空氣絕熱指數，k=1.4；R為空氣氣體常數；πLc為低壓級增壓比。

高壓級壓氣機的絕熱壓縮功為

(2)

式中：HHs為高壓級壓氣機絕熱壓縮功；T1為高壓級壓氣機進口溫度；πHc為高壓級增壓比。

由式(1)、式(2)可知，壓氣機絕熱壓縮功與壓氣機進口溫度、增壓比和氣體絕熱指數有關，其中絕熱指數k是溫度函數。針對壓氣機進口溫度對壓氣機特性的影響研究表明[8]：當空氣溫度從250 K變化到500 K時，空氣絕熱指數k改變量僅為1%。忽略環境溫度對氣體絕熱指數的影響，在變海拔環境下，壓氣機絕熱壓縮功為增壓比和壓氣機進口溫度的函數。若不考慮雷諾數影響，在同一轉速下，僅改變壓氣機進口壓力，根據流動相似原理，壓氣機截面內壓力與進口壓力成正比關系，壓氣機內部溫度、轉速和增壓比不變。在該情況下，壓氣機效率不變，高、低壓級壓氣機進氣流量和消耗功率則隨大氣壓力變化而變化[8]。

1.2 高海拔低雷諾數對兩級離心壓氣機特性的影響

高原環境下，壓氣機進口條件隨海拔而變化，主要變化的參數有進口溫度、進口壓力、進氣密度，對應的空氣黏性、比定壓熱容、比熱容比、普朗特數等也會發生小幅度的變化，壓氣機運行中的微小熱變形影響可以忽略。而通用特性并沒有考慮到工質物性隨進口條件的變化而變化以及雷諾數對于黏性損失的影響。對于同一壓氣機，不考慮壓氣機結構參數變化的高原特性可以表示為[9]

(3)

根據文獻[9]結論，從海拔0 m到4 500 m，工質物理性質Cp變化率為0.2%，k變化率為0.07%，Pr變化率為1%，三者變化率均很小。忽略工質物理性質隨進口條件變化影響，式(3)表示為

(4)

雷諾數理解為氣流慣性力和黏性力的比值，高海拔下雷諾數減小，氣流黏性力增加，壓氣機流道內的附面層增厚，流動阻力增大，壓氣機效率下降。低壓級壓氣機進口雷諾數定義為

(5)

式中：u1為低壓級壓氣機葉輪進口氣體平均流速；D1為低壓級壓氣機葉輪進口輪緣直徑；ρ0為低壓級壓氣機進口空氣密度；μ1為低壓級壓氣機進口動力黏度系數。

(6)

式中：μ0=1.711×10-5Pa·s,C=122 K。

同理，高壓級壓氣機進口雷諾數定義為

(7)

式中：u2為高壓級壓氣機葉輪進口氣體的平均流速；D2為高壓級壓氣機葉輪進口輪緣直徑；ρ1為高壓級壓氣機進口空氣密度；μ2為高壓級壓氣機進口動力黏度系數。

(8)

根據張虹[10]研究，壓氣機的雷諾數僅是壓氣機進口溫度和壓力的函數，即

(9)

式中：ε為壓氣機同一折合轉速時的常數系數。

據此可以推斷，高原雷諾數下降主要是由環境壓力下降導致的。通常認為當雷諾數大于某一臨界值(Re>2×105)時，雷諾數變化不會引起氣體黏性阻力明顯變化，這時壓氣機雷諾數處于自模區。但實際車用增壓器壓氣機葉輪直徑較小，隨著海拔增大，Re不斷減小，壓氣機特性參數均與Re有關，必須考慮Re對壓氣機特性曲線的影響。目前，大多數文獻中雷諾數與壓氣機效率關系表述為

(10)

式中：ηc0，Re0分別為參考點效率和雷諾數；ηc，Re分別為修正點的效率和雷諾數；b，α和n為常數。

由式(10)可知，壓氣機修正點效率和雷諾數改變量有關，同一參考點，隨著雷諾數增加，壓氣機效率降低。文獻[11]研究表明：隨著海拔上升，環境溫度降低對雷諾數影響不大，因此壓氣機壓比和效率基本不受環境溫度影響。根據式(9)推導可得ΔRe=1-p2/p1。對應海拔0 m和5 500 m時壓氣機進口壓力100 kPa和49 kPa時，雷諾數變化差值達51%。

因此，隨著海拔上升，雷諾數明顯降低，低壓級壓氣機流道內的附面層增厚，流動阻力增大。在轉速一定而流量變化時，氣流以更大沖角進入葉輪進口和擴壓器進口，更易引起流道中附面層脫離，使流阻損失急劇上升[11-12]，流量范圍變窄，等熵效率降低，喘振傾向增加。高壓級壓氣機特性參數與低壓級增壓比有直接關系，在變海拔發動機低速時，低壓級增壓比較小，高壓級流量特性參數受海拔影響較大，隨著發動機轉速升高，低壓級壓氣機壓比增大，高壓級壓氣機雷諾數處于自模區，壓氣機流量和效率特性隨海拔變化不大。

2 兩級離心壓氣機特性試驗系統

2.1 試驗樣機

根據某型柴油機變海拔功率恢復需求，匹配了高(KD76GCT)、低壓級渦輪增壓器(KD100GCT)，其中壓氣機特性圖見圖2和圖3。試驗中高、低壓級增壓器結構參數見表1。

圖2 高壓級增壓器KD76GCT壓氣機特性

圖3 低壓級增壓器KD100GCT壓氣機特性

表1 高、低壓級離心壓氣機幾何結構參數

2.2 兩級離心壓氣機變海拔特性試驗臺

對增壓器綜合特性試驗臺進行改造，在壓氣機進口設計節流閥和穩壓箱，通過對海拔0～5 500 m環境壓力模擬，實現對壓氣機進口壓力的調節。兩級離心壓氣機變海拔綜合特性試驗臺主要由進排氣穩壓箱、燃燒室氣體加熱系統、潤滑油系統、測量與數據采集系統、控制系統與管路系統6個部分組成。試驗臺布置結構見圖4。

圖4 兩級離心壓氣機變海拔特性試驗臺

試驗臺架搭建好后，打開進氣穩壓箱(其容積應使氣流速度馬赫數小于0.05)以及進氣穩壓箱連接閥門，通過調節壓氣機端的進氣節流閥控制進氣壓力，以模擬不同海拔環境壓力；通過調節低壓級渦輪端背壓閥控制排氣壓力，以控制試驗過程中壓氣機的工作流量；通過調節渦輪端進氣閥開度或控制噴射進燃燒室的燃油量，以控制渦輪增壓器轉速。協同控制這4個變量來實現對不同海拔進氣條件、不同轉速和不同流量下離心壓氣機特性的試驗。

高、低壓級離心壓氣機變海拔特性試驗依據為JB/T 9752.1—2005《渦輪增壓器 第1部分：一般技術條件》、JB/T 9752.2—2005《渦輪增壓器 第2部分 試驗方法》。試驗圍繞兩級離心壓氣機變海拔環境特性，選取模擬海拔0 m，2 500 m和5 500 m進行重點分析。試驗中，通過控制高、低壓級渦輪VGT葉片開度，調節高、低壓級渦輪的流通能力，分別測得不同轉速下高、低壓級壓氣機特性參數。當壓氣機接近喘振區運行時，應緩慢減少壓氣機空氣流量，測出壓氣機喘振點；當壓氣機接近堵塞區運行時，應緩慢增加壓氣機空氣流量，測出壓氣機堵塞點。測量時喘振點可參照表2和表3。

表2 高壓級壓氣機特性試驗參照工況點(0 m喘振點)

表3 低壓級壓氣機特性試驗參照工況點(0 m喘振點)

3 變海拔兩級離心壓氣機特性分析

將壓氣機質量流量轉換為折合流量的通用流量特性進行分析，當海拔變化時保持壓氣機轉速不變，分析進氣溫度和壓力改變對壓氣機流量特性的影響。壓氣機的絕熱效率可用下式計算：

(11)

式中：H為壓氣機總功；Tk為壓氣機出口溫度；Ta為壓氣機進口溫度。

為了便于比較環境壓力、溫度變化等不同進口條件下壓氣機特性，按照壓氣機實際質量流量特性進行比較。

圖5 不同海拔條件下兩級壓氣機效率-流量曲線對比

從圖5中還可以發現，隨著海拔增加，壓氣機等轉速線(效率-流量)下彎程度增加。下彎程度增加是由于各點ηc變化不同引起的。高海拔下雷諾數的降低對壓氣機氣動性能的影響不容忽視，此時氣流黏性增加，附面層增厚，氣流抗分離能力及抗逆壓能力較差，流阻增加，使得葉輪內部流動惡化。當等轉速線各點效率損失比相同時，ηc0越小，ηc降低越多。

圖6和圖7示出試驗測得的模擬不同海拔進氣條件下低、高壓級離心壓氣機壓比特性對比。從圖6中可以看出，隨著海拔升高，轉速不變情況下低壓級壓氣機進氣質量流量減小，壓氣機進口氣流沖角變大，這就更容易引起附面層脫離，最終導致低壓級壓氣機特性曲線變陡，喘振提早發生，壓氣機工作范圍變小[12]。

圖6 不同海拔條件下低壓級壓比特性對比

在圖6中，當海拔提升，即進氣環境壓力和溫度降低時，同一測量工況點質量流量減少，壓氣機穩定工作流量范圍縮小且向小流量范圍方向移動。這是因為隨著海拔增加，低壓級壓氣機進口空氣密度降低，在相同容積流量情況下，質量流量大幅降低。同時，在高海拔條件下，高壓級壓氣機低轉速時，低壓級壓氣機增壓效果不明顯，隨著高壓級渦輪轉速增加，低壓級壓氣機做功能力增強，使得高壓級壓氣機進口壓力提高，因此，相對于低壓級壓氣機，高壓級壓氣機在高海拔時質量流量減小幅度降低，喘振線斜率較小(見圖7)。

圖7 不同海拔條件下高壓級壓比特性對比

高原環境下，由于雷諾數變化的影響，總體來看，以質量流量參數繪制的通用特性在壓比、效率、效率圈、喘振線、折合流量參數等方面存在差異，這與文獻[7]結論相同。其中，海拔變化對喘振點和堵塞點均有較大影響。與海拔0 m相比較，海拔5 500 m時低壓級壓氣機質量流量減小25%～36%，效率降低1%～3.8%，壓氣機進口氣體雷諾數降低51%。海拔5 500 m時高壓級壓氣機質量流量減小26%～34%，效率降低1%～2.5%，壓氣機進口氣體雷諾數降低35%。

4 結論

a) 變海拔環境下，壓氣機進口壓力、進口溫度和雷諾數與壓氣機特性變化相關；其中，若忽略雷諾數影響，高、低壓級壓氣機絕熱壓縮功為增壓比和壓氣機進口溫度的函數；

b) 隨著海拔升高，高、低壓級離心壓氣機最高效率點向小流量范圍方向移動，壓氣機等轉速線(效率-流量)下彎程度增加；

c) 與海拔0 m相比較，海拔5 500 m時低壓級壓氣機質量流量減小25%～36%，效率降低1%～3.8%，壓氣機進口氣體雷諾數降低51%；海拔5 500 m時高壓級壓氣機質量流量減小26%～34%，效率降低1%～2.5%，壓氣機進口氣體雷諾數降低35%。