專業英語大作業

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跨聲速汽車高壓比壓氣機渦輪增壓器內燃機的研究和開發鄭鑫前，張楊俊，楊明陽汽車安全和能源國家重點實驗室，清華大學，北京100084,中國2009年10月27日收到,2010年5月4日接收引言：渦輪增壓器離心壓縮機所需的壓力比與內燃機功率密度增加。高壓縮比造成葉輪跨聲速流 場中跨聲速流穩定流量范圍和deteriorates階段效率的減小。在這種工作條件下，一個先進 的高壓比壓氣機設計完成。實驗結果表明：渦輪增壓器的最人壓力比約為4.2,最大效率答 8()%以上，設計的轉速率可達到穩定流呈范用的34%左右。調杳證明這種跨聲速壓氣機渦倫 增壓器已經在一些汽車上應用，而且使功率提高了 40%o 關鍵詞：渦輪增壓器、內燃發動機(IC)、壓縮機、高壓比、跨聲速1介紹：渦倫增壓內燃機木身就是一件古老的引擎。人多數今天生產制造的所有型號、人小的柴汕 內燃機都使用渦輪增壓而R自然吸氣柴油發動機的生產比過去更容易。渦輪增壓也越來越多 的應用于汽油引擎。渦輪機是由壓縮機和渦輪增壓器組成的。壓縮機是由渦輪機從廢氣小抽 収能量帶動的。與自然吸氣發動機相比較，渦輪增壓機的好處是功率增加，油耗減少和排放 減少。而對近些年來能源枯竭和II益嚴重的環境污染問題，在未來屮，渦倫增壓技術會變得越來 越重要。高壓縮比渦輪增壓技術是實現柴汕機的功率增大、減少排放、人人提高發動機經濟 性和減少二氧化碳排放冃標必不可少的技術。特別是用高壓縮比來彌補高廢氣循環率和氣缸 容積的減小而造成的功率和氣缸工作容積損火，因此功率峰值就顯得很特殊。另外，高增壓 比是高空作業必不可少的，尤具是對高空無人機引擎而言。然而，高壓比造成在壓縮機中流速接近音速，造成復朵的流動現象，像使邊界層震動交互 影響，縮小壓縮機的穩定流量范圍，使車輛內燃機操作困難。擁冇高壓縮比的渦輪增壓器已 經在船舶發動機上發展起來。然而，壓縮機在汽車上的穩定流量范圍比在船舶上的寬一些。 鄭教授改進的壓縮比為4.0： 1的接近音速的離心壓縮機是以壓縮比為3.5： 1的內燃機為基 礎的。盡管壓縮比和壓縮效率己經提高，但它的流速范圍卻并沒有增寬。圖1展示的是以報 道的內燃機的性能為參考。擁有高壓縮密度的現代汽車功率運行線在壓氣機特性1111線中沒有 表示出來。在高壓縮比的壓氣機特性曲線當中運行線左邊部分表示由于受到沖擊穩定運行是 不可能的。因此，由于達到最高水平的高壓縮比壓縮機的設計與發展加強后的特性111!線是主 要的發行物。為了使壓縮機達到這個要求，擁有較寬的流速范圍的跨聲速離心壓縮機被設計 和發展起來。2完整的三維幾何設計：離心壓縮機由三部分組成：葉輪，擴壓器和蝸殼。首先，在NERC概念中仁寶模塊, 一個渦輪增壓器專家設計了一個軟件用來優化-?維關鍵兒何參數和性能預測。圖2展示 了優化參數之后的初特性滿足設計要求。但是，通過取決于三位兒何設計的以為仁寶模 塊無論最后的空氣動力學性能能否達到性能預測的那樣，特別是設計形狀復朵的葉輪形 狀。之后，Axcent?模塊概念NREC?被用來設計葉輪的三維幾何，它基于三部分：輪廓 設計，槳葉角分布和葉片厚度分布。接下來，來解釋基本原理和設計規則。刀翼形狀的輪廓對于壓縮機的性能有很大的幫助。關于跨聲速離心壓縮機，進口葉尖 的相對馬赫數對性能起了很重要的作用。確定進口葉尖半徑的原則是通過是進口馬赫數 最小來減小激波強度，通過機翼前緣到葉輪喉部的流入量不能被計算的太多。誘導葉片 應該是直的其至是負彎Illi的。對于這個設計，葉輪廓坡率從0%到20%而且在屮間和結 束部分的斜率增加。為了避免流動間隔，機翼前緣的曲線率和葉倫廓和屮心倫廓的示緣 應盡可能的小。對于跨聲速流壓縮機，它的葉輪廓前緣的Illi線率通常為0為了避免或減 小由激波造成的流量間隔。根據歐拉方程，葉片角度決定了葉片加載，特別是在頂峰位置。葉片包角和葉片傾斜 角度遵從槳葉角的分布。因為次音速壓縮機的壓縮比低，其最人載荷一?般位于平均徑向 距離。對于跨聲速壓縮機，它的最大載荷位于其平均徑向距離的60%到80%處，這意味 著故大葉片角位于其70%到80%的位置撮大葉片角與葉片后緣角存在10°<0°的差值。葉片應力和顫動對于發動機的可靠性是非常重要的，特別是對于跨聲速壓縮機而言。 葉片厚度的分布規律可能會影響葉片的強度和對小氣動性能的影響，特別是対亞音速壓 縮機而言。對于跨聲速壓縮機，具前緣的厚度應盡可能的薄為了減少誘導輪屮的流動加 速。屮葉倫的振動頻率和材料疲勞由錐速度分布決定決定，而錐速度又由葉片倫廓和倫 轂的葉片厚度所決定。根據上述跨聲速壓縮機設計的原則，Axcent單元被用來完成跨聲速壓縮機的幾何設 計。(圖 3 以展示)主要的兒何參數有:Rlt/R2=0.73; Rlh/R2=0.23;B2/R2=0.12; R5/R2=1.52 Rlt是位于入口處葉倫的齒頂圓角半徑；Rih是位于入口處葉片的中心半徑；R2是出口 處葉片的半徑；B2是出口處葉片的寬度；R5是出口處擴壓器的半徑。葉片的倒角是38 。然而，這種早期的一步是極人地影響后續數值的迭代，通過完全三維計算流體動力學在 隨后的數據模擬中取得成果。為了進一步擴展跨聲速離心壓縮機的穩定流量范圍，自行循環套管應川也被研究和采 用。套管應丿IJ的結構參數在圖4屮展示。對個別參數的影響進行全面詳細的分析之后， 給出了這種葉倫機的優化兒何參數：Sr=l 1 mm, br=5 mm, hb= 13 mm, bb=8 mm,Sf=15 mm, hf=10mmo在原因可以理解的范圍中，參數變化分析的詳細描述已忽略。3完整的三維CFD流分析在前面的段落中，跨聲速壓縮機的設計原則已被討論。壓縮機的兒何形狀已被確定，自 行再循壞套管應用的結構也已被確定。壓縮機的幾何形狀對性能的影響并不是孤立的血 是彼此之間相互作用影響的。對于跨聲速流壓縮機，它的空氣動力學性能比幾何參數更 敏感。因此，一維或三維的流速分析已成功的應用在亞音速壓縮機上。完整的三維CFD 分析工具應該用來分析流場和優化幾何。事實上，上面所有的幾何參數是根據以往的完 整的三維流場數值模擬的優化設計的結果。盡管在演算的過程中花費的時間很多，全面 分析仿真必須包括葉輪、擴壓器、蝸殼和SCRTo解算器適用于基于3 d穩定的可壓縮流體流動有限體積格式使用CFD代碼來解決 Reynolds-averaged方程。中央計劃被用于空間離散化當執行前面時間離散化的指令時。 單方程一等式模型被應用于湍封閉。沿速度方向的總溫度和總壓力是進口邊界條；靜壓 力設置為出口邊界條件。對于堅實的管壁無滑動和不滲透。葉輪和蝸殼之間的接口用凍 結轉子法來建模。角變化的流動數量超過了可以忽略的水平，是本研究工作的對象。因此， 旋轉系統相對處標的計算，然而，本地傳輸流數量沒有改變葉輪和蝸殼的相對位置。在此次流動模擬測試中最重要的是網狀SRCT的網格質雖。一般來說，對于CFD解 算器來說最重要的步驟是將單元尺寸歸納為數值問題。至于單元尺寸，SRCT和通道網 通常差界顯著；因此匹配這兩個網格挑戰性的問題。圖5舉例說明了拓補的葉尖間隙網 格方法在這項工作中是 關?鍵?詞： 專業 英語 作業

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總結

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