摘 要

当今时代，工业发展迅速，汽车行业尤为突出。人们对于汽车的需求越来越大，作为汽车的动力，发动机的发展也越来越受到重视。发动机的增压技术是发动机发展史上一个大的突破，增压系统可以使发动机的性能有很大的提高。因此，发动机增压技术的发展也越来越受到大家的重视。

本文以某款直列4缸涡轮增压燃油直喷发动机所用压气机为研究对象，利用NREC软件研究了离心式压气机部分几何参数对于压气机整体性能上的影响。通过每一次控制不同的输入变量，达到分别研究每一种参数影响效果的目的。

首先，以某款增压发动机为例，通过对发动机的性能指标进行分析，计算求得该机型在某一工况下所需要压气机提供的流量以及压比。其次，根据所需要压气机达到的条件初步设定压气机叶轮的几何参数并记录。然后按照控制变量的方法一次分开研究不同的几何参数各自对于压气机性能的影响。本文研究了压气机叶轮叶片入口边结构角，后弯叶轮叶片出口处的后弯角以及叶片的数量各自的影响结果。

研究结果表明，对于离心式压气机，叶轮入口边结构角、叶片出口后弯角以及叶片数都在不同程度上影响着压气机工作的性能。

关键词：叶轮；压气机；NREC软件；效率

Abstract

Nowadays, industry is developing rapidly, especially in the automotive industry. People's demand for cars is bigger and bigger. As the driving force of automobiles, the development of engines gets more and more attention. The turbocharging technology of engine is a great breakthrough in the history of engine development. The turbocharging system can greatly improve the performance of the engine. Therefore, the development of engine turbocharging technology is attracting more and more attention.

In this paper, the compressor used in a straight 4-cylinder turbocharged fuel direct injection engine is studied. The influence of the geometric parameters of the centrifugal compressor on the overall performance of the compressor is studied by the Concepts NREC software. We can study the effect of each parameter separately by controlling different input variables each time.

First, taking a certain type of turbocharged engine as an example, through the analysis of the performance of the engine, the flow and pressure ratio of the compressor required by the compressor in a certain working condition are calculated. Secondly, according to the conditions required by the compressor, the compressor impeller parameters are preliminarily set and recorded. Then, according to the control variable method, the effects of different geometric parameters on compressor performance are studied separately. In this paper, the effects of inlet and side structural angle of compressor impeller blades, the rear bending angle at the outlet of the curved impeller blades and the number of blades are investigated respectively.

The results show that, for centrifugal compressor, the angle of the inlet side of the impeller, the angle of the blade after the exit and the number of blades all affect the performance of the compressor in varying degrees.

Key Words：impeller；compressor；Concepts NREC；efficiency

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国内研究现状 2

1.2.2 国外研究现状 4

1.3 本文主要研究内容 5

第2章 离心压气机叶轮的设计 7

2.1压气机概述 7

2.1.1 离心式压气机的基本结构 7

2.1.2 离心式压气机的主要性能参数 11

2.2 叶轮设计简介 11

2.2.1 NREC软件简介 11

2.2.2 叶轮NREC设计参数的确定 13

2.3 初始叶轮几何参数的确定 15

第3章 NREC叶轮设计结果分析 20

3.1 叶片入口结构角对叶轮性能的影响 20

3.2 叶片出口后弯角对叶轮性能的影响 22

3.3 叶片数量及叶片形式对叶轮性能的影响 22

第4章 总结与展望 25

4.1 本文的主要结果总结 25

4.2 后续工作展望 26

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

现代社会中，随着工业的不断发展与进步，人们的生活比起以前越来越舒适与方便，生活水平得到了很大的改善。然而，工业技术与经济实力是发展起来了，可是为了获取更多的能量，人们需要不停的消耗大量的资源，这就会导致人们加大对于环境的污染，因为能源消耗是会很大程度上污染环境的。在众多资源能量中，石油作为一种不可再生的能源，一直是受到各国各地使用上的重视的，并且各国也都大力提倡建设节能减排的的绿色社会。以我国为例来说，在我国燃料消耗里面，车用燃料占了将近一半的比例。而且，随着人们物质生活水平的提高以及汽车行业的不断发展，我们对于车辆的使用量必然会增加，从而导致对这部分能源的需求量也大大增加。所以我们必须要重视在汽车领域的节能环保措施。而采用发动机增压技术就是其中的一种措施。

发动机的增压技术对于发动机发展史来说是一项重大的里程碑，这项技术很大程度上提高的发动机工作的性能。增压系统的应用，可以更大程度上满足汽车节能减排和提高动力性能的要求。随着节能环保要求的日益增高，增压器越来越广泛地使用在汽车上。由于内燃机增压技术具有增加内燃机比功率、降低燃油消耗、提高低速转矩性能、改善排放和有利于高原恢复功率等优点，在应用于车用发动机方面一直占有重要地位并保持着强劲的发展势头。增压技术的问世，导致内燃机的动力性、经济性和排放性都有了一个飞跃的进步。在满足同等的功率要求的情况下，采用涡轮增压技术的内燃机排量相对于自然吸气最大可降低大约30%，并且燃油的经济性大约可以提高10%。图1.1是一个典型车用的涡轮增压器在实际工作中的原理图。

图1.1 涡轮增压器工作原理^[1]

作为增压器的主要部件之一的压气机，能够直接影响增压器的工作性能。对于压气机来说，叶轮是一个非常重要的主要元件，叶轮的每一个几何参数都从不同方面影响着压气机整个的工作性能和效率。对于离心式压气机叶轮几何参数优化设计和性能分析的研究，可以研究出对于不同工作情况下的压气机最适合的叶轮几何参数，保证最合适的工作性能。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

对增压器来说，离心式压气机是其中一个核心的部件，重要性无可替代。离心式压气机的组成部分主要是包括了进气道、叶轮、扩压器和蜗壳。到目前为止，国内对于增压器压气机的性能开展了很多的研究工作，研究的方向主要是集中在高效率、高压比、大流量等方面。Honeywell，Borgwarner，湖南天雁，北京理工大学等增压器研发、生产企业和科研院校在压气机空气动力学方面开展了许多研究工作。2003年，杨策等人^[2]在工程热物理学报中介绍了一个带有分流叶片的小流量离心压气机的设汁过程，简要介绍了离心压气机设计系统，其中包括初步没计及优化模块，性能仿真模块，叶轮造型模块，并使用三维N-S方程对所设计的离心压气机在设计点的性能进行了计算，计算结果表明他们所设计的离心压气机基本能够满足设计要求。2004年，张虹^[3]选定主要的研究对象为涡轮增压器中最重要的核心零部件，即离心压气机叶轮，研究内容包括了离心压气机的叶轮设计、分析和制造过程，深入细致地研究之后还建立了一套对实际生活应用非常适合的、完整的车用涡轮增压器离心压气机，研究得出结论，对于压气机的叶轮来说，存在的最主要的应力是离心力，还有一部分是由于气动力而产生的压力载荷以及热应力，这一部分应力相对较小，但是却不容忽略，彻底的热分析是存在一定难度的，因为很难直接把叶轮轮背的边界条件给确定下来，很多时候都需要采取一些特定的测试手段来加以验证。2005年，张虹等人^[4]在北京理工大学学报中发表的论文里提到过相关的研究，论文是针对车用涡轮增压器，对于压气机中叶轮的几何参数的优化设计方法进行了深入研究，并且还分析了不同几何参数对压气机工作性能上的不同程度的影响，同时还建立了一套针对压气机叶轮几何参数设计系统的优化策略。并通过具体实例计算，对比了不同参数对叶轮性能的影响。通过调整叶片的进口角度、出口角度、进口直径、出口宽度以及叶片出口叶尖间隙等方法进一步提高了压气机性能。研究所建立的这种叶轮几何参数优化设计方法，适用于车用涡轮增压器离心压气机的几何参数优化和性能预测。2007年，张虹等人^[5]在《内燃机工程》期刊中的研究是采用了有限元分析的方法来处理计算结果，结果找到了对于车用增压器压气机而言，压气机的叶轮应力集中的位置所在，同时还提出了怎样改变叶轮的几何参数来达到减小集中应力的效果，提出并且研究了叶片气动载荷以及温度场这两个因素对压气机叶轮应力变化的影响，最终总结了车用增压器离心式压气机叶轮强度分析的过程和方法。2014年，靳军等人^[6]采用了一维平均流线法的计算方式，针对某款离心式压气机，研究计算了不同转速下压气机的工作特性，并且得到了不同转速的压气机的性能曲线，具有较高的参考价值。研究结果表明：后弯叶轮叶片出口后弯角角度提高10°，100％转速下最多可以降低压比9.9％；而90％转速下最多可以降低效率1.5％。前弯叶轮叶片出口前弯角角度提高10°，90％转速下最多能够提高7.4％的压比；在80％转速下效率最多能够降低1.4％。同年，汪陈芳^[16]针对发动机的高原适应性的研究论文，提出了一条新思路，即从对于增压压气机的变海拔工况设计来改进增压发动机，使发动机在海拔有高低变化的情况下也能正常运行。研究中提到了叶片前掠的方法以及轮盖导叶的方法，这两种方法均是为了增压压气机的变海拔流场控制。2015年，高宇彬等人^[7]在《车用发动机》中发表论文，论文内容是采用五轴铣数控的加工技术，研究对于较复杂叶片型面可以采取的加工方法，如何规划叶轮加工过程中的加工参数，例如刀路轨迹等。并且更加深入地针仿真加工与实物加工过程中可能会有的问题和难点进行了讨论，结合压气机叶轮几何设计，以满足气动性能要求为前提，通过调整不同设计参数来达到改善加工质量的目的，为考虑加工因素的压气机叶轮多学科优化策略提供了有参考价值的依据。2016年鲁萍等人^[8]在《机械工程师》报告中，以某一设计工况点设计的压气机为研究对象，研究目的是提高压气机在不同转速下的工作性能，分别分析了叶轮叶片入口直径、入口叶横角以及入口叶尖角等不同因素各自对离心压气机性能的影响，并提出了优化结果。与原设计模型作对比，优化之后的压气机在低转速下增加了1.3%的效率，压比也有5.3%的上升，并且扩大了流通范围，使压气机在低速工况下的工作性能大有提高。同年，芦建斌^[9]基于计算流体力学分析工具ANSYS中的组件BladeGen对叶轮模型进行参数化建模，并分别完成不同参数叶轮模型和流道模型的建立，对车用涡轮增压器压气机叶轮的工作进行仿真。2017年，叶涛、陈飞^[10]以某款涡轮增压压气机为研究对象，为了建立叶轮的几何模型，采用了逆向工程技术中的三维扫描的方法反求压气机叶轮，并且在此基础上，还对叶轮的几何型线进行了参数化拟合，并利用人工神经网络和遗传算法的原理对叶轮进行了气动优化设计，优化的目标是压气机的效率与压比。优化结果表明：优化后，叶轮的气动性能可以有很大的提高，在设计点叶轮优化之后的效率比原初始模型提高了2.01%，压比比原初始模型提高了12%，并且一定程度上提高了综合稳定裕度。同年，蔡鹏^[13]结合了拉丁超立方实验设计、三维流场分析、Kriging模型和多目标遗传算法等多种优化方法，以提高效率、提高压比、加宽工作裕度的多目标优化为优化目标，进行了压气机叶轮的优化设计。该研究的优化结果显示，相比研究中的初始选定压气机，在设计工况点有4.23%的效率提升和4.39%的压比提升，并且还有其他工况点的内部流动以及压气机整体性能的改善。

1.2.2 国外研究现状

针对离心压气机串列叶轮，德国Josuhn-Kadner等^[11]试验发现诱导轮和导风轮之间周向相对位置对离心压气机总压比影响较小，当在导风轮距诱导轮叶片吸力面 27%叶片栅距时串列叶轮通过改善出口流场而明显扩宽了压气机的工作范围；加拿大Pamp;W公司Roberts和Kacker^[11]认为串列叶轮在所有周向布局下效率都低于常规叶轮，且对串列叶轮，其压比、等熵效率等性能参数在没有周向偏置时最好，而当导风轮距诱导轮叶片压力面 25%叶片栅距时叶轮出口流场最为均匀；德国Erdmenger和Michelassi^[11]研究得到了与 Roberts 和 Kacker 类似的结论，但他们认为在没有周向偏置时叶轮出口流场最为均匀且在 50%叶片栅距偏置时串列叶轮有最大工作范围。美国IHPTET计划开展的相关研究中，利用串列叶栅理论改善了离心叶轮出口流场品质，使离心压气机压比和效率大幅提高。2005年，Zeyda A,Al-Suhaibani^[12]比较了一系列的叶轮的旋转速度试验数据。四种不同的离心叶轮及其在太阳能发电机组测试版本。这项研究包括200个数据点，其中包括不同转速下的各种叶轮结构，这为推广结果提供了更大的便利性。这些测试结果显示了原始的压缩机和修改后的叶轮配置之间的性能差异。2009年，J. Galindo等人^[13]提出潮中成为一个提高小型柴油机系统的设计的限制因素，利用稳定的气室对脉动流的影响进行了研究，并对其进行了改进，产生了类似发动机的脉动流，研究得到的结果在内燃机增压应用中具有相关性：与提供稳定的气室获得的压缩机流程图相比，改进后的压气机存在较大的喘振裕度。因此，压气机压比可以在不经历喘振的情况下增加。2014年，Silvia Marelli等人^[14]在热那亚大学工作展开的测量实验，调查了汽车的涡轮增压器在稳态和非稳态流动状况中的情况，结果是压气机的非定常流动性能偏离相应的稳态。围绕稳态曲线的磁滞回线总是可以检测到的，其面积随着涡轮增压器转速和平均质量流量的增加而增加，在强脉动流动条件下，即使压缩机瞬时工作在喘振线的左侧，压缩机也能进行平均稳定运行。2016年，Vanyashov A.D等人^[15]对离心式压气机在转速和导风轮转速变化的控制方式下的试验数据进行了分析。得到了叶轮入口截面沿叶片高度的攻角分布，另外，考虑到沿叶片高度的流动参数的空间分布，所获得的实验数据处理的结果可以作为叶片入口导向叶片单元构造的改进，可用于在叶轮前保持非均匀流动涡流，从而可以提高调节模式的效率阶段。同年，Chi Li等人^[16]采用有限元分析方法，考虑了离心载荷和空气动力载荷对叶轮寿命的影响，分析了工业实践和应用中离心压气机叶轮疲劳寿命评估。利用有限元方法分析了含裂纹叶轮模型的局部应力与裂纹尺寸之间的定量关系。结果，与仿真所设定的工作条件相比，FV520B叶轮叶片的实际运行条件要复杂得多，实际操作中的所有影响因素不能被完全地考虑到。因此，需要用合成的外部影响来精炼FEA模型的单元网格，并且产生更精确的预测。此外，所提出的仿真模型是不通用的。一个更精确的模型，需要仔细考虑结构、材料特性和工作条件。该模型还需要包括叶轮叶片可能遭受的多种竞争失效模式。同年，Shigetaka Okano与Shinji Kobayashi^[17]研究了压气机叶轮焊接变形的生成特性。研究了马氏体不锈钢的材料模型，考虑了温度依赖性和相变，进行了有效的焊接热弹塑性分析。通过比较焊接接头的温度分布、焊接引起的纵向残余应力和角变形对板焊接接头的影响，建立了数值模型。在压气机叶轮制造过程中，高精度的控制对于保证高性能和防止运行中的老化失效至关重要。

1.3 本文主要研究内容

为了使涡轮增压器对于发动机的作用更加优良，设计更高经济性和更加高效的压气机就是必然要走的道路。本文主要以某款离心式压气机为研究对象，利用NREC软件对其内部叶轮的几何参数进行优化设计与性能上的分析，分析归纳不同几何参数的改变会给整个压气机的工作性能带来不同的影响以及能达到的优化效果。具体研究内容如下：

（1）根据离心式压气机的工作原理和压气机中叶轮的结构特点，依据某款型号的增压器的结构参数和运行参数，利用Compal模块初步建立起初始叶轮的一维模型。

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