高空车出租， 从化高空车出租， 增城高空车出租 高空车发动机的非对称双流道涡轮机效率预测理论? 1 涡轮性能的一般规律: 不同运行状况下，气流进入状态、涡轮转速和膨胀比等对于涡轮匹配及设计非常关键。涡轮流通能力性能采用涡轮等膨胀比曲线下的最高效率点进行评价，它本质上揭示了涡轮性能同涡轮流量参数变化的趋势。涡轮流量参数𝑀̇可由式定义： 𝑀̇=𝑃√𝑇 其中，𝑚̇是涡轮质量流量，T和P分别为涡轮机进口处气体的温度和压力。 为了发现涡轮效率随流量参数的版画趋势，对涡轮匹配多个不同大小流道的涡轮机进行测试，它展示了某涡轮匹配不同大小涡壳时测试得到的涡轮流通能力性能对比。可以看出，当涡轮同小关键截面流道的涡壳匹配时，效率随流量参数的增加而逐步升高；当涡轮同大关键截面流道的涡壳匹配时，效率随流量参数的增加呈降低趋势；当涡壳流道关键截面同涡轮喉部面积相近时，涡轮效率随流量参数的增加变化较小。为了剖析效率同流量参数的变化机理， CFD模拟是一种高效的方式，还可以对涡轮性能进行预测评估。涡轮效率表征的是气体膨胀过程中做功的利用率，它取决于整个涡轮级各个位置的能量损失。而涡轮叶轮进出口处的能量损失是影响涡轮效率的主要因素, 所以研究涡轮进出口的能量损失对涡轮的效率预测具有重要意义。
(1) 涡轮进口处的能量损失 : 涡轮叶轮中的能量损失主要由入射损失、通道损失和叶尖间隙损失组成。对于小型径向涡轮来说，叶顶间隙流动损失较大，但涡轮转子损失中最主要的部分是由流体摩擦引起的入射损失和通道损失。涡轮进口入射损失是废气进入涡轮的方向同涡轮叶片进口结构角不匹配造成的，废气必须从流入涡轮的气流方向转向叶片通道要求的方向，这导致了涡轮叶片通道内的气体流动分离，增加叶片通道内的摩擦损失。所以，入射损失和通道损失相互关联。为了量化进气攻角的能量损失，常用的做法是利用经验推导出的关联式来进行预 测。 通常采用涡轮叶轮进口处的气流速度三角形来评价入射损失。涡轮叶轮进口的三种速度三角形：锐角三角形、钝角三角形和直角三角形。 当相对气流速度的切向分量(Wθ4 )为零，即入射角i=0时，速度三角形为直角三角形。理论上，气体进入涡轮的角度同涡轮叶轮进口叶片角度相同，即90°径向进气时，是最理想的进口气流角度。另外，对于直角三角形和零入射角情况，相同径向速度Cr4下的相对气流速度W4最小，相对气流速度W4的降低可以减少叶片通道内的摩擦损失。20世纪60年代，涡轮设计初期一般都首选直角三角形和零入射角作为气流角，但后来发现，由于气流从叶尖到轮毂的速度迅速减小，气体进入叶片通道后产生交叉通道力，使得气体在吸力面附近产生流动分离。因此，对于径向涡轮通常不采用零入射角。 当相对气流速度的切向分量(Wθ4)不为零且与叶片旋转方向相反(圆周速度U4)，即入射角i<0时，速度三角形为锐角三角形。小的负入射角可以使前缘吸力面上的流动循环和分离最小，这有利于降低能量损失。过大的负入射角会导致压力面前缘的流动分离，气体也可能会在尾缘处重新附着形成均匀流动。 当相对气流速度的切向分量(Wθ4)不为零且指向叶片的旋转方向(圆周速度U4)，即入射角i>0时，速度三角形为钝角三角形。此时，正入射角会使得气流在通道内产生很强的内循环流，从而在吸力面处产生气流分离，这种分离一直延续到涡轮尾缘且没有再附着，所以这种情况下气体能量损失最大。 入射损失通常与涡轮进口处的绝对气流角α4、入射角ἰ4和叶片载荷系数Ψ这三个参数相关。涡轮进口处的绝对气流角α4是气流绝对速度C4和涡轮径向之间的夹角，一般75°左右为宜；入射角是涡轮进口气流相对速度W4和涡轮径向之间的夹角，一般在-20°~-40°之间；简化的叶片载荷系数可用涡轮进口处绝对气流速度的切向分速度Cθ4与涡轮叶尖处的圆周速度U4的比值来表示，一般取0.9左右为宜。三个参数取最优值(α4=75°，ἰ4=-20°，Ψ=0.91)时形成的一个最佳的负入射角的速度三角形。这意味着在涡轮转速一定时，如果涡轮进口气流速度及入射角同最优的速度三角形不同，涡轮运行将会产生过多入射损失以及气流在叶片通道内的摩擦损失。而涡轮的转速一般是由压缩机决定的，因此对于涡轮的特定流量参数需求，涡壳流道流通截面过大和过小都会使得进口速度三角形偏离最优状态，增大涡轮入射损失，导致涡轮效率降低。
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(2) 涡轮出口处的能量损失 : 涡轮级等熵效率反映的是气体膨胀做功的有效利用率，它通常与涡轮出口处的切向速度𝐶5、涡轮出口处的绝对速度𝐶5和涡轮出口处的相对速度𝑊5有关。 涡轮出口处的速度三角形。 涡轮出口处的切向速度与涡轮的转矩和功率有关。出口处绝对速度的大小表示了气体通过涡轮后的剩余动能。如要进一步回收涡轮出口处气体的能量，通常需要在涡轮叶轮的下游布置动力回收装置（如复合动力涡轮机或两级增压系统中的低压涡轮机）。叶轮出口处的相对速度虽不直接影响功率提取，但根据达西-韦斯巴赫方程可知，相对速度可表征气流在叶片通道内表面摩擦的大小。为了更好的理解能量损失机理，可以对涡轮出口处的气流速度三角形进行分析。 涡轮出口气流速度三角形为锐角三角形时，气流绝对速度的切向分速𝐶5同涡轮旋转线速度(U5)的方向相同，因此这种速度三角形也被称为正旋流型。由牛顿定律或欧拉方程可得到公式： 𝑇𝑞=𝑚̇(𝑈4𝐶𝜃4−𝑈5𝐶𝜃5) 其中Tq为涡轮从气体能量中获得的扭矩。当气流离开涡轮时，气体绝对速度的切向分速(正旋速度)𝐶5会使得角动量增加，导致涡轮从气体能量中获得的扭矩和功率降低。因此，锐角气流速度三角形会降低涡轮效率。 涡轮出口气流速度三角形为直角三角形时，气流绝对速度的切向分量𝐶5=0。由连续方程可得到： 𝑚̇=𝐴5𝑎𝑛𝑛𝐶𝑎5𝜌5 其中𝐴5𝑎𝑛𝑛为涡轮出口由轮毂和轮缘组成的圆环面积，𝜌5为涡轮出口气流密度。 涡轮出口处气流绝对速度的轴向分速与涡轮流量目标相关。此时，气流绝对速度𝐶5是沿着轴向的，即𝐶5=𝐶𝑎5。对于给定的涡轮质量流量目标，直角速度三角形能够使涡轮出口处的气流绝对速度最小，从而使得涡轮出口处的动能损失最小。对于下游没有其他能量回收装置的单级涡轮增压，不能进一步回收涡轮出口处气体中的动能。因此，在涡轮出口处形成气流速度直角三角形可提高涡轮效率。 涡轮出口气流速度三角形为钝角三角形时，气流绝对速度的切向分速𝐶5同涡轮旋转线速度(U5)的方向相反。根据欧拉方程(2-2)，涡轮叶轮可以从气流能量中提取更多的功。但是对于相同的涡轮流量（相同的𝐶5），钝角速度三角形会产生过高的相对气流速度W5，加剧气流在叶片通道内的摩擦损失，降低涡轮效率。 很显然，叶轮出口处的气流速度三角形为直角三角形，即叶轮出口处的涡旋速度𝐶5 =0时，径向涡轮出口流动状态表现最优。但是对于径流涡轮机，在特定膨胀比的条件下，这种流动状态只能在特定流量参数条件下可以获得，高于或者低于该流量参数都将导致涡 轮出口流动状态恶化。而发动机的运行状态很宽泛，因此无法让发动机所有运行工况下的涡轮出口流动状态都达到最优。因此，通常只能考虑在发动机关键运行点下的涡轮出口气流状态达到最优，并以此作为初始设计目标。
上述分析基于简单的涡轮叶片通道平均线速度三角形展开。由于涡轮进出口处的气流运动是三维流动的状态（在子午面内的速度三角形并不都一致），所以真实的气体动力学状态要比这种简单分析处理复杂的多。然而，这种分析方法在一定程度上仍然可以解释涡轮机效率的变化规律。 通过分析涡轮进出口处的气流速度三角形，可以发现涡轮的能量损失机理。对于这个现象可以做如下解释：当涡壳流道的关键截面过小时，流道中的废气从涡壳进入叶轮喉口处时，大部分废气能量被转换为动能，使得涡轮进出口处的速度三角形呈锐角三角形。此时的涡轮效率较低，且涡轮效率随流量参数呈增加趋势；当涡壳流道关键截面逐步增大时，涡壳进出口处的气流速度三角形会逐步达到最优的组合状态，即涡轮进口气流速度三角形趋于最优状态的锐角三角形，涡轮出口气流速度三角形接近直角三角形。此时涡轮效率随流量的变化变得平坦，且效率较高。如果再此基础上继续增大涡壳流道的关键截面，涡轮进出口速度三角形将开始逐步转化为钝角三角形，涡轮效率将随流量的增加呈下降趋势。涡轮效率预测曲线(TEPC)，这是对所有匹配方案的流通能力测试点进行拟合形成的，它可以更加形象的展现涡壳流道的关键截面与涡轮效率之间的变化规律。显然，对于径流涡轮，涡轮效率与流量参数之间的变化规律近似呈抛物线。 根据上述方法，选取了康明斯涡轮增压技术有限公司的多个涡轮及多个关键截面大小不同的涡壳进行匹配测试，并对他们各自所获得的流通能力测试点进行了曲线拟合，获得了多个涡轮的TEPC曲线。各TEPC曲线中，同测试点的最大效率偏差约为4%，因此根据这些TEPC曲线，对特定涡轮在不同流量参数需求下的涡轮效率预测精度较高。该种预测方法体现了径流涡轮的一般流动特点和规律，是一种简单有效的预测方法。如果将所有的涡轮的TEPC曲线的数据进行收集，可以形成一个供匹配计算调用的涡轮性能预测数据库，为非对称双流道涡轮机早期的匹配计算提供有效支持。
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