高原高压比增压器气动设计报告x.docx

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高原高压比增压器气动设计报告

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目录

一、设计要求 1

1.1设计指标 1

1.2几何约束条件 1

二、柴油发动机设计参数推测 3

三、压气机设计点选择与一维设计 6

3.1压气机设计点选择 6

3.2压气机一维设计 8

四、涡轮设计点选择与一维设计 9

4.1涡轮设计点选择 9

4.2涡轮一维设计 11

五、压气机详细设计 12

5.1压气机三维详细设计结果 12

5.1.1压气机叶轮和扩压器设计结果 12

5.1.2压气机蜗壳设计结果 12

5.1.3压气机机匣处理 13

5.2压气机设计工况CFD分析 14

5.3压气机性能预估 16

六、涡轮设计 18

6.1涡轮三维详细设计 18

6.2设计工况CFD分析 19

6.3涡轮性能曲线预估 20

结论 22

附表 23

一、设计要求

1.1设计指标

（1）压气机约束目标：

压气机叶轮进口根部直径为60mm，叶轮外径≤290mm，叶轮流道轴向长度

≤105mm，最高实际转速40000 rpm。

压比5.5时，转速≤38000rpm。

尺寸限制详见附件1。

具有进气再循环（机匣处理）结构。

试验标准大气状况：

大气压力为100kPa，环境温度为25℃。

乙方设计的压气机叶轮、叶轮罩壳、扩压器和蜗壳应满足甲方的加工设备和结构

强度要求。

（2）涡轮约束目标：

轴流涡轮，涡轮内径≥175mm，涡轮动叶片加喷嘴环叶片轴向宽度≤80mm。

涡轮当量通流面积120cm2-139cm2（该值为设计建议值，配机时允许超出范围）。

乙方设计的涡轮动叶片、喷嘴环叶片应满足甲方的加工设备和结构强度要求。

（3）设计目标：

设计需满足以下三个工况点的要求：

（a）工况点1：

压比4.4，流量4.0kg/s，压气机效率≥79%，涡轮效率≥75%，增压器总效率≥59.5%，等压比喘振裕度≥15%；

（b）工况点2：

压比5.0，流量4.4kg/s，压气机效率≥80%，涡轮效率

≥75%，Pk/Pt（压气机出口压力/涡轮进口压力）1.25-1.35（该值为设计建议值，配机时允许超出范围），增压器总效率≥59.5%，等压比喘振裕度≥15%；

（c）工况点3：

压比5.5，流量4.8kg/s，压气机效率≥79% ，涡轮效率≥75%，增

压器总效率≥58.5%，等压比喘振裕度≥15%。

1.2几何约束条件

几何约束条件见图1。

图1压气机和涡轮几何约束条件

64

二、柴油发动机设计参数推测

由于缺少发动机设计参数，并且企图反推发动机设计者在设计时使用的“设计值”是徒劳的！

这里，我们仅根据大连机车研究所提供的试车数据，寻找出该发动机试车性能表现最佳的某工况点，将其暂时称为“设计点”，并将此工况点作为增压器设计的依据。

大连机车研究所提供的12V265发动机参数有：

发动机缸数i 12

缸径D（mm） 265

冲程S（mm） 300

冲程数c 4

发动机设计转速r/min 1000

油耗率设计值（g/kW） 200

由此可算出：

每秒循环数nc（1/s） 100

单缸几何容积v

（m3） 0.0165

E

发动机容积通量V（m3/s） 1.6546

依据大连机车研究所提供的发动机试车数据整理后可得，图2燃油消耗率与单缸单循环喷油量的关系。

参考该图，发动机单缸单循环供油量qC设计值取为1.67g。

2.500_

4100m

2.000_

4600m

1.500_

1.000_

0m

0.500_

柴油机转

0.000_

160.0_170.0_180.0_190.0_200.0_210.0_220.0_230.0_240.0_250.0_260.0_270.0_280.0_

燃油消耗

图2燃油消耗率与单缸每循环喷油量的关系

发动机油耗量Q的设计值用下式算出，

Q=3.6ncqC=100´1.67´3.6=601.2

发动机功率N的设计值用下式算出，

kg/h

单缸每循环喷油

N=1000Q/q=3006 kW

发动机油耗量Q完全燃烧所需理想空气流量Ga用下式算出，Ga=14.3Q/3600=2.388kg/s

依据大连机车研究所提供的发动机试车数据整理后可得过量空气系数与燃油消耗率的

关系（图3）。

该图显示，此发动机燃烧室在过量空气系数a»2.0时，发动机燃油油耗率

q»200。

图3过量空气系数与燃油消耗率的关系

发动机所需的空气质量流量GT，

GT=aGa=2´2.388=4.776

kg/s

由此可推算发动机进气密度g2参数，

g2=

GT

jVE

式中，j为假定的气缸充气效率，本计算假定j=0.96。

由密度g2可推算中冷器出气压力，即发动机进气压力P2，P2=Rg2T2=293.13

式中，依据提供的试车数据设定中冷器排温，T2=340

K；R=287.3

参照大连机车研究所提供的发动机试车数据，设定中冷器压力损失DP»5

P1=P2+5=298.13 kPa

kPa，则

这是发动机要求的理想进气压力。

依据大连机车研究所提供的发动机试车数据整理后所得的中冷器损失（图4）可知，设定

DP»5似乎偏小。

但笔者认为，这可能是测量或清洗问题。

图4中冷器压力损失

由于扫气系数很难准确估计。

上面的算法所得流量实际意义不大，只能用于计算压气机出口压力。

为此，我们采用气耗率来对发动机进气流量来进行计算。

对于高原发动机，需采用较

高压比的增压器，应适当降低气耗率。

对于该发动机我们认为y=6.7

kg/kW/h的气耗率较合适。

发动机3000kW时的空气消耗量为：

Gc=yN/3600=6.7´3000/3600=5.58kg/s

单台增压器流量2.79kg/s

三、压气机设计点选择与一维设计

3.1压气机设计点选择

机车发动机在海拔高度运行时，大气压力不同。

为保证不同海拔高度时压气机出口压力P1均为298.13kPa，压气机将在不同的pc工作，详见表1。

表1发动机设计点不同海拔高度压气机参数

0m

2000m

3500m

4000m

5000m

标准大气压力 kPa

101.3

79.5

65.85

61.7

54

标准大气温度 K

288

275

265.5

262

256

-#,##0.0.

压气机压比

压气机压比

2.94

3.75

4.53

4.83

5.52

压气机出口压力kPa

298.13

压气机流量kg/s

2.79

压气机压比

2.94

3.75

4.53

4.83

5.52

压气机折合流量

0.467

0.582

0.690

0.732

0.827

压气机折合流量

#,##0.00;[Re30]-#,##0....

#,##0.00;[Re1]-#,##0.0...

#,##0.00;[Re30]-#,##0....

#,##0.00;[Re1]-#,##0.0...

..

#,##0.00;[Re2]

#,##0.00;[Re2]-#,##0.0...

2000m

#,##0.00;[Re3]-#,##0.0...

#,##0.00;[Re3]-#,##0.0...

4000m

3500m

#,##0.00;[Re4]-#,##0.0...

5000m

#,##0.00;[Re4]-#,##0.0...

#,##0.00;[Re5]-#,##0.0...

0m

图5绘出压气机折合流量与压比的关系。

在不考虑压气机与涡轮，及发动机与增压器共同工作关系时，呈线性变化关系。

图5压气机折合流量与压比的关系

考虑到压比越高，压气机进口马赫数越高，为了降低进口马赫数，选择了压比5.5作为压气机一维设计设计点。

表2压气机设计点参数：

进气压力kPa

54

进气温度 K

256

流量 kg/s

2.79

压比

5.50

转速 rpm

37000

效率

≥79%

功率 kW

564.6

喘振裕度

≥15%

折合流量

0.827

折合转速

2332

该设计点换算到一个大气压，298K时，与大连机车所给的设计点基本一致，所以最终选择了合同中的工况点三作为压气机的一维设计点。

3.2压气机一维设计

压气机子午面基本几何参数见表3。

一维设计完成后，利用软件对压气机性能进行了预估，所得性能曲线见图6。

从软件的计算结果来看，机组具有较宽的喘振裕度，压比5.5时，达到了23%，超过设计要求值15%，另外两个工况点的喘振裕度也大于设计要求值。

虽然设计工况只有0.8的效率，但是37000rpm的等转速线上，最高效率点达到了0.82，在后期三维详细设计时，可通过对叶片的调整使该等转速线上的最高效率点向流量4.8kg/s靠近。

机组最高效率达到了0.84以上，对该流量下的高压比离心压气机来说，已经非常高，说明该压气机一维设计结果较好，能满足设计要求。

表3压气机一维设计结果

名称

数值

单位

流量

4.8

kg/s

压比

5.5

转速

37000

rpm

一维预估效率

0.801

进口叶根半径

60

mm

进口叶尖半径

97.8

mm

叶尖平均马赫数

1.26

叶轮出口半径

145

mm

叶轮出口宽度

13.5

mm

叶轮叶片数

9+9

叶尖间隙

0.3

mm

扩压器叶片进口半径

168.2

mm

扩压器叶片出口半径

203.5

mm

蜗壳进口半径

220

mm

扩压器叶片高度

12.5

mm

扩压器叶片数

17

mm

四、涡轮设计点选择与一维设计

图6压气机一维预估性能曲线

4.1涡轮设计点选择

依据大连机车研究所提供的发动机试车数据整理后，可得增压器转速与机械传动效率的关系。

从图7可知，在增压器设计转速附近，滑油油温正常后，设定机械传动效率hm»0.96。

图7增压器转速与机械传动效率

表4发动机设计点不同海拔高度涡轮参数

0m

1000m

2000m

3000m

3500m

4000m

5000m

标准大气压力 kPa

101.3

89.9

79.5

70

65.9

61.7

54