脉冲来流下两级涡轮非定常流动机理及增效方法研究

Turbocharging is key technology for internal combustion engine downsizing to save energy and reduce emissions. Two-stage turbocharging and turbocompounding are future directions for advanced turbocharging technology. The developments of the two technologies lead to wide application of two-stage turbine on the internal combustion engine. Engine pulsating exhaust causes significant unsteady flow loss in the turbine, which is a bottleneck to further improve engine performance. The studies on turbine unsteady flow and control methods under pulsating flow conditions become international frontier and hot issue currently. The proposal firstly intends to explore the mechanism of the propagation and evolution of the pressure wave in the two turbines systems. It is emphasized to disclose the complex coupling relationships among the inter-stage pressure fluctuation, inlet pulse characteristic, geometry parameters of two turbines and geometry parameters of intermediate duct. Secondly, the influences of the amplitude, phase and frequency of the inter-stage pressure on the high pressure turbine flow loss and inter-stage flow field will be studied. The influences of the varying inter-stage flow field on the flow loss in the downstream low pressure turbine will be investigated. Lastly, control methods will be proposed to adjust the inter-stage pressure fluctuation and the inter-stage flow field, in order to improve the total efficiency of the two turbines. The findings can push the development of the key technology for energy saving and emissions reduction in internal combustion engine. Part of the results also provides useful guidelines for the design of multi-stage axial turbine in the pulse detonation engine.

涡轮增压是内燃机缩小排量的节能减排关键技术，而两级涡轮增压和涡轮复合等节能技术是先进涡轮增压的发展方向，两者共同促进了两级涡轮系统在内燃机上的广泛应用。内燃机脉冲排气导致涡轮内部非定常流动损失显著增加，是限制发动机性能进一步提高的瓶颈，研究脉冲来流下涡轮非定常流动及控制方法成为当前的国际前沿和研究热点。本课题拟探索脉冲压力波在两级涡轮系统的传播及演变机制，重点揭示级间压力波动与进口脉冲特征、两级涡轮几何参数、级间导管几何参数之间的复杂耦合关系；研究级间压力波动幅值、相位和频率等因素对上游高压级涡轮内部流动及级间流场时空变化的影响机理，研究级间流场时空变化对下游低压级涡轮流动损失的影响机理；提出通过调整级间压力波及级间流场变化以提高两级涡轮总效率的流动控制方法。课题研究成果可促进内燃机节能减排关键技术的发展，相关理论可拓展应用于航空脉冲爆燃发动机多级轴流涡轮的设计。

内燃机涡轮复合技术通过动力涡轮回收排气能量显著提高燃油经济性，然而脉冲排气导致两级涡轮内部非定常流动损失显著增加，是限制排气能量回收率的瓶颈。尽管国内外对脉冲来流下的涡轮内部流动特性与机理开展了大量研究，但均聚焦于单级涡轮，缺乏针对多级涡轮系统研究。本项目围绕脉冲来流下两级涡轮系统耦合特性、流动损失机理与控制方法三个方面开展了研究。.首先，建立了两级涡轮膨胀比分配理论分析模型，揭示了进口压力变化与级间压力、两级涡轮面积比之间的复杂耦合关系。此外，揭示了脉冲频率和幅度对两级涡轮非定常特性的影响，当脉冲频率从20Hz增加到100Hz时，高压级转子瞬时峰值扭矩增加了14.9%，主要原因为高频率增大了进口压力波与级间压力波的相位差；脉冲条件下两级涡轮负荷分配偏离定常值，偏离现象随脉冲幅度的提高而增强；低压级涡轮对脉冲来流的敏感性更大，当脉冲幅度系数为1.6时，低压级涡轮转子效率下降达8.1%。.其次，定量分析了脉冲来流下蜗壳、高压级转子、中间导管、低压级静子和转子五个部件的瞬时功率损失，发现脉冲幅度对低压级涡轮转子的影响尤其明显，且80%以上的流动损失发生在10-60%的脉冲周期内。发现低压级涡轮转子进口攻角变化范围沿叶高方向增大，在90%叶高位置，进口攻角在一个脉冲周期内的变化范围达到-41°到52°，导致叶尖处存在显著的流动损失。.最后，提出了转子叶尖前缘角度与厚度联合控制方法，降低了低压级涡轮转子叶尖处对进口攻角的敏感性，在大负荷脉冲来流条件下转子平均效率提高了2.27%；提出通过低压级涡轮喷嘴环开度动态调整两级涡轮负荷，使高压级涡轮瞬时效率略微下降而低压级涡轮效率显著提升。.研究成果可用于涡轮复合内燃机、两级增压内燃机等领域，为高效排气涡轮系统的设计提供理论基础，并可扩展应用于航空脉冲爆燃发动机的多级涡轮系统设计。.本项目以第一作者发表学术论文6篇，其中SCI论文5篇；授权发明专利2项，申请发明专利3项。