蜗壳结构参数对离心式压气机性能的影响

董素荣熊春友林春成刘楠王航刘瑞林

（1.军事交通学院；2.康跃科技股份有限公司）

蜗壳结构参数对离心式压气机性能的影响

董素荣1熊春友1林春成1刘楠1王航2刘瑞林1

（1.军事交通学院；2.康跃科技股份有限公司）

为研究压气机蜗壳结构参数对离心式压气机性能的影响而设计了两款不同面径比的压气机蜗壳，并在增压器性能试验台上进行试验研究。结果表明，与匹配Ⅰ型蜗壳的压气机相比，匹配Ⅱ型蜗壳的压气机增压比、流量和绝热效率均提高：不同转速下，最大增压比提高1.44%～3.86%，最大流量增加3.85%～10.71%，且高转速下增幅明显；压气机最高效率由72%提高到74%；压气机喘振线更加平滑，无明显拐点，低转速下喘振线向大流量方向偏移量较少，而高转速下与之相反。

1 前言

提高柴油机的动力性、经济性及降低排放是研究人员不断追求的目标，而增压技术是提高柴油机性能的主要技术手段之一[1]。离心式压气机是车用柴油机增压器的核心部件之一，压气机的结构参数对压气机绝热效率、压比、流量范围影响很大[2～4]，进而影响压气机与柴油机的合理匹配。发动机进气所需的气流在经过离心压气机的叶轮和扩压器后，仍然有较高的速度，而压气机蜗壳的作用就是收集从扩压器出来的空气，将其引导到发动机的进气管，并充分利用气流的动能提高进气压力。蜗壳对于整个压气机效率以及稳定工作范围都有很大的影响[5,6]。本文对装配不同蜗壳的离心式压气机性能进行试验，探讨蜗壳结构参数（面径比A/R、扩压直径）对离心式压气机性能的影响。

2 试验系统与试验方法

2.1 试验系统

压气机性能试验在增压器性能试验台架上进行，该试验台架智能化程度较高，能够自动探寻压气机不同转速下的喘振点和最大流量点，并记录相关检测数据，生成压气机特性曲线。

2.2 试验对象

图1为两款压气机蜗壳（简称Ⅰ型和Ⅱ型）的截面图，蜗壳面径比A/R示意如图2所示。两款压气机蜗壳结构参数见表1。

表1 两款压气机蜗壳的结构参数

2.3 试验方法

a.压气机特性试验按标准大气状态折合转速进行。折合转速以适当的间隙（一般为10 000 r/min）分档，测量范围可以从最高允许转速（一般取110%标定转速）到最低使用转速（一般取50%标定转速），或从最低使用转速到最高使用转速测5～10条等折合转速线。本试验转速取为60 000 r/min、80 000 r/min、100 000 r/min、110 000 r/min、120 000 r/min。

b.试验时，每条折合转速线均从喘振点到堵塞流量选7个测量点逐点测量，在参数可测定的范围内，测点间距尽可能均匀。当压气机接近喘振区运行时，自动缓慢减少压气机空气流量，测出压气机喘振点。

c.试验时，每个测点取值应在试验控制参数调整到规定值并且稳定60 s后才能进行测量。

d.试验控制参数：机油进口温度设置为70℃，机油出口温度≤120℃，机油进口压力为0.35 MPa，增压器进口温度设置为600℃。

3 压气机的特性

压气机的主要性能参数有增压比π*c、空气流量Gc、绝热效率ηc和转速nc。压气机的特性曲线是指在不同转速下π*c、ηc随Gc的变化关系曲线，其反映了压气机的性能和与柴油机的匹配关系[7]。

π*即为压气机出口压力和进口压力之比：

Gc是指单位时间内流经压气机的空气质量。压气机实测流量按下式换算到折合流量：

ηc是衡量压气机设计与制造完善程度的重要指标，其计算公式为：

式中，K为空气绝热指数，K=1.40；为压气机出口总温；为压气机进口总温。

nc由实测转速按式（4）换算得出：

式中，ncnp为折合转速。

4 试验结果与分析

图3为装配Ⅰ型蜗壳的压气机特性曲线。可知，最大压比为2.85，流量范围为0.05～0.28 kg/s，最高效率为72%；最高效率圈内压气机压比在1.58～2.80之间，流量在0.18～0.25 kg/s之间；在压比大于2.0时，喘振线向流量增大的方向迅速偏移，以致形成易喘振区域。

图4为装配Ⅱ型蜗壳的压气机特性曲线。可知，装配Ⅱ型蜗壳的压气机最大压比达到2.96，最大流量达到0.30 kg/s；压气机最高效率达到74%，74%效率圈对应的压比在1.6～2.0之间，流量范围为0.14～0.18 kg/s；压气机喘振线基本为斜率一定的直线。

由图3和图4对比可知，与匹配Ⅰ型蜗壳的压气机性能相比，匹配Ⅱ型蜗壳的压气机增压比、流量和绝热效率均增大，且具备如下特征：

a.不同转速下，最大增压比提高1.44%～3.86%，且除60 000 r/min外其它转速下最大压比增大幅度接近，平均增大3.64%；最大流量增加3.85%～10.71%，其中高转速（11 000～120 000 r/min）流量增加明显，平均增加9.06%。

b.压气机最高效率由72%提高到74%，最高效率（74%）圈覆盖的增压比范围1.6～2.0，流量范围0.14～0.18 kg/s；72%效率圈向低增压比、小流量方向扩展，其中增压比从1.58扩展到1.38，流量从0.13 kg/s扩展到0.11 kg/s。

c.压气机特性曲线中喘振线更加平滑，100 000～120 000 r/min转速下喘振线无明显拐点，60 000～100 000 r/min转速下喘振线向大流量方向略有偏移；在100 000～120 000 r/min转速下阻塞线向大流量方向偏移较多。

由此可见，调节压气机蜗壳的面径比A/R和扩压器直径，可以改变压气机的特性曲线形状，从而调整压气机与发动机的联合运行区域。

5 结束语

对装配不同面径比A/R、不同扩压直径压壳的压气机进行了试验研究，得到如下结论：

a.适当提高压气机蜗壳的面径比A/R和扩压直径，可以提高压气机的增压比、流量及绝热效率。

b.增大压气机蜗壳面径比A/R和扩压直径，可使压气机的喘振边界和阻塞边界均向大流量方向偏移，但阻塞边界偏移量明显大于喘振边界偏移量。

c.在涡轮增压器其它结构参数不变的情况下，调节蜗壳的结构参数可改变压气机特性曲线形状，使压气机与发动机匹配更加合理。

1 陆家祥.柴油机涡轮增压技术.北京：机械工业出版社，1999.

2 汤惠,宁方飞.叶片扩压器倒角对压气机性能影响的数值研究.航空动力学报,2012,27（10）:2297～2306.

3 彭森,杨策,马朝臣，等.前倾角对离心压气机叶轮性能的影响.清华大学学报（自然科学版）,2005,45（2）：250～253.

4 杨策,胡辽平,马朝臣，等.叶片弯曲程度对离心压气机性能的影响.北京理工大学学报,2004,24（12）:1062～1069.

5 蒋德明.内燃机的涡轮增压技术.北京:机械工业出版社, 1986.

6 朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器.北京:机械工业出版社, 1992:171～173.

7 GB T23341.2-2009涡轮增压器第2部分：试验方法.

（责任编辑晨 曦）

修改稿收到日期为2015年4月1日。

Influence of Volute Shell Structural Parameter on Performance of Centrifugal Compressor

Dong Surong1,Xiong Chunyou1,Lin Chuncheng1,Liu Nan1,Wang Hang2,Liu Ruilin1
（1.Military Transportation University;2.Kangyue Turbocharger Company）

In order to study the influence of volute shell structure parameters on the performance of centrifugal compressor,two types(type I and type II)of volute shells with differentA/Rare designed,which are tested on turbocharger performance test bench.The results show that,compared with compressor with type I volute shell,pressure ratio,flow and heat insulation efficiency of compressor with type II volute shell are higher.At different speeds,the maximum pressure ratio increases by 1.44%～3.86%,the largest flow increases by 3.85%～10.71%,and the magnitude of the increase is larger under high speed.Compressor maximum efficiency increases from 72%to 74%,the compressor’s surge line is smoother without obvious inflexion and is slightly shifted to the large flow direction at low speed,while the blocking line shifted to the large flow direction obviously at high speed.

Centrifugal compressor,Performance,Volute shell,A/R

离心式压气机 性能 压气机蜗壳 面径比

U464

A

1000-3703（2015）10-0041-03