变海拔两级离心压气机特性试验研究

张众杰，刘瑞林，杨春浩，张君仪，焦宇飞，蔡骏，夏南龙

(1.陆军军事交通学院，天津 300161；2.海军工程大学，湖北 武汉 430033; 3.南开区新闻中心，天津 300161;4.江苏凯迪航控系统股份有限公司，江苏 无锡 214161)

涡轮增压技术是柴油机高原恢复功率的主要技术之一，但随着海拔增加，空气密度迅速减小，压气机效率下降，流量范围变窄，喘振倾向增加[1]。匹配大流量增压器能在一定程度上扩宽压气机流量范围，但该方法无法兼顾柴油机高、低转速工况，在高海拔低转速时，排气能量较低，不能有效提高柴油机的增压压力。可变截面增压器(VGT)能够根据柴油机工况自由调节涡轮有效流通面积，提高排气能量利用率，但受到压气机压比和流量范围限制，在更高海拔下柴油机功率恢复有限[2]。两级可调增压器具有高压比、宽流量特点，能够根据海拔和工况特点有效分配涡轮功，确定最佳增压比分配，全面提升柴油机高原功率[3]。

压气机作为增压器主要部件，其性能的改善对于提高柴油机高原功率至关重要。根据国内外学者研究结果可知，离心式压气机特性随海拔的变化，主要是由雷诺数变化引起的，而以马赫数相似为基础的特性曲线绘制图法不再有效[4]。丰镇平[5]基于等效管流模型，提出了离心式压气机特性雷诺数修正公式和高原准则相似特性转化方法，但重点集中在压比3.0以下70 mm尺寸压气机，而对大功率柴油机所用 90～140 mm 高压比压气机未有涉及。徐斌[6]分析了不同海拔下压气机处于非自模区的流量界限，并采用相似模型理论推导出高原涡轮增压器效率修正公式，但研究仅集中在压气机效率一个特性参数，且压气机叶轮直径均小于50 mm。李书奇[7]采用试验手段分析比较了高原环境下压气机四种流量特性(相似流量、体积流量、折合流量、实际流量)变化规律，结果表明，在压比不小于2.5的工况下，以马赫数相似为基础的特性曲线绘制方法存在偏差，不再有效，但研究过程仅针对单级涡轮增压器，并缺少理论分析。吴刚[8]采用理论分析和数值模拟相结合的方法，研究了压气机通用特性及进口条件与雷诺数的关系，但研究对象仅为单级压气机，研究方法缺少相关试验，不能反映结果真实性。

综上，国内外相关研究针对高原环境下单级离心压气机特性研究较多，采用方法大多是理论分析和模拟仿真。为了解决柴油机高原环境适应性问题，急需开展两级离心压气机变海拔特性试验研究。鉴于此，本研究基于自主开发的两级离心压气机变海拔特性试验台，进行了高、低压级压气机变海拔(0 m，2 500 m，5 500 m)特性试验，为改善高海拔两级增压器与柴油机匹配特性提供理论指导。

1 高海拔对两级离心压气机影响理论分析

随海拔升高，大气压力和温度下降，高、低压级压气机进口气体流动的雷诺数(Re)降低，对气体黏性阻力影响增大。因此，有必要从理论上分析变海拔下压气机进口压力和雷诺数的变化对两级压气机特性的影响。图1示出两级离心压气机的布置。

图1 两级离心压气机布置

1.1 高海拔低气压对压气机绝热压缩功的影响

离心压气机主要特性参数包括流量、增压比、绝热效率和转速。增压比是离心压气机关键的气动性能参数之一，表征压气机的增压程度。绝热效率是离心压气机的经济性指标，压气机绝热效率定义为压气机绝热压缩功和实际压缩功的比值。其中，低压级压气机的绝热压缩功为

(1)

式中：HLs为低压级压气机绝热压缩功；T0为低压级压气机进口温度；k为空气绝热指数，k=1.4；R为空气气体常数；πLc为低压级增压比。

高压级压气机的绝热压缩功为

(2)

式中：HHs为高压级压气机绝热压缩功；T1为高压级压气机进口温度；πHc为高压级增压比。

由式(1)、式(2)可知，压气机绝热压缩功与压气机进口温度、增压比和气体绝热指数有关，其中绝热指数k是温度函数。针对压气机进口温度对压气机特性的影响研究表明[8]：当空气温度从250 K变化到500 K时，空气绝热指数k改变量仅为1%。忽略环境温度对气体绝热指数的影响，在变海拔环境下，压气机绝热压缩功为增压比和压气机进口温度的函数。若不考虑雷诺数影响，在同一转速下，仅改变压气机进口压力，根据流动相似原理，压气机截面内压力与进口压力成正比关系，压气机内部温度、转速和增压比不变。在该情况下，压气机效率不变，高、低压级压气机进气流量和消耗功率则随大气压力变化而变化[8]。

1.2 高海拔低雷诺数对两级离心压气机特性的影响

高原环境下，压气机进口条件随海拔而变化，主要变化的参数有进口温度、进口压力、进气密度，对应的空气黏性、比定压热容、比热容比、普朗特数等也会发生小幅度的变化，压气机运行中的微小热变形影响可以忽略。而通用特性并没有考虑到工质物性随进口条件的变化而变化以及雷诺数对于黏性损失的影响。对于同一压气机，不考虑压气机结构参数变化的高原特性可以表示为[9]

(3)

根据文献[9]结论，从海拔0 m到4 500 m，工质物理性质Cp变化率为0.2%，k变化率为0.07%，Pr变化率为1%，三者变化率均很小。忽略工质物理性质随进口条件变化影响，式(3)表示为

(4)

雷诺数理解为气流惯性力和黏性力的比值，高海拔下雷诺数减小，气流黏性力增加，压气机流道内的附面层增厚，流动阻力增大，压气机效率下降。低压级压气机进口雷诺数定义为

(5)

式中：u1为低压级压气机叶轮进口气体平均流速；D1为低压级压气机叶轮进口轮缘直径；ρ0为低压级压气机进口空气密度；μ1为低压级压气机进口动力黏度系数。

(6)

式中：μ0=1.711×10-5Pa·s,C=122 K。

同理，高压级压气机进口雷诺数定义为

(7)

式中：u2为高压级压气机叶轮进口气体的平均流速；D2为高压级压气机叶轮进口轮缘直径；ρ1为高压级压气机进口空气密度；μ2为高压级压气机进口动力黏度系数。

(8)

根据张虹[10]研究，压气机的雷诺数仅是压气机进口温度和压力的函数，即

(9)

式中：ε为压气机同一折合转速时的常数系数。

据此可以推断，高原雷诺数下降主要是由环境压力下降导致的。通常认为当雷诺数大于某一临界值(Re>2×105)时，雷诺数变化不会引起气体黏性阻力明显变化，这时压气机雷诺数处于自模区。但实际车用增压器压气机叶轮直径较小，随着海拔增大，Re不断减小，压气机特性参数均与Re有关，必须考虑Re对压气机特性曲线的影响。目前，大多数文献中雷诺数与压气机效率关系表述为

(10)

式中：ηc0，Re0分别为参考点效率和雷诺数；ηc，Re分别为修正点的效率和雷诺数；b，α和n为常数。

由式(10)可知，压气机修正点效率和雷诺数改变量有关，同一参考点，随着雷诺数增加，压气机效率降低。文献[11]研究表明：随着海拔上升，环境温度降低对雷诺数影响不大，因此压气机压比和效率基本不受环境温度影响。根据式(9)推导可得ΔRe=1-p2/p1。对应海拔0 m和5 500 m时压气机进口压力100 kPa和49 kPa时，雷诺数变化差值达51%。

因此，随着海拔上升，雷诺数明显降低，低压级压气机流道内的附面层增厚，流动阻力增大。在转速一定而流量变化时，气流以更大冲角进入叶轮进口和扩压器进口，更易引起流道中附面层脱离，使流阻损失急剧上升[11-12]，流量范围变窄，等熵效率降低，喘振倾向增加。高压级压气机特性参数与低压级增压比有直接关系，在变海拔发动机低速时，低压级增压比较小，高压级流量特性参数受海拔影响较大，随着发动机转速升高，低压级压气机压比增大，高压级压气机雷诺数处于自模区，压气机流量和效率特性随海拔变化不大。

2 两级离心压气机特性试验系统

2.1 试验样机

根据某型柴油机变海拔功率恢复需求，匹配了高(KD76GCT)、低压级涡轮增压器(KD100GCT)，其中压气机特性图见图2和图3。试验中高、低压级增压器结构参数见表1。

图2 高压级增压器KD76GCT压气机特性

图3 低压级增压器KD100GCT压气机特性

表1 高、低压级离心压气机几何结构参数

2.2 两级离心压气机变海拔特性试验台

对增压器综合特性试验台进行改造，在压气机进口设计节流阀和稳压箱，通过对海拔0～5 500 m环境压力模拟，实现对压气机进口压力的调节。两级离心压气机变海拔综合特性试验台主要由进排气稳压箱、燃烧室气体加热系统、润滑油系统、测量与数据采集系统、控制系统与管路系统6个部分组成。试验台布置结构见图4。

图4 两级离心压气机变海拔特性试验台

试验台架搭建好后，打开进气稳压箱(其容积应使气流速度马赫数小于0.05)以及进气稳压箱连接阀门，通过调节压气机端的进气节流阀控制进气压力，以模拟不同海拔环境压力；通过调节低压级涡轮端背压阀控制排气压力，以控制试验过程中压气机的工作流量；通过调节涡轮端进气阀开度或控制喷射进燃烧室的燃油量，以控制涡轮增压器转速。协同控制这4个变量来实现对不同海拔进气条件、不同转速和不同流量下离心压气机特性的试验。

高、低压级离心压气机变海拔特性试验依据为JB/T 9752.1—2005《涡轮增压器 第1部分：一般技术条件》、JB/T 9752.2—2005《涡轮增压器 第2部分 试验方法》。试验围绕两级离心压气机变海拔环境特性，选取模拟海拔0 m，2 500 m和5 500 m进行重点分析。试验中，通过控制高、低压级涡轮VGT叶片开度，调节高、低压级涡轮的流通能力，分别测得不同转速下高、低压级压气机特性参数。当压气机接近喘振区运行时，应缓慢减少压气机空气流量，测出压气机喘振点；当压气机接近堵塞区运行时，应缓慢增加压气机空气流量，测出压气机堵塞点。测量时喘振点可参照表2和表3。

表2 高压级压气机特性试验参照工况点(0 m喘振点)

表3 低压级压气机特性试验参照工况点(0 m喘振点)

3 变海拔两级离心压气机特性分析

将压气机质量流量转换为折合流量的通用流量特性进行分析，当海拔变化时保持压气机转速不变，分析进气温度和压力改变对压气机流量特性的影响。压气机的绝热效率可用下式计算：

(11)

式中：H为压气机总功；Tk为压气机出口温度；Ta为压气机进口温度。

为了便于比较环境压力、温度变化等不同进口条件下压气机特性，按照压气机实际质量流量特性进行比较。

图5 不同海拔条件下两级压气机效率-流量曲线对比

从图5中还可以发现，随着海拔增加，压气机等转速线(效率-流量)下弯程度增加。下弯程度增加是由于各点ηc变化不同引起的。高海拔下雷诺数的降低对压气机气动性能的影响不容忽视，此时气流黏性增加，附面层增厚，气流抗分离能力及抗逆压能力较差，流阻增加，使得叶轮内部流动恶化。当等转速线各点效率损失比相同时，ηc0越小，ηc降低越多。

图6和图7示出试验测得的模拟不同海拔进气条件下低、高压级离心压气机压比特性对比。从图6中可以看出，随着海拔升高，转速不变情况下低压级压气机进气质量流量减小，压气机进口气流冲角变大，这就更容易引起附面层脱离，最终导致低压级压气机特性曲线变陡，喘振提早发生，压气机工作范围变小[12]。

图6 不同海拔条件下低压级压比特性对比

在图6中，当海拔提升，即进气环境压力和温度降低时，同一测量工况点质量流量减少，压气机稳定工作流量范围缩小且向小流量范围方向移动。这是因为随着海拔增加，低压级压气机进口空气密度降低，在相同容积流量情况下，质量流量大幅降低。同时，在高海拔条件下，高压级压气机低转速时，低压级压气机增压效果不明显，随着高压级涡轮转速增加，低压级压气机做功能力增强，使得高压级压气机进口压力提高，因此，相对于低压级压气机，高压级压气机在高海拔时质量流量减小幅度降低，喘振线斜率较小(见图7)。

图7 不同海拔条件下高压级压比特性对比

高原环境下，由于雷诺数变化的影响，总体来看，以质量流量参数绘制的通用特性在压比、效率、效率圈、喘振线、折合流量参数等方面存在差异，这与文献[7]结论相同。其中，海拔变化对喘振点和堵塞点均有较大影响。与海拔0 m相比较，海拔5 500 m时低压级压气机质量流量减小25%～36%，效率降低1%～3.8%，压气机进口气体雷诺数降低51%。海拔5 500 m时高压级压气机质量流量减小26%～34%，效率降低1%～2.5%，压气机进口气体雷诺数降低35%。

4 结论

a) 变海拔环境下，压气机进口压力、进口温度和雷诺数与压气机特性变化相关；其中，若忽略雷诺数影响，高、低压级压气机绝热压缩功为增压比和压气机进口温度的函数；

b) 随着海拔升高，高、低压级离心压气机最高效率点向小流量范围方向移动，压气机等转速线(效率-流量)下弯程度增加；

c) 与海拔0 m相比较，海拔5 500 m时低压级压气机质量流量减小25%～36%，效率降低1%～3.8%，压气机进口气体雷诺数降低51%；海拔5 500 m时高压级压气机质量流量减小26%～34%，效率降低1%～2.5%，压气机进口气体雷诺数降低35%。