非对称进气双面离心压气机工作模式转换机制及先兆流动特征的确定

Centrifugal compressor with double-side impeller, featured with large flow range, small size and excellent dynamic response, will be used widely in engine turbocharging systems because of it can improve the match between compressor and turbine, turbocharger and engine, and create a better condition for exhaust gas processing devices. With the structural feature of the asymmetric intake ducts, the operational mode of double-side centrifugal compressor applied in a turbocharger can change from the parallel mode to single mode with decreasing air flow rate. It is necessary to know the mechanism of changing operational mode for the development of turbocharger with the double-side centrifugal compressor. In this research project, the numerical simulations and experiments will be employed to know the differences in flow structure of two-side rotor channels; investigate the mixture of air from two outlets of double-side rotor to summary up relative mechanism of the mass transfer and energy exchange in diffuser; indicate the appearance location and developing process of the separation flow in diffuser; find out the inceptive flow phenomenas of operational mode change from parallel to single mode and present a design idea to suppress or weaken the separating flow in diffuser. All the work in this project will establish a theoretical basis for key technology of double-side impeller of centrifugal compressor development.

双面离心压气机具有工作范围宽、尺寸小和瞬态响应性好的优点，能够改善压气机和涡轮、增压器和发动机之间的匹配关系，并为发动机后处理装置的使用创造条件，因此具有明确的应用前景。非对称进气是涡轮增压器双面离心压气机的结构特点，随着流量减小，会出现两侧叶轮并行工作模式自动转换成单侧叶轮工作的现象。揭示这种模式转换机制可以推进非对称进气双面离心压气机技术的成熟。为此，拟采用计算和实验方法，明确非对称进气所导致的两个叶轮进口流场在结构上存在的差异，发现这种差异对工作模式转换所产生的影响；研究两个叶轮出口气流在共享扩压器内部的掺混特性，揭示掺混气流在共享扩压器内部的能质传递机理；发现共享扩压器内最初出现分离气团的位置，获得分离气团随流量变化的运动特性；确定代表工作模式转换的先兆流动特征；提出延缓和削弱共享扩压器内部分离流动的设计策略。研究结果将为非对称进气双面离心压气机关键技术的发展奠定理论?基础。

双面离心压气机具有工作范围宽、尺寸小和瞬态响应性好的优点，能够改善压气机和涡轮、增压器和发动机之间的匹配关系，并为发动机后处理装置的使用创造条件，因此具有明确的应用前景。非对称进气是涡轮增压器双面离心压气机的结构特点，随着流量减小，会出现两侧叶轮并行工作模式自动转换成单侧叶轮工作的现象。揭示这种模式转换机制可以为非对称进气双面离心压气机的优化设计打下基础，进而推进非对称进气双面离心压气机技术的成熟。   .本课题通过实验和数值计算的方法研究了非对称进气双面离心压气机内部非轴对称流动及工作模式的转换过程。研究了共享扩压器内高速射流之间的掺混现象，通过Q准则计算了等涡面。研究了非对称进气与蜗壳周向静压畸变的耦合作用下，前/后方叶轮叶片槽道流量分布特性。探讨了流量变化过程中后方弯曲管道内旋涡结构的演化过程及其形成机制。提出了延缓非对称进气双面离心压气机工作模式转化的方法。研究结果表明，弯曲进气管道相对更高的流道损失使后方叶轮流量小于前方叶轮。随着流量减小，后方叶轮进口轮缘首先出现分离区域。双面叶轮从并行工作模式到单侧叶轮工作模式的转换主要取决于后方叶轮的流动状态，是后方叶轮不稳定流动累积到一定程度的体现。弯曲管道出口附近下方区域存在气流交汇现象，导致流动损失增大，总压降低。随着流量减小，两股气流的撞击强度减弱，相应的流动损失降低。在交汇区域气流的作用下，相同周向位置上的叶尖区域轴向速度大幅下降。如果能够改善后方叶轮进口叶尖周向方向上气流的均匀程度，可以拓宽双面离心压气机的稳定工作范围。受进口轴向速度分布不均匀以及扩压器内部静压周向分布形式的共同影响，不同叶片槽道出口流场结构存在着差异。与扩压器内部高静压区域对应的叶片槽道出口尾迹区域增大，与扩压器内部低静压区域对应的叶片槽道出口尾迹区域减小。适当增大后方叶轮半径以及增加叶片数目，或者减小后方叶轮出口后弯角，都可以延缓离心压气机工作模式转换过程，进而拓宽压气机稳定工作范围。.项目研究结果对于改善非对称进气双面离心压气机的性能、完善其设计方法具有指导意义。