涡轮增压技术是内燃机节能减排、满足未来严格排放法规的核心关键技术之一。随着能源与环境问题的日益凸显，要求柴油机不断提高增压比，同时汽油机采用涡轮增压技术缩小排量也成为各大汽车企业的战略选择，这就对离心压气机的稳定工作范围提出了更高的要求，使得离心压气机的流动稳定性问题非常突出，成为制约内燃机节能减排的主要瓶颈之一。 涡轮增压离心压气机蜗壳结构在周向上固有的非对称性，导致压气机在非设计工况下流场结构周向不均匀；但传统流动控制措施都是基于轴对称假设，忽略了此流场结构的非对称性。申请人基于涡轮增压离心压气机固有的非对称流场特征，提出了非对称流动控制思想。扩压器是影响涡轮增压离心压气机稳定性的关键部件之一；本项目基于上述思想，探索非对称扩压器的扩稳机制及扩稳新方法，以期实现涡轮增压离心压气机稳定工作范围的大幅度拓宽，从而满足高增压柴油机和涡轮增压汽油机对离心压气机宽广工作范围的迫切需求。 本项目主要取得了以下五点创新性成果：1）通过试验获得了涡轮增压离心压气机从低转速到高转速的动态特性及失稳模式，建立了涡轮增压离心压气机稳定性模型，揭示了涡轮增压离心压气机复杂失稳模式的物理机理；2）通过试验及非定常数值仿真，获得了涡轮增压离心压气机无叶扩压器内部的非对称流场结构；3）基于涡轮增压离心压气机无叶扩压器内部的非对称流场结构，建立了非对称无叶扩压器设计准则，提出并发展了涡轮增压离心压气机非对称无叶扩压器流动控制新方法，试验结果表明稳定工作范围提高了28.3%；4）通过定常和非定常数值仿真，获得了涡轮增压离心压气机有叶扩压器内部的非对称流场结构、畸变传播规律及其对压气机性能的影响；5）基于涡轮增压离心压气机有叶扩压器内部的非对称流场结构、畸变传播规律，提出并发展了涡轮增压离心压气机非对称有叶扩压器流动控制新方法，试验结果表明稳定工作范围提高了23.5%。 本项目发表学术论文24篇（含2篇录用），其中SCI收录16篇；在本领域Top1期刊ASME Journal of Turbomachinery发表论文5篇（含1篇录用）。授权美国发明专利1项、中国发明专利1项、日本发明专利5项。获国家科技进步二等奖1项，国防科技进步一等奖1项，国防科技进步三等奖1项。 2100433B

涡轮增压技术是内燃机节能减排、满足未来严格排放法规的核心关键技术之一。随着能源与环境问题的日益凸显，要求柴油机不断提高增压比，同时汽油机采用涡轮增压技术缩小排量也成为各大汽车企业的战略选择，这就对离心压气机的稳定工作范围提出了更高的要求，使得离心压气机的流动稳定性问题非常突出，成为制约内燃机节能减排的主要瓶颈之一。.涡轮增压离心压气机蜗壳结构在周向上固有的非对称性，导致压气机在非设计工况下流场结构周向不均匀；但传统流动控制措施都是基于轴对称假设，忽略了此流场结构的非对称性。申请人基于涡轮增压离心压气机固有的非对称流场特征，提出了非对称流动控制思想。扩压器是影响涡轮增压离心压气机稳定性的关键部件之一；本项目基于上述思想，探索非对称扩压器的扩稳机制及扩稳新方法，以期实现涡轮增压离心压气机稳定工作范围的大幅度拓宽，从而满足高增压柴油机和涡轮增压汽油机对离心压气机宽广工作范围的迫切需求。

突扩扩压器在环形扩压器进口有一个前置扩压器，在其出口突然扩张并产生一对大旋涡，用来缩短扩压器长度，突扩扩压器对进口流场变化不敏感。

中文名称

突扩扩压器

英文名称

dump diffuser

定　　义

在环形扩压器进口有一个前置扩压器，在其出口突然扩张并产生一对大旋涡，用来缩短扩压器长度，突扩扩压器对进口流场变化不敏感。

应用学科

航空科技（一级学科），推进技术与航空动力装置（二级学科）

扩压器研究对象

研究对象原型为JP88型无叶扩压离心压气 机，设 计 转 速 70000r/min，设 计 质 量 流 量0．3k_g/s。在原型基础上，基于CFD分析和优化，进行了进口导叶及叶片扩压器的设计。为了保持原有压气机的总体结构，叶片扩压器的高度与原无叶扩压器高度相同。

扩压器数值模型

数值方法与计算网格

本文采用FINE/TURBO进行压气机的三维流动计 算 分 析。控 制 方 程 为 三 维 Re_ynolds时 均Navier－Stokes方程湍流模型选择Spalart－Almaras模型。计算采用中心差分格式离散控制方程，用四阶Runge－Kutta法进行时间推进求解并结合当地时间步长、隐式残差光顺技术和多重网格技术以加速收敛。计算网格采用块结构化网格。对比计算中，原无预旋、无 叶扩压器 的 压 气 机 计 算 网 格 总 数 为890526，引入叶片导叶和叶片扩压器的压气机计算网格总数为1115060，其中叶轮网格完全相同。计算网格的壁面_y值约为8，满足低雷诺数S_palart－Almaras湍流模型对于黏性网格的要求。对半径为90mm的离心压气机进行了数值分析和优化，其中的数值分析所得到的压气机性能与试验结果吻合非常好，验证了数值方法的正确性。本文采用同样的方法和相似的计算网格，可以认为结果具有较高的可信度。

边界条件与收敛判据

压气机进口参数皆相同，对应的进口总压为101325Pa，总温为293K，气流方向为轴向进气，固壁采用绝热无滑移边界条件。指定转速下，压气机工况特性线通过逐渐提高压气机出口背压的方法获得。

根据推进求解过程中计算所得的压气机进出口流量、总体性能（包括效率和总压比）的变化特性判定计算收敛性。计算所得的压气机进出口流量相对误差小于0．5%，且对应的压气机总性能（进口流量、出口流量、效率及压比）在足够长的推进时间内不发生变化或出现小幅周期振荡均认为收敛；当出口背压轻微变化导致计算监控的性能指标及进出口流量波动幅度随时间增大时。

（1）采用无预旋导叶，压气机的流量范围与原机相同；导 叶 预 旋－8°后，压 气 机 流 量 范 围 拓 宽16．7%，同时压气机压比仍然处于较高的水平。

（2）与无叶扩压器相比，叶片扩压器能够有效控制叶轮内部的不均匀气流，使扩压器出口气流角整体减小约10°，有助于减小下游的沿程损失。

（3）在设计工况下，叶片扩压器可有效提高压气机的效率，效率提高约1．7%；在非设计工况下，通过调节扩压器角度减小扩压器进口攻角，可使压气机的压比在小流量区提高约7%，效率整体提高约1．2%。 2100433B