CN110555217B - 离心压气机变海拔全工况通流设计优化方法 - Google Patents

Abstract

一种离心压气机变海拔全工况通流设计优化方法，包括以下步骤：①针对匹配目标内燃机，确定其多个工作海拔高度对应进气状态和对应运行工况点特点，计算推导内燃机和压气机工作边界条件；②计算内燃机变海拔性能的全工况目标参数，③确定压气机关键几何参数作为多工况设计的优化变量；④以所述步骤③所得压气机关键几何参数为优化输入变量，计算内燃机变海拔全工况性能参数；⑤判断所述步骤④所得内燃机变海拔全工况性能参数是否达到所述步骤②中确定的目标值。本发明高效、目的性强且以流动机理为根本出发，有效地提升了内燃机变海拔热力循环性能。

Description

离心压气机变海拔全工况通流设计优化方法

技术领域

本发明涉及压气机技术领域，具体为一种离心压气机变海拔全工况通流 设计优化方法。

背景技术

我国高原地区面积辽阔、海拔高且海拔变化范围大，对内燃机不仅具有 高原工作需求，也具有变海拔工作需求。涡轮增压作为满足内燃机高原工作 需求的重要手段，其实现的关键部件——离心压气机的匹配设计方法对改善 增压内燃机的变海拔性能具有重要影响。随着变海拔条件下内燃机动力性、 经济性和排放性能的要求不断提高，离心压气机在不同海拔条件下设计和匹 配方法成为制约内燃机变海拔性能提升的关键。且目前压气机端的改进幅度 和潜力受到单一点工况匹配设计的约束，自适应涡轮增压系统在变海拔工况 条件变化过程中会发生匹配失调现象，从而导致工况适应性差问题的产生。

传统的固定海拔匹配涡轮增压器的方法主要是基于性能试验MAP图，该方 法存在的不足有：

1、由于旋转叶轮机械与往复活塞之间运动特性不同，虽然某匹配设计点 工况可以获得较好的性能，但当变海拔工况条件发生变化，特别是进气条件 的改变，导致内燃机实际运行线与压气机的匹配运行线发生偏离，变海拔工 况条件下会产生匹配失调现象，导致内燃机动力性、经济性等性能指标显著 下降。2、传统的匹配设计方法是在内燃机整机设计完成之后，根据涡轮增压 器性能试验MAP图，采用插值及外推的方法对一系列涡轮增压器的流量范围和 压比进行计算而后匹配选型，其精度较低，没有建立起内燃机变海拔热力循 环性能与压气机流场特性的联系，难以满足车用内燃机变海拔全工况特别是 瞬态过度工况的性能需求。3、随着近年来对可变截面增压等复杂增压方式研 究的逐渐深入，其关键问题在于如何依靠控制策略实现增压器切换使用，由 于多样控制策略的介入，其变化的联合运行线对离心压气机的工况流量范围 要求越来越高，传统压气机匹配设计方法的高效区流量范围已经无法满足其 要求，亟需对压气机进行扩稳增效变海拔全工况优化设计。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种高效、目的性强且以流动机理 为根本出发的提升内燃机变海拔热力循环性能的离心压气机全工况通流优化 设计方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种离心压气机变海拔全 工况通流设计优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

①针对匹配目标内燃机，确定其多个工作海拔高度对应进气状态和对应 运行工况点特点，计算推导内燃机和压气机工作边界条件；

②依据内燃机的结构参数，基于内燃机一维热力循环模型计算内燃机变 海拔性能的全工况目标参数；

③根据所述步骤①所得压气机工作边界条件，依据压气机基本结构参数， 基于离心压气机三维通流模型确定压气机关键几何参数作为多工况设计的优 化变量；

④基于内燃机变海拔全工况增压通流联合仿真平台，以所述步骤③所得 压气机关键几何参数为优化输入变量，计算内燃机变海拔全工况性能参数；

⑤判断所述步骤④所得内燃机变海拔全工况性能参数是否达到所述步骤 ②中确定的目标值，当达到目标值时，输出压气机通流设计结构参数值；否 则，通过设计算法优化调整压气机关键几何参数，返回所述步骤③。

上述步骤①内燃机工作边界条件包括最大爆发压力、排气温度和排放量， 约束条件可写成表达式:

最大爆发压力限制：P_max≤P_max,lim；

排气温度限制：T_ex≤T_ex,lim

排放量限制：q_ex≤q_ex,lim

其中，P_max为缸内最大爆发压力；T_ex为排气温度；q_ex为某特定排放污染 物排放量；

压气机工作边界条件包括：进口总温、进口总压、质量流量和转速，约 束条件可写成表达式:

喘振边界限制：

堵塞边界限制：

最高转速限制：N_max≥N_max,lim

其中，

为压气机转速喘振边界流量，按增压发动机低速工况进气量 需求设定其上限

为压气机转速堵塞边界流量，按增压发动机 全负荷最高转速工况进气量需求设定其下限为

N_max为离心压气机全 工况最高转速。

上述步骤②中，内燃机的结构参数包括内燃机进排气系统的结构参数、 气缸参数和内燃机运行参数。

上述步骤②中，内燃机变海拔性能的全工况目标参数包括：不同海拔条 件下，内燃机全负荷功率及该功率对应的扭矩和燃油消耗率，全负荷条件下 内燃机对应喘振裕度；部分负荷功率及该功率对应扭矩和燃油消耗率；压气 机性能目标参数包括：增压比、流量范围、效率和转速。

上述步骤③中压气机基本结构参数包括：压气机进口叶尖半径、压气机 进口叶根半径、压气机进口叶片角、压气机出口叶高、压气机出口后弯叶片 角、压气机叶轮出口半径、压气机叶轮厚度、压气机扩压器出口半径和分流 叶片位置分布。

上述述步骤③中压气机关键几何参数包括：离心压气机叶轮进口相对直 径D₁/D₂、进口叶尖叶片角β_1t、出口相对宽度b₂/D₂和出口后弯角β_2b。

上述步骤④中内燃机变海拔全工况增压通流联合仿真平台是指根据已知 型号的内燃机及与其相匹配的涡轮增压器结构参数，基于GT-Power仿真软件 建立变海拔内燃机一维热力循环模型和基于ANSYS Fluent仿真软件建立离心 压气机三维流场数值模拟模型，完成包括三维模型网格细分和1D/3D模型耦 合端口设置工作，再将1D/3D模型进行联合仿真并通过试验数据进行模型校 核，所建立可用于预测压气机关键几何参数对内燃机变海拔全工况条件下热 力循环性能影响的内燃机增压通流联合仿真平台。

上述步骤④针对内燃机全负荷低速工况、全负荷高速工况、部分负荷工 况三种典型工况，将压气机叶轮的几何参数，即进口相对直径D₁/D₂、进口叶 尖叶片角β_1t、出口相对宽度b₂/D₂和出口后弯角β_2b作为多工况设计的优化变 量，以内燃机全负荷低速工况转矩最大、全负荷高速工况额定转速功率和部 分负荷燃油消耗率最低为优化目标，在不同海拔条件下，内燃机全工况性能 参数值的计算包括以下内容：

A.全负荷低速工况：

在内燃机全负荷低速工况，以动力性指标为设计目标，选取内燃机某一 低速工况转矩T_q达到最大作为压气机设计的优化目标，目标函数定义为:

B.全负荷高速工况:

在内燃机全负荷高速工况，以动力性指标为设计目标，选取内燃机额定 转速功率P_e达到最大作为增压压气机设计的优化目标，目标函数定义为:

C.部分负荷工况:选取燃油消耗率g_e达到最低作为增压压气机设计的优 化目标,选择增压内燃机某常用工况点性能来表征部分负荷工况综合性能，这 时目标函数定义为:

上述步骤②中，内燃机进排气系统的结构参数包括管长和管径，气缸参 数包括缸径、冲程、喷油规律和燃烧放热规律，内燃机运行参数包括转速、 负荷和摩擦损失。

上述步骤④中对于部分负荷工况根据内燃机运行工况点分布，将其运行 面工况划分为若干区域，分别针对各区域特征工况点的燃油消耗率g_e进行增 压压气机设计优化，同时按各区域工况点分布频率施加相应的权重系数，此 时目标函数定义为:

式中，w_i表示i工况区域的权重。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明突破当前内 燃机热力循环性能优化与压气机流动控制相互独立的限制，得到增压内燃机 变海拔全工况性能与离心压气机关键几何参数之间的相互影响规律；2、本发 明充分考虑到变海拔导致的进气状态变化，包括进气总温和进气总压，从而 导致雷诺数变化，粘性力对进气产生的作用随之改变，最终造成叶尖、叶片 前缘、主叶片和分流叶片间的损失加剧，压气机压比和效率改变，是传统的 固定海拔匹配涡轮增压器的方法所忽视的问题，有助于指导研究人员更好地认识压气机流场结构，最终有针对性地实现对压气机的扩稳增效目的。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为增压内燃机全工况运行区域划分图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全 部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种离心压气机变海拔全工况 通流设计优化方法，如图1所示，本发明方法包括以下步骤：

1、针对匹配目标内燃机，确定其多个工作海拔高度对应进气状态和对应 运行工况点特点，计算推导内燃机和压气机工作边界条件。内燃机工作边界 条件：最大爆发压力、排气温度和排放量。为保证增压内燃机的正常工作， 增压压气机设计优化的内燃机性能首先需满足缸内最大爆发压力限制，最高 排气温度限制以及排放量不超过规定限制等。上述约束条件可写成表达式:

最大爆发压力限制：P_max≤P_max,lim；

排气温度限制：T_ex≤T_ex,lim

排放量限制：q_ex≤q_ex,lim

其中，P_max为缸内最大爆发压力；T_ex为排气温度；q_ex为某特定排放污染 物排放量。

压气机工作边界条件包括：进口总温、进口总压、质量流量和转速。为 了保证不同工况下压气机正常工作，压气机设计优化需满足喘振边界限制、 堵塞边界限制和最高转速限制等。上述约束条件可写成表达式:

喘振边界限制：

堵塞边界限制：

最高转速限制：N_max≥N_max,lim

其中，

为特定压气机转速喘振边界流量，按增压发动机低速工况进 气量需求设定其上限

为特定压气机转速堵塞边界流量，按增 压发动机全负荷最高转速工况进气量需求设定其下限为

N_max为离心 压气机全工况最高转速。

2、依据内燃机基本结构参数，基于内燃机一维热力循环模型计算内燃机 变海拔目标性能参数值。内燃机的参数包括：内燃机进排气系统的结构参数、 气缸参数和内燃机运行参数。内燃机进排气系统的结构参数包括管长和管径， 气缸参数包括缸径、冲程、喷油规律和燃烧放热规律，内燃机运行参数包括 转速、负荷和摩擦损失。内燃机变海拔性能的全工况目标参数包括：不同海 拔条件下，内燃机全负荷功率及该功率对应的扭矩和燃油消耗率，全负荷条 件下内燃机对应喘振裕度；部分负荷功率及该功率对应扭矩和燃油消耗率； 压气机性能目标参数包括：增压比、流量范围、效率和转速。

3、根据所述步骤1所得压气机工作边界条件，依据压气机基本结构参数， 基于离心压气机三维通流模型确定压气机关键几何参数。压气机基本结构参 数包括：压气机进口叶尖半径、压气机进口叶根半径、压气机进口叶片角、 压气机出口叶高、压气机出口后弯叶片角、压气机叶轮出口半径、压气机叶 轮厚度、压气机扩压器出口半径和分流叶片位置分布。压气机关键几何参数 包括：离心压气机叶轮进口相对直径D₁/D₂、进口叶尖叶片角β_1t、出口相对 宽度b₂/D₂和出口后弯角β_2b等关键几何参数作为多工况设计的优化变量。

4、基于内燃机变海拔全工况增压通流联合仿真平台，以所述步骤2所得 压气机关键几何参数为输入变量，计算内燃机变海拔全工况性能参数。所述 步骤4中，内燃机变海拔全工况增压通流联合仿真平台是指根据已知型号的 内燃机及与其相匹配的涡轮增压器结构参数，基于GT-Power仿真软件建立变 海拔内燃机一维热力循环模型和基于ANSYSFluent仿真软件建立离心压气机 三维流场数值模拟模型，完成包括三维模型网格细分和1D/3D模型耦合端口 设置工作，再将1D/3D模型进行联合仿真并通过试验数据进行模型校核，所 建立可用于预测压气机关键几何参数对内燃机变海拔全工况条件下热力循环 性能影响的内燃机增压通流联合仿真平台。

所述步骤4中，在不同海拔条件下，内燃机全工况性能参数值的计算包 括以下内容：

①全负荷低速工况

在内燃机全负荷低速工况，为保证内燃机具有较高的低速转矩及良好的 加速性，以动力性指标为设计目标，选取内燃机某一低速工况转矩T_q达到最 大作为压气机设计的优化目标，目标函数定义为:

②全负荷高速工况

在内燃机全负荷高速工况，为使内燃机具有较高的标定功率，以动力性 指标为设计目标，选取内燃机额定转速功率P_e达到最大作为增压压气机设计 的优化目标，目标函数定义为:

③部分负荷工况

车用内燃机大部分时间运行在部分负荷工况，此时内燃机应具有尽可能 好的燃油经济性，因此在内燃机部分负荷工况选取燃油消耗率g_e达到最低作 为增压压气机设计的优化目标。

至于部分负荷工况的具体选择，需要根据内燃机运行特点进行选择。为 简化起见，可选择增压内燃机某常用工况点性能来表征部分负荷工况综合性 能，这时目标函数定义为:

针对运行工况变化频繁的内燃机，还可根据内燃机运行工况点分布，将 其运行面工况划分为若干区域，如附图2以更加全面地描述部分负荷运行特 性，分别针对各区域特征工况点的燃油消耗率g_e进行增压压气机设计优化， 同时按各区域工况点分布频率施加相应的权重系数，此时目标函数定义为:

式中，w_i表示i工况区域的权重。

5、判断所述步骤4所得内燃机变海拔全工况性能参数是否达到所述步骤 2)中确定的目标值，当达到目标值时，输出压气机通流设计结构参数值；否 则，通过设计算法优化调整压气机关键几何参数，返回所述步骤3。

在离心压气机叶轮性能优化过程中，算法需要反复评估样本的适应度(效 率、压比、阻塞流量等)，因此需要反复调用CFD和FEA等程序，这需要大量 的计算资源与时间。元模型基于已有的样本数据库拟合输入(几何参数)与 输出(压气机性能)之间的非线性映射关系，在优化算法迭代中利用元模型 代替CAE程序评估适应度，将大大加速优化过程。元模型包括：响应面模型， BP神经网络，Kriging，径向基神经网络。为解析多个目标函数之间的耦合与 制约关系，引入数据挖掘技术，该技术能够提取设计变量间的交互作用以及 设计变量与目标函数之间的非线性映射关系，研究设计变量对目标函数的影 响程度以及耦合或单一的影响规律，提取对目标函数起关键作用的设计变量， 简化设计空间。数据挖掘技术包括：方差分析、自组织神经网络、本征正交 分解、动力模态分解等。

在本实施例中，步骤2中使用的内燃机一维热力循环模型和压气机三维 同流模型均采用的是本领域常用设备，在此不再详述。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限 定。

Claims (10)

1.一种离心压气机变海拔全工况通流设计优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

①针对匹配目标内燃机，确定其多个工作海拔高度对应进气状态和对应运行工况点特点，计算推导内燃机和压气机工作边界条件；

②依据内燃机的结构参数，基于内燃机一维热力循环模型计算内燃机变海拔性能的全工况目标参数；

③根据所述步骤①所得压气机工作边界条件，依据压气机基本结构参数，基于离心压气机三维通流模型确定压气机关键几何参数作为多工况设计的优化变量；

④基于内燃机变海拔全工况增压通流联合仿真平台，以所述步骤③所得压气机关键几何参数为优化输入变量，计算内燃机变海拔全工况性能参数；

⑤判断所述步骤④所得内燃机变海拔全工况性能参数是否达到所述步骤②中确定的目标值，当达到目标值时，输出压气机通流设计结构参数值；否则，通过设计算法优化调整压气机关键几何参数，返回所述步骤③。

2.根据权利要求1所述的离心压气机变海拔全工况通流设计优化方法，其特征在于：上述步骤①内燃机工作边界条件包括最大爆发压力、排气温度和排放量，约束条件可写成表达式:

最大爆发压力限制：P_max≤P_max,lim；

排气温度限制：T_ex≤T_ex,lim

排放量限制：q_ex≤q_ex,lim

其中，P_max为缸内最大爆发压力；T_ex为排气温度；q_ex为某特定排放污染物排放量；

压气机工作边界条件包括：进口总温、进口总压、质量流量和转速，约束条件可写成表达式:

喘振边界限制：

堵塞边界限制：

最高转速限制：N_max≥N_max,lim

其中，

为压气机转速喘振边界流量，按增压发动机低速工况进气量需求设定其上限

为压气机转速堵塞边界流量，按增压发动机全负荷最高转速工况进气量需求设定其下限为

N_max为离心压气机全工况最高转速。

3.根据权利要求1所述的离心压气机变海拔全工况通流设计优化方法，其特征在于：上述步骤②中，内燃机的结构参数包括内燃机进排气系统的结构参数、气缸参数和内燃机运行参数。

4.根据权利要求1所述的离心压气机变海拔全工况通流设计优化方法，其特征在于：上述步骤②中，内燃机变海拔性能的全工况目标参数包括：不同海拔条件下，内燃机全负荷功率及该功率对应的扭矩和燃油消耗率，全负荷条件下内燃机对应喘振裕度；部分负荷功率及该功率对应扭矩和燃油消耗率；压气机性能目标参数包括：增压比、流量范围、效率和转速。

5.根据权利要求1所述的离心压气机变海拔全工况通流设计优化方法，其特征在于：上述步骤③中压气机基本结构参数包括：压气机进口叶尖半径、压气机进口叶根半径、压气机进口叶片角、压气机出口叶高、压气机出口后弯叶片角、压气机叶轮出口半径、压气机叶轮厚度、压气机扩压器出口半径和分流叶片位置分布。

6.根据权利要求1所述的离心压气机变海拔全工况通流设计优化方法，其特征在于：上述述步骤③中压气机关键几何参数包括：离心压气机叶轮进口相对直径D₁/D₂、进口叶尖叶片角β_1t、出口相对宽度b₂/D₂和出口后弯角β_2b。

7.根据权利要求1所述的离心压气机变海拔全工况通流设计优化方法，其特征在于：上述步骤④中内燃机变海拔全工况增压通流联合仿真平台是指根据已知型号的内燃机及与其相匹配的涡轮增压器结构参数，基于GT-Power仿真软件建立变海拔内燃机一维热力循环模型和基于ANSYS Fluent仿真软件建立离心压气机三维流场数值模拟模型，完成包括三维模型网格细分和1D/3D模型耦合端口设置工作，再将1D/3D模型进行联合仿真并通过试验数据进行模型校核，所建立可用于预测压气机关键几何参数对内燃机变海拔全工况条件下热力循环性能影响的内燃机增压通流联合仿真平台。

8.根据权利要求1所述的离心压气机变海拔全工况通流设计优化方法，其特征在于：上述步骤④针对内燃机全负荷低速工况、全负荷高速工况、部分负荷工况三种典型工况，将压气机叶轮几何参数，即进口相对直径D₁/D₂、进口叶尖叶片角β_1t、出口相对宽度b₂/D₂和出口后弯角β_2b作为多工况设计的优化变量，以内燃机全负荷低速工况转矩最大、全负荷高速工况额定转速功率和部分负荷燃油消耗率最低为优化目标，在不同海拔条件下，内燃机全工况性能参数值的计算包括以下内容：

A.全负荷低速工况：

在内燃机全负荷低速工况，以动力性指标为设计目标，选取内燃机某一低速工况转矩T_q达到最大作为压气机设计的优化目标，目标函数定义为:

B.全负荷高速工况:

在内燃机全负荷高速工况，以动力性指标为设计目标，选取内燃机额定转速功率P_e达到最大作为增压压气机设计的优化目标，目标函数定义为:

C.部分负荷工况:选取燃油消耗率g_e达到最低作为增压压气机设计的优化目标,选择增压内燃机某常用工况点性能来表征部分负荷工况综合性能，这时目标函数定义为:

。

9.根据权利要求3所述的离心压气机变海拔全工况通流设计优化方法，其特征在于：上述步骤②中，内燃机进排气系统的结构参数包括管长和管径，气缸参数包括缸径、冲程、喷油规律和燃烧放热规律，内燃机运行参数包括转速、负荷和摩擦损失。

10.根据权利要求8所述的离心压气机变海拔全工况通流设计优化方法，其特征在于：上述步骤④中对于部分负荷工况根据内燃机运行工况点分布，将其运行面工况划分为若干区域，分别针对各区域特征工况点的燃油消耗率g_e进行增压压气机设计优化，同时按各区域工况点分布频率施加相应的权重系数，此时目标函数定义为:

式中，w_i表示i工况区域的权重。

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