船用柴油机涡轮预测模型建模及工作过程耦合分析_董思艺.pdf

第 45 卷（2023）第 2 期Vol.45（2023）No.2柴油机Diesel EngineDOI：10.12374/j.issn.1001-4357.2023.02.001船用柴油机涡轮预测模型建模及工作过程耦合分析董思艺1，王新权1，刘瑞1，杨名洋2，薛颖娴2（1.上海船用柴油机研究所，上海201108；2.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海200240）摘要：针对目前船用增压器计算模型把涡轮简化为当量喷嘴而不考虑涡轮内流动的不足，基于涡轮内流动相关几何特征参数建立预测模型，该模型考虑了涡轮不同部位流动的差异，具有更强的预测能力。采用Simulink建立涡轮一维预测仿真模型，并基于GT-Power/Simulink对某型船用柴油机的工作过程进行耦合分析。仿真结果显示，采用涡轮预测模型后，整机工作过程计算模型仿真结果和实际更为吻合，能更好地指导工作过程优化和增压器匹配。关键词：柴油机；增压器；涡轮预测模型；喘振中图分类号：TK421.8文献标志码：A文章编号：1001-4357（2023）02-0001-05Modeling of Marine Diesel Engine Turbine Prediction Model and Coupled Analysis of Working ProcessDONG Siyi1，WANG Xinquan1，LIU Rui1，YANG Mingyang2，XUE Yingxian2（1.Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute，Shanghai 201108，China；2.School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）Abstract：In response to the shortcomings of current marine supercharger calculation model which simplifies the turbine as an equivalent nozzle without considering the flow inside the turbine，a prediction model was established based on the geometric characteristics parameters related to the flow inside the turbine，which took into account the differences in the flow of different parts of the turbine and had stronger prediction capability.A one-dimensional prediction simulation model of turbine was established by Simulink，and coupled analysis of the working process of a certain type of marine diesel engine was carried out based on GT-Power/Simulink.The simulation results show that after adopting the turbine prediction model，the simulation results of the whole engine working process calculation model are more consistent with the actual one，which can better guide the optimization of working process and supercharger matching.Key words：diesel engine；supercharger；turbine prediction model；surge0引言高功率密度柴油机的广泛应用以及船用柴油机工作范围的扩大，促进涡轮增压技术的不断进步1。对工作过程进行仿真是增压器选型匹配的重要手段。现有的涡轮模型多依赖于特性图谱2，或采用神经网络等三维模拟仿真算法3。特性图谱的建立基于增压器平台试验的各个稳定工况，性能与排放收稿日期：2022-12-14；修回日期：2022-12-26基金项目：船舶与海洋工程特种装备和动力系统国家工程研究中心资助项目第 45 卷第 2 期 2 柴 油 机基于图谱的涡轮模型把涡轮视为喷嘴，不考虑涡轮内部结构，且忽略个体部件由于制造过程和装配尺寸产生的误差；全三维的性能仿真技术虽可以详细描述涡轮在工作中的流场细节，但由于发动机工况的非定常性和整机的复杂结构，整个计算模型十分复杂、运算庞大，不便于计算。基于涡轮预测模型的一维发动机性能仿真模型可以实现增压器流场的流动特性仿真，更好地关注整机运行中主要的性能参数，提高对柴油机设计的指导作用。涡轮一维性能预测模型已有一定的研究成果4-5，但对船用增压器及整机性能匹配研究得较少，对增压器压气机匹配点的瞬态变化关注得也较少。本文基于 MATLAB/Simulink 建立涡轮性能预测模型，并通过 GT-Power/Simulink 耦合仿真将增压器预测模型集成到柴油机整机模型中。分别采用涡轮预测模型和增压器特性图谱进行整机工作过程仿真并和试验数据进行对比，对比显示采用涡轮预测模型后，整机工作过程计算模型结果和实际更为吻合，能更好地指导低工况性能优化和匹配点分析。1涡轮预测模型的建立混流涡轮便于实现更大的废气流量，进而提高匹配的柴油机功率，在船用柴油机上应用较为广泛。本文针对一款混流式涡轮，基于对涡轮内部流动情况的热力学和流动分析，采用平均流线法6 将三维流动简化为一维流动，建立涡轮预测数学模型。该涡轮模型采用GT-Power/Simulink 编程实现。1.1预测模型控制方程预测模型参数采用流道截面内的平均值，假设涡轮内的流动是一维准稳态绝热流动，流体比热容比在涡轮中保持不变。仿真模型在涡轮中选取4个控制面（后续符号下标与控制面一一对应），如图1所示。在实际的流动中，气流在蜗壳出口处进入叶轮后会发生流动方向的偏转，在模型中采用叶轮入口攻角损失来表示气流偏转所消耗的功，从而认为叶轮转子前缘和后缘的流动方向一致，即叶轮转子入口条件等于蜗壳出口条件。计算流程如图2所示，已知增压器入口总温、出口静压、质量流量、增压器转速以及涡轮几何参数。仿真模型控制方程包括质量守恒、动量守恒、能量守恒和理想气体状态方程等。假设入口总压为P01，如图1所示进行迭代计算，根据出口静压P4校正假设值，获得涡轮运行工作点。主要的结构参数包括：涡轮入口面积、叶轮入口半径、出口叶尖半径、出口叶根半径、叶片数、出口叶片安装角等。1.2平均流线模型在计算时，平均流线模型主要基于热力学计算，而不是流场的详细分析7。一维平均流线模型的计算须结合损失的经验公式8，基于控制面的速度三角形实现对增压器内各控制面流动特性的分析。1.2.1蜗壳损失模型蜗壳内的损失主要包括流道内二次流动损失、摩擦损失等。在质量守恒方程中引入阻塞因子B（经验取值范围为0.91.0）表达边界层增长和二次流动带来的损失。蜗壳内实际的气流速度小于等熵流动的速度，由此假设能量损失系数为。同时，假设蜗壳内的流动遵循自由涡方程，采用角动量守恒方程建立模型。图1混流涡轮控制面示意图图 2涡轮Simulink预测模型计算流程图2023 年 3 月 3 董思艺等：船用柴油机涡轮预测模型建模及工作过程耦合分析m?=2A2c2cos 2B （1）=1-(c2c2s)2 （2）r2c2=r1c11-（3）式中：m?为质量流量；2为蜗壳出口废气密度；A2为蜗壳出口通流面积；c1、c2为蜗壳进、出口气体流动速度；c2s为蜗壳出口等熵流动速度；c2为涡壳出口切向速度；2为蜗壳出口绝对气流角；r1为蜗壳中心处到蜗壳入口速度方向的距离；r2为叶轮入口中心到蜗壳中心轴线的距离。1.2.2叶轮损失模型叶轮速度三角形如图3所示：c为气流绝对速度，W为气流相对速度，U为叶轮的轮周旋转速度，为绝对气流角，为相对气流角，为绝对速度和叶轮轮周旋转速度的夹角，下标2、3分别对应叶轮进、出口。叶轮的损失模型主要考虑攻角损失、叶轮通道损失、叶尖间隙损失、摩擦损失等9。这4类主要损失中，攻角损失和叶轮通道损失对模型的影响较为明显10。入射损失是由于入口流动方向与叶片入口安装角的偏移造成的，在高效率区域，流动转角很小，入射损失对涡轮效率影响不大。入射攻角的模型引入滑移因子进行修正11。叶轮通道损失是指动叶通道内部发生的所有损失，包括叶型损失、二次损失和可能的流动分离造成的损失等12，混流式涡轮的通道损失比径流式更小一些。叶轮通道损失与入射损失相互影响，通道损失随入射损失的影响而增大。叶尖间隙损失、摩擦损失对效率的影响很小。1.3涡轮性能参数涡轮的通流能力，通常采用以下的参数进行表达。压比：=P01P4 （4）涡轮效率：=U2c2-U3c3-LC-LFcpT011-()1-1 （5）式中：c3为叶轮出口切向速度分量；LC为叶尖间隙损失；LF为摩擦损失；T01为入口总温；cp为比定压热容；为气体绝热指数。叶片速比VR：VR=U2|2cpT01|1-()1-1-12 （6）2GT-Power/Simulink一维耦合模型2.1船用柴油机 GT-Power/Simulink 一维耦合模型船用柴油机性能仿真整机模型采用GT-Power/Simulink耦合建模。在GT-Power软件中建立一维性能仿真模型，包括进排气管、压气机、涡轮、空冷器和气缸等。Simulink涡轮预测模型基于实际几何尺寸，仿真范围从涡前入口到涡后排气管最终到大气环境。在 GT-Power 环境下运行 Simulink 模型，利用GT-Power自带的Simulink Harness模块实现Simulink模型和整机模型的参数交换，Simulink Harness模块作为整机仿真系统一维流动中的一部分，替代GT-Power中的涡轮组件。某型船用柴油机一维耦合仿真模型如图 4所示，该型柴油机采用4台涡轮增压器。图 3叶轮速度三角形图 4GT-Power/Simulink一维耦合预测模型第 45 卷第 2 期 4 柴 油 机在一维耦合模型中，GT-Power整机仿真模型提供的参数包括涡前总温T01、质量流量m?、增压器转速N等；随后参数传递到Simulink预测模型计算涡前压力P1、涡轮输出转矩TC，这两个值再返回到整机模型中实现整机仿真计算。每一个运算周期都进行一次这样的参数交换，从而实现一维耦合模型的动态响应。2.2一维耦合模型的全工况仿真分析分别采用图谱拟合涡轮模型和Simulink 涡轮预测模型进行全工况计算，计算得到的缸内平均最高燃烧压力、涡前排温结果如图5所示。从图5可以看出，两种涡轮模型得到的平均最高燃烧压力、涡前排温基本一致，仿真和试验值基本吻合。在全工况时两种涡轮模型的预测效果总体相当，但在低工况时Simulink涡轮预测模型的预测误差较小。这是由于图谱是基于平台试验数据得到的，增压器平台试验在中高工况时较易实施，结果也较为准确，图谱在中高工况下可以采用平台试验结果；但在低工况下则通过插值计算得到，误差较大。Simulink涡轮预测模型基于热力学的原理计算各个工况点的状态参数，在低工况下预测性更好，因而基于预测模型的工作过程计算在低工况下表现出更好的仿真效果。另外，图谱模型基于增压器三维流动计算或者试验得到，而Simulink涡轮预测模型仅需涡轮流动特征参数。在实际应用中，涡轮预测建模的准备工作量小，建模更为快捷。2.3一维耦合模型的增压器匹配点一致性