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原文传递电辅助涡轮增压系统气动设计与柴油机匹配性能研究

论文题名：	电辅助涡轮增压系统气动设计与柴油机匹配性能研究
关键词：	船用柴油机;涡轮增压器;电辅助;气动设计;匹配性能
摘要：	传统废气涡轮增压技术因其可大幅提升柴油机的动力性、经济性和排放性的优势被广泛应用于船用柴油机。但同时涡轮增压器的机械惯性和设计匹配点的选择，导致柴油机易出现低负荷进气压力不足、高负荷增压过度等问题。电辅助涡轮增压技术是解决上述问题的一种有效技术手段，通过耦合于传统涡轮增压器的电机可有效改善低负荷动力性能与高负荷燃油经济性。因此，本文以船用高速柴油机系统为研究对象，开展针对电辅助涡轮增压器的气动设计及与柴油机的匹配性能优化的研究。　　揭示了电辅助涡轮增压器关键因素对高速柴油机性能的影响规律。建立了电辅助涡轮增压柴油机稳态性能预测模型并完成校核，并以此模型探究了电机功率对柴油机综合热效率的影响规律。结果表明，涡轮与压气机的效率是影响综合热效率的关键因素，并且通过优化电机功率调整涡轮增压器的运行点向高效率区移动来实现对柴油机综合热效率的提升。同时发现随着电机功率的提升，压气机喘振裕度持续缩减和涡轮废气能量利用效率低的问题，因此，提出了适用于本机型的电辅助涡轮增压优化匹配设计方法。　　完成了电辅助涡轮增压器涡轮的气动设计及性能验证。根据匹配设计方法确定径流涡轮的设计需求，完成了涡轮的气动设计，并采用数值模拟的方法得到了涡轮的性能曲线，将该涡轮MAP图导入电辅助涡轮增压柴油机模型中。结果表明，相同的涡轮进气量，适当减小涡轮通流范围可有效提升膨胀比和效率。100％负荷时电机回收功率提升8kW，柴油机综合热效率提高约2.0％。　　完成了电辅助涡轮增压器压气机的优化设计。利用试验测量数据完成了离心式压气机的气动设计与校核，并基于耦合遗传算法、人工神经网络和三维流动仿真的优化平台完成对压气机叶轮的优化设计。探究了叶片中弧线、出口倾斜角和尾缘弯曲度对压气机的增效潜力。结果表明，单独对叶根前缘角、叶尖处进出口角、出口倾斜角优化时，最优叶型几何的压气机等熵效率分别提升了0.8％、1.2％、0.6％、0.3％。叶片叶尖处进出口角对效率的影响最为敏感，进而对这俩参数完成耦合优化，所得最优叶型几何的压气机最大压比提升了4.2％，最高效率提升了1.87％。其增效机理主要是削弱进口激波强度，同时改善了叶轮与扩压器的级间匹配。　　完成了对电辅助涡轮增压柴油机系统匹配项性能优化研究。基于匹配设计方法，确定电辅助涡轮增压器的运行策略，针对电动机模式和发电机模式进行模拟计算，对比分析传统涡轮增压器与优化前后电辅助涡轮增压器对柴油机性能的影响。结果表明，低负荷时，优化后电辅助涡轮增压器柴油机输出扭矩显著提升，涡轮迟滞现象得到改善;高负荷时，柴油机综合热效率最大可提升0.5％，燃油经济性最高可改善6.14％。
作者：	李旸
专业：	动力工程
导师：	杨传雷;刘扬
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2021