船用大功率低速柴油机,其功率高,需要的空气流量较大,而径流式涡轮无法满足大流量的要求,需采用轴流涡轮。可变几何轴流涡轮通过改变涡轮静叶开度,来改变涡轮流量和效率,进而改变涡轮增压器与柴油机联合运行时柴油机的性能。通过对涡轮的数值模拟得到涡轮流量和效率特性,将得到的涡轮特性与低速柴油机进行稳态一维仿真计算,分析涡轮与压气机、柴油机的匹配性能,在定几何涡轮基础上,进行可调静叶设计,进行了可变几何涡轮的性能和匹配计算的研究。首先,基于NREC叶轮机械设计软件,依据某型低速柴油机按推进特性50%负荷左右涡轮前后排气参数预测值,进行了轴流涡轮的一维设计,得到涡轮叶型和叶栅主要参数以及设计点下涡轮动叶进出口速度三角形,并将涡轮一维设计转化为三维模型。对三维模型进行数值模拟,根据目标柴油机机型排气涡轮参数确定了变工况计算范围,计算得出涡轮的流量特性和效率特性,分析了变工况涡轮内部流场的变化规律。其次,根据涡轮三维数值模拟得到的涡轮特性在GT-Power中建立了涡轮仿真模型;保持涡轮效率特性不变,在GT-Power中调整涡轮流量缩放系数,分别提高和降低涡轮流通能力、得到大型涡轮、中型涡轮(设计涡轮),小型涡轮三种涡轮仿真模型。压气机仿真模型来自原机压气机数据,根据涡轮流通能力的不同按比例调整压气机流量缩放系数并与涡轮进行匹配,得到大型涡轮增压器、中型涡轮增压器、小型涡轮增压器三种增压器模型,与低速柴油机进行稳态联合仿真。结果表明,设计涡轮与压气机、柴油机匹配良好,若减小涡轮流通能力,会改善柴油机经济性和动力性,但爆压和排温升高。最后,基于定几何涡轮,进行了变几何轴流涡轮设计,通过改变静叶开度,得到了变几何涡轮流量特性和效率特性,分析了静叶开度改变对涡轮流场的影响。根据变几何涡轮数值模拟得到的变几何涡轮特性建立了变几何涡轮仿真模型,根据静叶不同开度涡轮流量的变化,按比例调整压气机流量缩放系数并与涡轮匹配,得到静叶不同开度下的涡轮增压器仿真模型,基于GT-Power平台与低速柴油机进行稳态联合仿真,探究静叶不同开度下涡轮增压器与柴油机性能的变化规律,提出了变几何涡轮的控制策略。结果表明静叶开度关小3.5度,可改善柴油机经济性和动力性;静叶开度减小会导致100%负荷时缸内爆压超出限制值;低速机按推进特性运行时,可在部分负荷时将静叶开度减小以提高经济性和动力性,接近全负荷时要增大静叶开度来限制缸内爆压,使柴油机安全运行。