向心渦輪噴嘴出口氣流角的數值研究

2014-04-11 06:06:14馬國玲王曉春白軍愛

車用發動機 2014年4期

劉瑩，馬國玲，葛煒，佟鼎，王曉春，楊磊，黃磊，白軍愛，蔣婧

（1.中國北方發動機研究所（天津），天津 300400；2.大同北方天力增壓技術有限公司，山西大同 037036；3.中國人民解放軍96627部隊，北京 100085）

噴嘴出口氣流角對渦輪流通能力有很大影響，合理的氣流角能降低氣流在流入渦輪葉輪過程中的攻角損失，提高渦輪效率［1］。簡單渦輪箱模型中認為出口氣流角在全周的分布是均勻的，然而渦輪箱內的流動非常復雜，存在流體進入葉輪、葉輪內的壓力脈動影響渦輪箱內流動、渦輪箱喉口區域回流等現象［2－4］。常婉幟等［5］采用 Fluent軟件對渦輪進行了整機計算，獲得了在不同轉速下的氣流角與總壓損失系數，發現氣流角與膨脹比沒有直接關系，在不同的膨脹比下，總壓損失系數是變化的。魏希輝等［6］采用Numeca軟件對H1F混流渦輪進行了整機計算，渦輪流量特性和試驗結果吻合較好，確立了相對準確的工程計算模型。杜鵑等［7］采用Fluent軟件對葉片通道進行了穩態模擬計算，獲得了葉輪內部的壓力、溫度、速度等詳細分布。王仁人等［8］通過IFA300熱膜風速儀X型探針測量了渦輪箱內的速度場，分別測量了vx，vy，vz3個方向的速度，并對3個速度的分布進行了分析研究。利用三維CFD仿真方法對氣流角的影響因素進行分析，相關報道較少，本研究對渦輪整機進行了模擬計算，研究了不同參數對氣流角的影響。

1 計算模型建立及驗證

本研究采用某渦輪增壓器的向心渦輪作為研究對象，該渦輪采用無葉噴嘴環結構。針對該向心渦輪采用Numeca軟件對其進行數值研究，網格劃分模型及網格分布見圖1。渦輪箱的網格為六面體網格，采用IGG模塊手動劃分，渦輪葉輪與出口段的網格采用Autogrid模塊自動生成，最終生成相對質量較高的網格。

由于計算資源的限制，本研究采用單流道計算，計算參數選用理想氣體和Turbulent Navier－stokes數學方程，湍流模型采用S－A一方程模型。固體壁面條件為不滲透、無滑移、絕熱邊界條件；R／S交界面采用守恒性混合面處理方法；根據試驗數據和經驗設置進出口等邊界條件，全局殘差下降到3.5個數量級，進出口流量誤差不超過0.2%時，計算結果滿足收斂的標準。

圖2示出CFD計算與試驗結果的對比。圖中所用的流量為相對相似流量（此流量為實際相似流量與某一參考相似流量的比值，后面出現的效率和流量值均為相對值）。從圖2可以看出，在不同轉速工況下，流量的試驗值均比計算值高一些，但最大誤差不超過7%。產生誤差的原因是在渦輪特性試驗中采用發動機廢氣推動渦輪做功，由于條件的限制，無法標定特性試驗中廢氣的具體成分及物理參數，因此在CFD計算中采用理想空氣進行研究，導致試驗值要比計算值高一些，但對于定性分析渦輪噴嘴出口氣流角的分布情況，計算模型也是真實可信的。

2 性能分析

圖3示出增壓器渦輪效率和流量特性。由圖3可以看出，在不同的轉速下，效率隨膨脹比的增大均呈現先增大后減小的趨勢，在某一膨脹比下獲得該轉速下的最大效率。流量也隨膨脹比的增大而增大，流量一定時，轉速越高膨脹比越大。這是因為隨著轉速的增大，渦輪的離心力增大，克服離心力所需要的膨脹比增大，獲得相同流量對應的膨脹比也增大。

圖4示出不同增壓器轉速下的渦輪箱總壓損失系數［5］對比。由圖4可以看出，不同轉速下，渦輪箱的總壓損失系數隨膨脹比的增大而增大，在相同膨脹比下，隨著轉速的增大總壓損失系數不斷減小。這主要是因為膨脹比相同時，轉速越高對應的渦輪流量越低，氣流在渦輪箱中的流動損失也越小。

3 噴嘴出口氣流角分析

噴嘴出口氣流角［9－10］對渦輪的性能有重要的影響，合適的噴嘴出口氣流角能降低氣流的沖角損失，有效提高渦輪效率。

3.1 膨脹比對噴嘴出口氣流角的影響

圖5示出膨脹比對噴嘴中間截面出口氣流角的影響。由圖5可以看出，不同的轉速下，噴嘴出口氣流角對膨脹比的變化不太敏感，與膨脹比沒有明顯的直接關系。可以認為隨著膨脹比的變化，出口氣流只是增大了速度的大小，而方向基本不變。在0°～60°周向角區域內，不同膨脹比工況下，氣流角分布均存在一個明顯的波谷區域，這是由喉口附近復雜的氣流運動導致的，這與文獻［5］得到的結論相同。

另外可以看出，在相同轉速下，噴嘴出口氣流角在0°～180°周向角區域內的分布隨膨脹比的變化基本不變，而在180°～360°周向角區域內，膨脹比對噴嘴出口氣流角分布影響稍大，并在180°～240°周向進氣區域內存在相對較大的波動。圖6、圖7示出增壓器轉速為60 000r／min，膨脹比為1.6時渦輪箱噴嘴出口截面切向和徑向速度分布云圖。從圖6可以看出，切向速度在蝸舌附近和180°～220°周向度位置附近存在明顯的低速區，蝸舌附近要更低，其他周向角內切向速度分布比較均勻。從圖7可以看出，徑向速度在蝸舌附近存在明顯的高速區，在周向角90°～150°范圍內存在明顯的低速區，其他周向角范圍徑向速度分布比較均勻。蝸舌附近切向速度較小、徑向速度較大，導致蝸舌附近的氣流角較小，這解釋了在周向進氣角0°～60°范圍內出現明顯波谷的原因。在周向角180°～220°范圍內切向速度較小，徑向速度變化不大，這導致在周向角180°～240°范圍內出現一小的波谷。

3.2 噴嘴寬度對噴嘴出口氣流角分布的影響

圖8示出不同轉速下膨脹比為1.6時，不同噴嘴寬度（噴嘴寬度的百分比是以渦輪葉輪輪背為基準，所截截面寬度與噴嘴環寬度的比值）對應的氣流角分布。由圖8可以看出，不同噴嘴寬度對應的周向氣流角分布不同，30%和70%噴嘴寬度對應的噴嘴出口氣流角分布趨勢基本相同，只是前者比后者稍小。10%和90%噴嘴寬度對應的噴嘴出口氣流角在0°～60°范圍內有一個小的波峰，并且在全周范圍內相對其他噴嘴寬度對應的氣流角較小，其中90%噴嘴寬度對應的噴嘴出口氣流角最小。在0°～60°范圍內，氣流的摻混造成50%噴嘴寬度附近產生低速區，增加了靠固壁端的氣流速度，使氣流角在此范圍有一個小波峰。圖9示出渦輪箱不同截面徑向速度分布云圖。由于幾何結構，氣流在流過靠近噴嘴環兩端時迅速加速，在噴嘴環寬度范圍內形成兩側速度高、中間速度低的分布，使10%和90%噴嘴寬度對應的氣流角較小。