渦輪增壓器渦輪葉片的流場分析

張捷

摘 要：為了對長期工作在高溫高壓環(huán)境里的渦輪增壓器進行定性分析，以明確渦輪的工作狀態(tài)，本文利用三維建模軟件Unigraphics NX建立渦輪模型，并通過CFD軟件STAR-CCM+對渦輪增壓器渦輪的流場進行計算，研究了渦輪的溫度和壓力場分布，因為渦輪在高溫高壓作用時，壓力和溫度分布對渦輪葉片的強度有一定的影響，為后續(xù)的渦輪應(yīng)力分析工作提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓器；CFD；溫度；壓力

中圖分類號：U464.115 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）03-0054-01

渦輪增壓器是利用廢氣能量來壓縮空氣的一種經(jīng)濟有效的裝置，通過高溫高壓的廢氣帶動渦輪轉(zhuǎn)動，從而帶動同軸的壓氣機工作[1-2]，本文通過流體軟件計算，分析渦輪的壓力和溫度分布情況以及對渦輪產(chǎn)生的影響。

1 模型的建立

1.1 幾何模型

本文利用三維建模軟件Unigraphics NX來建立渦輪模型，考慮到渦輪葉片的曲面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在不影響計算精度的情況下，對模型進行了簡化處理，得到渦輪葉片的三維幾何模型如圖1所示。

1.2 網(wǎng)格模型

對渦輪葉片進行網(wǎng)格劃分的同時，需提取出流體通道，因此本文將流場劃分為三段，分別是進氣通道、出氣通道和渦輪葉片。本文采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其中通道區(qū)域生成494166個網(wǎng)格，渦輪葉片生成238336個網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量均滿足精度要求，得到的網(wǎng)格模型如圖2和圖3所示。

2 邊界條件

渦輪增壓器長期處在高速高壓下工作，增壓器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高達數(shù)萬r/min，本文選定工作轉(zhuǎn)速為80000r/min，并對渦輪的內(nèi)部流場做以下假設(shè)：

（1）工作介質(zhì)為連續(xù)、可壓縮氣體，其他特性參數(shù)采用系統(tǒng)默認的數(shù)值；

（2）流體流量從渦輪入口流入、從出口流出，忽略渦輪葉片在高速運轉(zhuǎn)下產(chǎn)生的形變對流場的影響。

選擇模型：由于流體流動較不穩(wěn)定，流速的微小變化容易引起能量的交換[3]，因此本文選擇k-ε湍流模型。

入口邊界條件：入口邊界條件一般有質(zhì)量、壓力和速度入口三種，其中壓力入口是通用的邊界條件，對于不可壓縮的流動，選取速度入口，而對于可壓縮的流動，則選擇質(zhì)量入口邊界條件[4]。本文選定初始邊界條件為質(zhì)量入口，指定入口處的質(zhì)量流速為0.1kg/s，進口溫度為900℃。

出口邊界條件：采用壓力出口，出口壓力為0.134MPa。

固體屬性：固體壁面為滑移壁面，傳熱方式設(shè)置成絕熱的邊界條件，渦輪結(jié)構(gòu)材料為K418高溫合金鋼，彈性模量為210GPa，屈服極限為780MPa。

3 計算結(jié)果及分析

本文利用流體分析軟件STAR-CCM+，計算渦輪在80000r/min的情況下的流場分布情況，得到渦輪的溫度和壓力場分布，并分析通道內(nèi)的流速分布情況。

3.1 壓力和溫度場結(jié)果

從圖4可以看出，整個溫度分布呈現(xiàn)規(guī)律性。在進口溫度900℃的情況下，高溫廢氣經(jīng)進氣通道直接與渦輪葉片接觸，熱量直接傳遞給渦輪葉片，最高溫度發(fā)生在葉片與廢氣直接接觸的凹面部分，高達878℃，溫度接近于入口處溫度，降低幅度較弱，因為廢氣沿著通道傳遞的過程中，熱量有一部分散失。

根據(jù)渦輪增壓器的工作原理可知，廢氣經(jīng)過進氣通道作用在葉片上，廢氣的流動方向從徑向沖擊變成軸向傳遞，沖擊會造成能量的損失[5]，因此軸向方向，溫度明顯低于縱向葉片上的溫度。

圖5為渦輪的壓力場分布情況，從圖中可以看出，沿著氣體的流動方向，壓力逐漸降低，縱向壓力最高，軸向壓力較低，最高壓力發(fā)生在葉尖處，同時葉根處壓力也普遍較高，由于燃燒后的廢氣帶有巨大的能量，給葉片很大的沖擊，如果葉片強度不夠，隨著時間推移，在葉尖處會出現(xiàn)裂紋等隱患，給渦輪增壓器的正常工作帶來不良的后果，因此足夠的結(jié)構(gòu)強度是提高保證增壓器渦輪正常工作的關(guān)鍵因素之一。目前使用的渦輪材料是高強度鋁合金和高溫鑄造合金，仍有一定的延性范圍（約3%～5%）[6]，隨著材料技術(shù)的發(fā)展，目前的新型高強度鋁合金材料都有較好的延性，一般可以達到約10%，在破壞前產(chǎn)生大量的塑性變形。

3.2 流速分布結(jié)果

速度場分布如圖6所示，廢氣從進氣道進入，流速均勻分布，隨著渦輪結(jié)構(gòu)的變化，在渦輪葉片拐角處，流速增大，這是因為蝸殼的特殊形狀，有引流的效果，在此處將能量轉(zhuǎn)換成動能，并帶動與渦輪同軸的壓氣機旋轉(zhuǎn)，壓縮空氣，實現(xiàn)將廢氣的能量有效利用的目的。

4 結(jié)語

（1）最高溫度和最大壓力發(fā)生在渦輪葉片與廢氣直接接觸的區(qū)域，沿著氣體流動方向，溫度和壓力逐漸降低。

（2）流速分布圖和壓力溫度圖結(jié)果吻合，有效的反應(yīng)了壓力和溫度最高區(qū)域的發(fā)生原因。

（3）本文只計算轉(zhuǎn)速80000r/min，入口質(zhì)量0.1kg/s，進口溫度為900℃情況下的溫度和壓力分布，存在一定的局限性，后續(xù)仍需要對不同入口質(zhì)量和入口溫度以及不同的轉(zhuǎn)速進行研究，對比分析三者對渦輪的溫度和壓力分布的影響。

參考文獻

[1]朱磊.考慮浮環(huán)支承的渦輪增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[2]黨啟柏.車用雙渦圈渦旋增壓器的設(shè)計研究[D].蘭州理工大學(xué)，2008.

[3]周禛.柴油機冷卻液流動及流固耦合傳熱的仿真研究[D].大連理工大學(xué)，2013.

[4]張新.車用可變渦輪增壓器渦輪流場CFD分析[D].昆明理工大學(xué)，2012.

[5]李元穎，馮耀南，楊曉琴. CFD在渦輪排氣管增壓器流場分析中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機與配件，2014，11：11-13.

[6]趙俊生，馬朝臣，胡遼平.車用渦輪增壓器葉輪破裂轉(zhuǎn)速的彈塑性數(shù)值分析[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2008，01：45-49.