基于螺旋貝殼仿生的發動機增壓器渦輪蝸殼設計提升渦輪性能

吳 娜，張克松，王希波，馬云海

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基于螺旋貝殼仿生的發動機增壓器渦輪蝸殼設計提升渦輪性能

吳 娜1，張克松1，王希波1，馬云海2※

（1. 山東交通學院汽車工程學院，濟南 250357；2. 吉林大學工程仿生教育部重點實驗室，長春 130022）

增壓器蝸殼性能直接影響增壓器整體效率和性能。通過降低蝸殼內腔流動阻力、減少蝸殼能量損失對提高增壓器效率和性能具有重要意義。海洋螺旋形貝殼在進化過程中形成了減少流體阻力、降低運動過程中流體能量損耗的結構特征。該文以螺旋貝殼為仿生原型，通過逆向工程技術獲取貝殼內腔數據，在幾何分析的基礎上提取內腔截面部分數據作為仿生蝸殼設計原始數據，并完成數學建模。通過數據優化得到增壓器渦輪蝸殼仿生設計截面曲線，實現蝸殼仿生曲面設計。建立原型增壓器和仿生增壓器計算模型，在原型增壓器仿真模型與臺架試驗吻合較好的條件下，采用流體力學軟件對原型及仿生優化增壓器渦輪效率、流通特性及蝸殼內流態等性能進行仿真分析。結果表明，渦輪流通能力不變情況下，仿生蝸殼使渦輪效率提升3%，最大可提升5%以上；流場分析結果表明，仿生優化蝸殼減小蝸殼壁面附近的流動損失和流道內氣流摩擦，殼內流動平穩均勻，無旋流，是渦輪效率明顯提高的根源。本文所采用的方法對增壓器渦輪性能的提升顯著，可以為汽車和農業機械渦輪增壓系統設計和優化提供參考和借鑒。

仿生；設計；試驗；渦輪蝸殼；渦輪效率；螺旋貝殼；流通能力

0 引 言

渦輪增壓器已成為柴油機和汽油機的重要部件。渦輪增壓器的使用可以大幅提升內燃機的動力性能和燃油經濟性，也是內燃機小型化的關鍵手段。研究提升增壓器性能得到國內外工程人員的重視[1-5]。增壓器蝸殼對渦輪和增壓器性能有著重要影響[6-9]，蝸殼的不同幾何設計參數影響蝸殼的曲率變化、蝸殼腔內流體與壁面間的摩擦力及壓力梯度分布，改變蝸殼腔內流場分布，影響蝸殼腔內的流體運動規律、壓力分布及能量損失，影響蝸殼工作性能[10-13]，增壓器蝸輪蝸殼流道設計水平對渦輪的效率和流通能力起著關鍵作用[14-17]。目前還沒有成熟的蝸殼流道截面的設計方法，蝸殼結構的優化設計方法還處在不斷發展完善中[18-20 ]。

傳統增壓器蝸殼的設計采用公式計算并修正的方法進行，常用計算方法為周向平均速度法和等環量法。這2種傳統設計方法完全依據理論計算得出。盡管設計結果也會根據實驗數據進行微調整，但完全依據理論計算的蝸殼設計方法單一，且阻礙了蝸殼設計技術的快速發展。

仿生設計通過對生物結構、生物功能和生命過程的認識為解決工程和機械設計中的難題提供巧妙的設計思路和靈感[21-25]。采用仿生技術進行渦輪蝸殼設計可實現蝸殼設計技術的創新和發展。螺旋貝殼是軟體動物的保護外套，在億萬年的進化過程中，已進化出適應海洋生存，減小流動摩擦阻力的宏觀流線形結構和形體，這為增壓器蝸殼設計提供了新的思路和方法。本文以螺旋貝殼為研究對象，采用仿生學方法對現有增壓器渦輪蝸殼進行優化設計，采用數值模擬方法對優化前后的渦輪結構進行全面分析研究，對比研究仿生蝸殼性能。

1 仿生增壓器渦輪蝸殼設計

1.1 螺旋貝殼內腔截面輪廓線建模

螺旋貝殼如圖1a所示。利用逆向工程技術，獲取螺旋貝殼內腔的數字化點云如圖1b所示。考慮到增壓器蝸殼入口和出口的比值大小直接影響增壓器整體效率，由螺殼大端入口按螺旋方向取其270°內的螺旋貝殼曲面模型，過螺殼正投影圓心均角度依次截取16個截面，角度間隔18°，如圖2a所示。螺殼內腔截面輪廓線形狀如圖2b所示。對第1條截面輪廓曲線進行幾何特征分析，結合增壓器蝸殼流道設計原理，提取輪廓線的曲率變化均勻、流線型較好的部分數據點云，擬合處理后作為蝸殼流道截面設計的部分基準輪廓線（如圖2b所示）。將曲線在數學分析軟件中進行幾何特征分析可知，點云擬合曲線是長軸為17.54，短軸為14.18橢圓的一部分。

圖1 螺旋貝殼和內腔點云

采用最小二乘法完成曲線數學建模。曲線數學模型方程為

通過曲線鏡像獲得增壓器仿生蝸殼通道最大截面幾何形狀如圖2c所示，其形狀類似水滴形。依次處理獲得其余15條螺殼內腔截面輪廓部分曲線，數學模型如表1所示，其中。軟件鏡像處理后獲得增壓器渦輪蝸殼流道截面設計曲線。

表1 螺殼內腔截面部分輪廓曲線的數學模型

1.2 仿生增壓器渦輪蝸殼設計

將獲得的截面曲線依據面積由小到大的次序沿360°圓周向展開排列，作為增壓器蝸殼流道設計的截面線，每個截面線分隔間距為22.5°，具體形式如圖3所示。以16條截面輪廓線為基礎數據實現增壓器渦輪蝸殼的曲面設計，蝸殼流道出口處曲面與蝸殼通道曲面相切過渡，將造型曲面依據實際增壓器渦輪蝸殼厚度進行加厚處理，實現仿生增壓器渦輪蝸殼流道設計，如圖4所示。

圖3 蝸殼流道截面仿生設計曲線

圖4 仿生蝸殼設計模型

2 仿生增壓器渦輪蝸殼性能仿真分析

本文以某型排量1.5 L的車用汽油機用增壓器為研究對象，采用數值模擬方法分析常用工況范圍內原型蝸殼和仿生設計蝸殼的性能差異。首先以原型蝸殼建立數值模型，并驗證其可靠性。然后以原型蝸殼為基礎，匹配仿生蝸殼。在常用工況范圍內對仿生蝸殼和原型蝸殼進行數值仿真，并從微觀流場探索兩者差別，從而實現對增壓器蝸殼的優化。

2.1 仿真模型建立

原型蝸殼與仿生蝸殼的三維建模結構如圖5所示。建模過程中2個增壓器蝸殼/保持一致，蝸殼出口寬度與出口直徑保持一致。仿真模擬中渦輪形式采用全輪盤向心徑流式結構，葉片數為11片，進口直徑為37 mm，出口直徑為32.1 mm，值為12.56 mm，相應壓氣機葉輪直徑為44.2 mm，蝸殼噴嘴寬度4.8 mm。

圖5 原型與仿生蝸殼結構對比

仿真數學模型采用雷諾時均N-S方程組[26]，選用RNG方程模型。計算域分為蝸殼進口延長段、蝸殼、轉子和渦輪出口延長段共4個域，轉子區域采用結構化網格，在葉片周圍添加O型結構網格；而蝸殼由于流道造型復雜，采用非結構網格；在渦輪和蝸殼的各個壁面附近均添加了附面層網格[26]，2種結構的蝸殼在劃分網格時采用同樣的網格參數和方法。仿真模擬中，共用的渦殼進口延長段、轉子區域和渦輪出口延長段的網格單元數分別為119 595，2 769 008和116 085；原型渦殼網格數為752 431，仿生渦殼的網格數為784 168，仿生渦殼由于和原型渦殼保持相同的值而增大了流道截面，其網格總數比原型渦輪模型多3.1萬。

蝸殼和出口延長段設定為靜止域，轉子部分設定為旋轉域，流體域之間用凍結交接面連接。模型壁面均設定為光滑、無滑移、絕熱的狀態，流體定義為理想氣體，流體粘度設置為溫度的函數，各物性參數根據試驗數據查表而得[27]。模擬計算中，2種蝸殼所匹配的渦輪轉子域完全相同。

2.2 數值仿真模型驗證

數值仿真模型的試驗驗證在QYZ-2型增壓器試驗臺進行，如圖6所示。圖6a為試驗臺照片，圖6b為試驗臺工作流程圖。壓氣機進口流量采用雙紐線流量計測量，最大測量誤差小于2%FS。壓氣機入口和出口均設有有壓力傳感器和溫度傳感器，渦輪進口處設置有有渦輪進氣壓力和進氣溫度傳感器，渦輪出口的延長管道中有渦輪排氣壓力和排氣溫度傳感器。壓力傳感器最大誤差小于2.5%FS，溫度傳感器最大誤差小于3%FS。

高壓氣源的空氣經過燃燒室的加熱達到試驗設定的渦輪進氣溫度，燃燒室的燃油為柴油。渦輪流量等于壓氣機流量加上燃油流量。試驗時，增壓器轉速誤差控制在±200 r/min，在增壓器工作工況穩定3 min后通過數據采集器同時采集所有相關參數。

圖6 增壓器試驗臺及結構原理圖

驗證試驗以原型蝸殼進行，對比在相同轉速、相同進口絕對壓力和進氣溫度條件下，試驗流量和模擬流量。選取12×104、16×104和20×104r/min作為典型工況點進行驗證，3個工況對應的蝸殼進口絕對壓力、溫度、實測流量和模擬仿真得到的流量如表2所示。

對比表2中實測流量與模擬流量，可以發現在中、低轉速工況下，模擬和試驗吻合較好；而在高轉速工況下，模擬值與試驗值相差略大，最大誤差為2.68%。這與模型的簡化、試驗傳感器精度、測量不確定性等因素有關[28-29]。總體而言，模擬計算的最大誤差在允許范圍內，認為仿真模型與試驗吻合較好，模型具有較好的可靠性，可以滿足后續研究的要求。

表2 原型蝸殼的模擬計算和試驗對比

3 原型蝸殼與仿生蝸殼仿真結果分析

對2種蝸殼進行典型工況的模擬計算，選擇12× 104、16×104和20×104r/min三個轉速，分別代表渦輪運行的低中高轉速。模擬計算后，對所涉及的工況進行宏觀性能分析，評價參數為渦輪效率、流通特性和蝸殼總壓損失系數。

3.1 渦輪效率分析

渦輪效率是評價渦輪工作性能的最重要參數之一。兩種蝸殼對渦輪效率的影響如圖7所示。在不同轉速工況下，隨著膨脹比的增加，渦輪效率先增大而后減小。轉速越低，渦輪效率變化越快。

由效率對比分析可知，所有工況下，配有仿生優化蝸殼的渦輪效率均高于原型蝸殼的渦輪效率，2種情況下渦輪效率差值均在1.3%以上。固定轉速條件下，渦輪進口壓力越小，兩者效率的差值越大；在中低轉速工況下，普遍相差3%以上。渦輪轉速越低，效率差值越大，當轉速為12×104r/min、進口膨脹比為1.2的工況時，效率最大差值為5.56%。這些趨勢說明，相對原型蝸殼，仿生優化蝸殼不但效率高，而且在低工況時明顯提升了渦輪效率。中低轉速工況下普遍提升3%以上，最大提升效率5%以上。這有利于增壓器改善發動機的換氣情況，特別是低速工況，有效改善廢氣渦輪增壓器低速響應特性，從而提升發動機低速扭矩和加速性能，有利于改善車輛的燃油經濟性能和動力性能。

圖7 仿生蝸殼與原型蝸殼的渦輪效率對比

3.2 渦輪流通特性分析

2種蝸殼對渦輪流通特性的影響如圖8所示。隨著膨脹比的增加，渦輪流通能力增加，對應變化關系基本呈線性關系。渦輪流通能力受轉速的影響較小，在中低轉速工況下，渦輪的流量曲線基本重合，在20×104r/min高轉速的高膨脹比工況時，仿生優化蝸殼的渦輪流量略小于原型蝸殼，但沒有明顯差別，其流通特性基本相同。

3.3 流場分析

當仿生渦輪的流通能力與原型渦輪基本保持一致情況下，渦輪效率有了明顯的提升。渦輪效率提升的主要原因是渦輪流場的優化。由圖7可知，20×104r/min時渦輪雖具有最高效率點，但是效率曲線的最高點不在同一工況點，仿生蝸殼和原型蝸殼的渦輪最高效率點分別對應的膨脹比為2.1和2.3，所以流場分析選取轉速為16× 104r/min、膨脹比為1.8的工況進行。

圖8 仿生蝸殼與原型蝸殼的渦輪流量特性對比圖

圖9為原型和仿生蝸殼周向90°～220°范圍內的軸向截面上的速度矢量分布。原型蝸殼在流道噴嘴出口附近出現2個氣流回旋渦，說明蝸殼內部有螺旋滾流，在上下壁面附近氣流的影響下，上下回旋渦的旋向相反，產生混流現象。蝸殼流道中產生的氣流螺旋滾流使得蝸殼內部流動特性變差，增加混流損失，影響渦輪葉輪內部的流動，降低了渦輪總體效率。而優化后的蝸殼流道內部的氣流則規律地流向蝸殼出口噴嘴，且呈上下對稱分布，氣流的流動方向一致性更好，氣流更為平滑地進入葉輪流道中進行膨脹做功，有利于下游的渦輪轉子做功，使增壓器性能提高。

圖9 相同周向位置的葉輪流道50%葉片高度截面上的速度矢量分布

4 結 論

1）以螺旋貝殼為研究對象，采用仿生方法實現增壓器渦輪蝸殼優化設計。通過逆向工程技術獲取螺殼內腔幾何數據，并提取16條螺殼截面部分數據曲線作為蝸殼仿生優化設計原始數據，完成數學建模。曲線經軟件處理后生成增壓器渦輪仿生蝸殼設計。

2）2種蝸殼的增壓器渦輪流體仿真結果表明，在渦輪流通能力基本不變的情況下，優化蝸殼渦輪的效率得到明顯提升，最大可提升5%以上，渦輪做功能力增加，仿生設計方法對渦輪性能的提升顯著。

3）渦輪流場分析結果表明，優化后的渦輪內部流體流動更為合理，蝸殼流道內的氣流上下對稱平穩流入下游渦輪葉輪內部，內部氣流較為順暢，改善了原型蝸殼內的滾流現象，減小了由于混流引起的能量損失，蝸殼出口氣流的波動較小，這些因素有效促進廢氣的能量轉換，提升了渦輪總體效率。

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Bionic design of turbocharger volute based on spiral shellsimproving turbine performance

Wu Na1, Zhang Kesong1, Wang Xibo1, Ma Yunhai2※

(1.250357,;2.130022,)

The performance of the supercharger volute directly affects the overall efficiency and capability of the turbocharger. It is important to improve the efficiency and performance of the turbocharger by reducing the flow resistance and decreasing the energy loss of the volute. Many measures are taken to improve the efficiency of the volute. Ocean spiral shells have evolved to reduce fluid resistance and cut down fluid energy loss during motion. In this paper, the spiral shell was taken as the biomimetic prototype, and the cavity data of the spiral shells were obtained by reverse engineering technology. The internal cavity cross-section data of shells were extracted in the range of 270 degrees. After the cross-section curves were optimized, they were taken as the section curves to construct the bionic volute. And then the volute bionic surface design was realized. The computational models of the prototype and bionic supercharger were finished. Taking the turbocharger volute of the gasoline engine with 1.5-liter displacement as the research object, the numerical analysis method was used to realize the performance difference between the bionic volute and the prototype volute. First, the prototype numerical model’s reliability was verified. Then the bionic volute was matched with the prototype turbine system. The numerical simulation of the bionic volute and the prototype volute was carried out in the range of common working conditions, and the difference between the two was explored from the microscopic flow field. During the modeling process, the A/R values of the two turbine volutes were the same, and the outlet width of the volute was consistent with the outlet diameter. The verification test was carried out on a QYZ-2 turbocharger test bench. The inlet flow of the compressor was measured by a double-line flowmeter, and the maximum measurement error was less than 2% FS. Both the inlet and the outlet of the compressor were provided with a pressure sensor and a temperature sensor. The turbine inlet was provided with a turbine inlet pressure sensor and an intake temperature sensor, and the turbine outlet had a turbine exhaust pressure sensor and an exhaust temperature sensor in the extension duct. The maximum error of the pressure sensor was less than 2.5% FS, and the maximum error of the temperature sensor was less than 3% FS. The maximum error of the simulation calculation was within the allowable range. The simulation results showed that the simulation model was in good agreement with the test bench, and has good reliability. Therefore, the numerical model can meet the requirements of subsequent research. In the simulation, 12×104, 16×104and 20×104r/min were selected to represent the low, medium and high operation speed of turbine respectively. The evaluation parameters included turbine efficiency, flow characteristics and total volute loss coefficient. The results showed that the turbine flow capacity increases with the increase of the expansion ratio increase. And the turbine flow characteristics of the two volutes were basically the same. The results showed that the turbine efficiency can be increased by 3% and by up to 5% under the condition of keeping the same turbine flow capacity matching two volutes. The flow field analysis results showed that the bionic optimization volute reduces the flow loss near the inner surface of the volute and the airflow friction in the flow channel. And the flow resistance was small, the whole flow in the bionic volute was smooth and uniform, and there was no swirling flow. Therefore, the turbine efficiency can be significantly improved. The bionic design method used in this paper had a significant improvement on turbocharger turbine performance, and can provide reference and method innovation for the design and optimization of automotive and agricultural machinery turbocharging systems.

bionic; design; experiments; turbine volute;turbine efficiency; spiral shells; flow capacity

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.008

TB17

A

1002-6819(2018)-19-0060-06

2018-06-18

2018-08-16

國家自然科學基金資助項目（51505259，51475205）；山東省自然科學基金資助項目（ZR2015EL026）

吳 娜，副教授，博士，主要從事仿生機械工程研究。 Email：wuna1978@163.com

馬云海，教授，博士生導師，研究方向為仿生材料及其摩擦學。 Email：myh@jlu.edu.cn

吳 娜，張克松，王希波，馬云海.基于螺旋貝殼仿生的發動機增壓器渦輪蝸殼設計提升渦輪性能[J]. 農業工程學報，2018，34(19)：60－65. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.008 http://www.tcsae.org

Wu Na, Zhang Kesong, Wang Xibo, Ma Yunhai.Bionic design of turbocharger volute based on spiral shellsimproving turbine performance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 60－65. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.008 http://www.tcsae.org