軸向式可變截面渦輪增壓器噴嘴調(diào)節(jié)機理分析

盧隆輝，吳　龍，劉建軍

（1.三明學(xué)院 機電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.機械現(xiàn)代設(shè)計制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004 3.綠色鑄鍛及高端零部件制造協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 三明 365004）

軸向式可變截面渦輪增壓器噴嘴調(diào)節(jié)機理分析

盧隆輝1，2，3，吳龍1，2，3，劉建軍1，2，3

（1.三明學(xué)院 機電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.機械現(xiàn)代設(shè)計制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004 3.綠色鑄鍛及高端零部件制造協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 三明 365004）

對不同工況情況下的渦輪端的流場數(shù)值分析，得出以下結(jié)果：當(dāng)?shù)凸r時，氣體流經(jīng)低速葉片流道，膨脹比大，壓力能和熱能轉(zhuǎn)換成動能明顯，入口攻角氣體合適，流動情況好，渦輪效率高；當(dāng)高工況時，氣體流經(jīng)高速葉片，膨脹比小，壓力能和熱能轉(zhuǎn)換動能平緩，入口攻角較大，出現(xiàn)氣體分離現(xiàn)象，渦輪效率低。

軸向調(diào)節(jié)式；噴嘴葉片；流場；數(shù)值分析

渦輪增壓技術(shù)是柴油發(fā)動機上常規(guī)的技術(shù)之一，可提高渦輪柴油機的動力、經(jīng)濟和排放性能［1］。但是傳統(tǒng)的增壓器不能夠兼顧柴油機在高低工況下的使用特性，而可變截面渦輪增壓器技術(shù)著眼于發(fā)動機高工況（標(biāo)定工況）時的增壓需要來設(shè)計，通過減小渦輪端的流通截面積來改變渦輪效率和流量特性，使得增壓器與發(fā)動機在較寬工況范圍保持良好匹配關(guān)系［2］。這一匹配性能兼顧高、低工況對發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性的要求，同時更好地利用廢氣能量。

實現(xiàn)可變截面調(diào)節(jié)機構(gòu)的方案有多種，軸向式類型因結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)節(jié)范圍廣，匹配方式靈活，控制方式簡單，而得到廣泛應(yīng)用［3］。國內(nèi)外對可變截面噴嘴研究很多，主要通過對可變截面噴嘴環(huán)狀結(jié)構(gòu)的渦殼流場情況進行研究。如田勇祥、郭鵬江等通過CFD技術(shù)和實驗方法對對可變截面環(huán)狀式噴嘴對渦輪增壓器及發(fā)動機性能影響進行研究［4-5］；Steven W.Burd、J.Baet等對可變截面環(huán)狀式噴嘴區(qū)域流場分布情況進行分析［6-7］。但對于軸向式可變截面增壓技術(shù)中的噴嘴高低速葉片如何影響增壓器效率的研究較少。軸向式可變截面渦輪增壓器是通過舌形葉片（高低速葉片構(gòu)成）的軸向移動，改變渦殼內(nèi)噴嘴葉片工作區(qū)域，渦輪轉(zhuǎn)速隨之改變，壓氣效率也改變。因此，本文針對某軸向式可變截面渦輪增壓器的噴嘴在高低工況下的流場進行數(shù)值模擬，分析高低速噴嘴葉片的流場作用機理。

1　計算模型及方法

研究對象是某型號軸向式可變截面渦輪增壓器的噴嘴環(huán)葉片，如圖1所示，噴嘴葉片由16葉片構(gòu)成，單個葉片可分為高速葉片和低速葉片，高低速葉片固連在噴嘴機座上。在發(fā)動機全工況式，在噴嘴高速葉片起主導(dǎo)作用；低速葉片式在發(fā)動機低工況式，通過調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)軸向位移，使得噴嘴低速葉片起作用。噴嘴環(huán)測繪的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

圖1　噴嘴環(huán)座模型

表1　噴嘴環(huán)各參數(shù)值

根據(jù)噴嘴高低速葉片工作實際情況建立渦輪端流場工作三維模型，如圖2。

圖2　渦輪端流場模型

采用ANSYS ICEM CFD軟件對流場進行網(wǎng)格劃分，由于噴嘴區(qū)域網(wǎng)格質(zhì)量要求較高，且結(jié)構(gòu)規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，如圖3。

圖3　噴嘴環(huán)網(wǎng)格劃分

針對蝸殼和渦輪流場子區(qū)域部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，選擇非網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，其中蝸殼流場部分，采用四面體網(wǎng)格進行劃分，其網(wǎng)格單元數(shù)536344，如圖 4所示；渦輪流場部分采用四面體網(wǎng)格生成，其網(wǎng)格數(shù)151141，如圖 5所示。經(jīng)網(wǎng)格質(zhì)量檢查，生成的網(wǎng)格扭曲度全部低于 0.4，符合計算要求。

圖4　渦輪殼子區(qū)域流場網(wǎng)格劃分

圖5　渦輪流場區(qū)域

采用Fluent求解可變截面渦輪區(qū)域的非定常流體模型，該模型由三塊子區(qū)域構(gòu)成，即包括：蝸殼流場子區(qū)域、噴嘴子區(qū)域和渦輪子區(qū)域。各項工況設(shè)置參數(shù)如表2。其中，蝸殼流場子區(qū)域和噴嘴子區(qū)域設(shè)為靜止，將渦輪子區(qū)域部分定義為旋轉(zhuǎn)流體，相等于渦輪實際的轉(zhuǎn)速，各區(qū)域在交界面上通過interface來傳遞交換數(shù)據(jù)。將渦輪表面設(shè)為相對旋轉(zhuǎn)壁面（wall），其他壁面設(shè)置成靜止。由于氣體流速很高，忽略重力對流場的影響。由于氣體設(shè)置可壓縮氣體，并激活能量方程。

表2　柴油機及可變截面渦輪增壓器的工況參數(shù)

2　計算結(jié)果及分析

2.1渦輪特性分析

根據(jù)噴嘴高低速葉片情況，計算得到渦輪效率和膨脹比的關(guān)系特性，繪制成渦輪特性對比圖，如圖6。由圖6中可以得出，渦輪在低速工況區(qū)域，渦輪效率高，膨脹比大；渦輪在高速工況區(qū)域，膨脹比小，渦輪效率低。

圖6　高低工況渦輪特性對比

2.2噴嘴環(huán)中的流場分布情況

2.2.1噴嘴環(huán)區(qū)域壓力場分布分析不同噴嘴葉片工作時的噴嘴環(huán)區(qū)域壓力場分布分析如圖7～8：低工況時，噴嘴環(huán)區(qū)域在低速葉片作用下靜壓降低明顯，可達70.1%；高工況時，噴嘴區(qū)域靜壓降低相對低速區(qū)不明顯，可達49.7%。高低速葉片表面的靜壓分布，如圖10～11所示，噴嘴環(huán)葉片間氣體靜壓均沿著氣體流動方向降低，葉片頂部靜壓最大。低工況時，低速葉片的表面靜壓力降低明顯，低速葉片采用氣動葉型，背風(fēng)面靜壓變化比迎風(fēng)面明顯。高工況時，高速葉片上在噴嘴流道內(nèi)占主導(dǎo)作用，高速葉片表面靜壓力大于低速葉片，降低相對不明顯。因此，在低工況，低速葉片對氣體引導(dǎo)做功，氣體壓力能降低明顯；在高工況時，高速葉片在流場中起主導(dǎo)作用，氣體在噴嘴區(qū)域壓力能降低平緩。

圖7　噴嘴區(qū)域的靜壓分布（低工況）

圖8　噴嘴區(qū)域的靜壓分布（高工況）

圖9　噴嘴葉片的靜壓分布（低工況）

圖10　噴嘴葉片上靜壓分布（高工況）

2.2.2噴嘴環(huán)區(qū)域溫度場分布分析

不同噴嘴葉片工作時的噴嘴環(huán)區(qū)域溫度場分布分析：低工況時，如圖12，低速葉片起作用，氣體在經(jīng)過低速噴嘴區(qū)域時，溫度遞減明顯，可達8.2%；高工況時，如圖13，高速葉片溫度高于低速葉片，并呈現(xiàn)遞減變化。高低工況葉片表面的溫度分布，如圖14～15所示，噴嘴環(huán)葉片間表面溫度均沿著氣體流動方向降低，并隨氣流流動方向遞減。低工況時，低速葉片表面溫度遞減明顯，且葉片的背風(fēng)面比迎風(fēng)面降低更強烈；高工況下，高速葉片比低速葉片的溫度降低更明顯，并隨著葉型變化遞減。因此，低工況時，低速葉片在流道引導(dǎo)氣體做功，氣體熱能降低明顯；高工況，高速葉片起主導(dǎo)作用，熱能減小平緩。

圖11　噴嘴區(qū)域溫度分布（低工況）

圖12　噴嘴區(qū)域溫度分布（高工況）

圖13　噴嘴葉片的溫度分布（低工況）

圖14　噴嘴葉片上溫度分布（高工況）

2.2.3噴嘴環(huán)區(qū)域速度分布分析

不同噴嘴葉片工作時：低工況時，如圖15，低速葉片起作用，氣體在經(jīng)過低速噴嘴區(qū)域時，低速葉片起作用，速度大小變化明顯，可達66.2%，方向變化可達16.2°。高工況時，如圖16，氣體在高速葉片的作用下，速度變化平緩，僅為14.3%，方向變化可達5.6°。高低速葉片表面的速度矢量分布，如圖17～18所示，噴嘴環(huán)葉片間表面氣體流動速度均沿著氣體流動方向增加，氣體動能增加。低工況時，低速葉片對氣體的引導(dǎo)，葉片表面速度增大明顯，氣動葉型的迎風(fēng)面比背風(fēng)面變化更明顯；高工況時，葉片表面速度增加平穩(wěn)，高速葉片比低速葉片變化略大。因此，低工況時，低速氣動型葉片引導(dǎo)氣體做功，氣體動能增大明顯；高工況時，高速葉片在流道中起主導(dǎo)作用，氣體動能增加平緩。

圖15　噴嘴區(qū)域速度矢量分布（低工況）

圖16　噴嘴區(qū)域速度矢量分布（高工況）

圖17　噴嘴葉片表面速度矢量（低工況）

圖18　噴嘴葉片表面速度矢量（高工況）

2.3不同噴嘴截面渦輪進口攻角研究

通過上述分析，高低噴嘴葉片工作時，不僅改變氣體噴嘴出口速度值大小，同樣也改變了氣體流出噴嘴區(qū)域速度方向。氣體在噴嘴環(huán)葉片的引導(dǎo)下進入葉輪，由于氣體的相對速度和葉輪進口速度角之間常存在一個相對角度，如果這個角度不適當(dāng)，將會引起氣流與葉片的不合理沖擊，氣體無法穩(wěn)定流入渦輪子午流道面，導(dǎo)致氣流在流道內(nèi)產(chǎn)生擾動，引起能量損失。相關(guān)研究表明，進行渦輪的最佳效率出現(xiàn)在負攻角情況下，一般在-20°～-40°之間。Yeo和Baines通過實驗得到渦輪最高效率工況下，葉輪入口的最佳攻角在-30°左右［8］。因此，通過CFD數(shù)值模擬計算渦輪進口速度結(jié)果，以研究分析其入口流場情況。

渦輪進口攻角是進口葉片角βb1與相對氣流角β1之間的差值，即：i=βb1-β1。

研究的增壓器的渦輪為徑向渦輪，其葉片進口角βb1為0°，根據(jù)噴嘴葉片最小和最大開度條件下，氣體相對速度ω、氣體進口平均速度Cu、氣體進口速度圓周方向分量Cu1、渦輪圓周速度u1構(gòu)建的進口速度三角關(guān)系，繪制渦輪平均進口攻角。

繪制噴嘴葉片小開度渦輪平均渦輪入口攻角為-32°，如圖19所示。根據(jù)渦輪進口流速矢量圖可看出渦輪進口流場流動情況，如圖20，氣體進入葉輪順利，流場分布均勻，速度變化梯度明顯，且在渦輪葉片吸力面上有很強的回流現(xiàn)象，回流現(xiàn)象出現(xiàn)在葉片進口的中下段，流動內(nèi)流通順暢，氣體在吸力上的流動不發(fā)生分離，從而保證較好的渦輪效率。

繪制噴嘴葉片大開度渦輪平均渦輪入口攻角為-41°，如圖21所示。根據(jù)渦輪進口流速矢量圖可看出渦輪進口流場流動情況，如圖22所示，氣體進入渦輪流動順暢，速度變化梯度較明顯，在渦輪葉片靠近葉頂?shù)奈γ嫔嫌泻軓姷幕亓鳜F(xiàn)象，葉根部易堵塞，由此導(dǎo)致氣體在遠離回流區(qū)的吸力面葉根部的流動發(fā)生分離，降低渦輪效率。

圖19　噴嘴出口氣體攻角（低速葉片）

圖20　渦輪入口處氣體流動情況（低速葉片）

圖21　噴嘴出口攻角（高速葉片）

圖22　渦輪入口處氣體流動情況（高速葉片）

3　結(jié)論

（1）軸向式可變截面渦輪增壓器在高低速噴嘴作用時，氣體在低速葉片作用時，膨脹比大，渦輪特性效率高，在高速葉片主導(dǎo)作用時，膨脹比小，渦輪效率較低。

（2）根據(jù)工況不同，在低工況時，氣體由氣動型低速葉片起作用，壓力能和熱能明顯降低，動能明顯增加；而在發(fā)動機高況時，氣體由高速葉片工作起主導(dǎo)作用，壓力能和熱能降低平緩，動能增加平緩。

（3）氣流流經(jīng)氣動型低速葉片，獲得較好的入口攻角，氣體流動順暢，渦輪效率高；氣體流經(jīng)高速葉片，入口攻角偏大，葉根部易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，氣體在渦輪吸力面出現(xiàn)分離現(xiàn)象，渦輪效率低。

［1］朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1992：345-348.

［2］蘇展望，龐志偉，郭軍良，等.渦輪增壓器與燃氣發(fā)動機的匹配及主要增壓器參數(shù)的計算［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2008（6）：15-17.

［3］王建昕，帥石金.汽車發(fā)動機原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011：109-119.

［4］田永祥，劉云崗，王志明，等.噴嘴葉片形狀的改善對渦輪增壓效率的影響［J］.汽車工程，2007，29（4）：328-332.

［5］郭鵬江，王天靈，吳君華，等.可變噴嘴渦輪增壓器噴嘴環(huán)葉片位置對柴油機性能的影響［J］.內(nèi)燃機工程，2010，31 （2）：41-47.

［6］STEVEN W B，TERRENCE W S.Flow measurements in a nozzle guide vane passage with a low aspect ratio and endwall contouring［J］.Journal of Turbomachinery，2000，122（10）：659-666.

［7］BAET J，ZEHNDER M.Variable turbine geometry turbochargers［J］.D>W，1998，22（9）：10-14.

［8］YEO J H，BAINES N C.Pulsation flow behavior in a twin-entry vaneless radial inflow turbine［J］.Pro Inst Mech Engrs，1996（12）：113-122.

（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Mechanism of Nozzle Ring Vane Adjustment of Axial VGT

LU Long-hui1，2，3，WU Long1，2，3，LIU Jian-ju1，2，3

（1.School of Mechanical&Electronic Eng.，Sanming University，Sanming365004，China；2.Fujian Province Engineering Research Center of Mechanical Modern Design&Manufacture，Sanming 365004，China；3.Collaborative Innovation Center of Green Casting-Forging Industry&High-End Parts，Sanming 365004，China）

Numerical simulation of the flow field in turbine end in different working conditions is analyzed.The results show that:the gas flow through the low-speed nozzle course at low load，which has the high expansion ratio.The pressure energy and heat energy transform obviously into kinetic energy.The gas has proper inlet angle of attack，and the internal flow of the turbine is well，so that turbine efficiency is high；the gas flow through the high-speed nozzle course at high load，which has the low expansion ratio.The pressure energy and heat energy transform relatively slowly into kinetic energy.The inlet angle of attack is relatively big，and the phenomenon of the gas separation occurs，so that turbine efficiency is low.

axial VGT；nozzle vane；flow field；numerical simulation

TK421.8

A

1673-4343（2016）02-0074-08

10.14098/j.cn35-1288/z.2016.02.012

2016-01-26

三明學(xué)院科研基金項目（B201404/Q）；福建省中青年教師教育科研項目（JA15479）

盧隆輝，男，福建建寧人，助教。主要研究方向：汽車零部件設(shè)計分析。