某型軸流渦輪噴嘴沖角特性研究

王雪東 王銀燕 楊傳雷 王賀春

摘要：渦輪的流量特性和效率特性，對(duì)渦輪與柴油機(jī)的匹配有重要影響。文章中保持渦輪邊界條件相同，改變軸流渦輪噴嘴的沖角，并采用三維數(shù)值模擬，對(duì)某型軸流渦輪噴嘴沖角特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和流場(chǎng)分析。結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)工況下，在-40°-50°沖角下，渦輪內(nèi)氣體流動(dòng)穩(wěn)定，流量收斂，在-40°-40°范圍，渦輪流量值相差不到0.4%;兩個(gè)工況下渦輪最高效率沖角約為-30°，增加或降低該沖角，渦輪效率逐漸下降，工況越低，效率變化越明顯。

Abstract： The flow rate and efficiency characteristics of the turbine have an important influence on? turbine and the diesel engine matching. This paper keeps the same turbine boundary conditions， changes the incidence of a axial turbine nozzle， the numerical calculation and flow field analysis on incidence of a turbine nozzle were carried out by the use of 3D numerical simulation. The results show that under the two working conditions of the engine， at theincidence of -40°-50°， the flow in the turbine is stable and the flow rate converges. Within the range of -40°-40°， the turbine flow rate difference is less than 0.4%; Under the two working conditions， the incidence of best efficiency is about -30°， if the incidence is increased or decreased， the turbine efficiency will gradually decrease. The lower the engine working condition is， the more obvious the efficiency change will be.

關(guān)鍵詞：噴嘴沖角;渦輪特性;流場(chǎng);數(shù)值模擬

Key words： incidence of nozzle;characteristics of turbine;flow field;numerical simulation

0? 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是機(jī)械系統(tǒng)的核心部件，進(jìn)氣形式有自然吸氣、機(jī)械傳動(dòng)式渦輪增壓和廢氣渦輪增壓三種[1][2]。采用機(jī)械傳動(dòng)渦輪增壓會(huì)損耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率，增加油耗。為減小功率損失，采用廢氣渦輪增壓來驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)是比較可行的做法。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)朝著高功率密度、高效率和低油耗發(fā)展，除了保證增壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)良好地匹配，還應(yīng)使增壓器渦輪向高效率方向發(fā)展。

此前的研究大多集中于渦輪內(nèi)部流動(dòng)情況、渦輪葉片的分析，并且主要研究對(duì)象為徑流式渦輪。軸流式渦輪相比徑流式向心渦輪的主要優(yōu)點(diǎn)是流通能力強(qiáng)、高效率的流動(dòng)范圍寬。

柴油機(jī)是船舶中使用最廣的動(dòng)力裝置，現(xiàn)代柴油機(jī)大多采用廢氣渦輪增壓。廢氣渦輪增壓是應(yīng)用普遍的增壓技術(shù)，可以提升柴油機(jī)功率，降低油耗。廢氣渦輪增壓器與柴油機(jī)匹配效果的好壞主要與增壓器中渦輪、壓氣機(jī)的流量特性和效率特性有關(guān)[3]。

如果渦輪與壓氣機(jī)或柴油機(jī)匹配運(yùn)行時(shí)的絕熱效率偏低，則說明渦輪內(nèi)部流動(dòng)情況惡化，可能會(huì)造成渦輪做功量無法滿足壓氣機(jī)需求，增壓壓力降低，進(jìn)氣量減少，柴油機(jī)氣缸燃燒惡化，排溫過高等問題[4]。

若提高渦輪與柴油機(jī)匹配時(shí)的絕熱效率，可以使渦輪功率增加，提升柴油機(jī)的進(jìn)氣量，使柴油機(jī)進(jìn)氣與噴油量同步，改善燃燒，進(jìn)而提升柴油機(jī)的性能[5]。

本文應(yīng)用三維流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模擬方法，利用流體仿真計(jì)算軟件NUMECA對(duì)渦輪內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了分析。NUMECA是計(jì)算流體力學(xué)軟件的后起之秀，軟件核心算法使用Runge-kutta法，求解雷諾平均N-S方程。并采用殘差光順和多重網(wǎng)格加快收斂速度。基于柴油機(jī)不同運(yùn)行工況，對(duì)某型渦輪噴嘴環(huán)不同沖角下的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比，研究了渦輪效率與渦輪噴嘴進(jìn)氣沖角的關(guān)系。

1? 數(shù)值模擬方法

1.1 渦輪葉片實(shí)體模型的建立

渦輪三維模型的建立有很多種方法。由于本文渦輪運(yùn)行狀態(tài)是基于某型四缸直列低速柴油機(jī)，因此，渦輪設(shè)計(jì)參數(shù)的選取對(duì)與低速柴油機(jī)的良好匹配有至關(guān)重要的意義。本文渦輪葉片模型的設(shè)計(jì)是基于葉輪機(jī)械造型軟件NREC。NREC是一款新型的與流體機(jī)械密切相關(guān)的設(shè)計(jì)軟件。內(nèi)含Rital（徑流渦輪一維設(shè)計(jì)）、Axial（軸流渦輪一維設(shè)計(jì)）、Compal（離心式壓氣機(jī)一維設(shè)計(jì)）、Axcent（一維到三維轉(zhuǎn)化）等模塊，本文采用Axial及Axcent模塊，完成軸流渦輪葉片的三維模型設(shè)計(jì)。

渦輪參數(shù)的選取自某型船用低速機(jī)標(biāo)定工況下渦輪進(jìn)口及出口的參數(shù)。具體參數(shù)見表1。

NREC的優(yōu)點(diǎn)在于，用戶無需進(jìn)行復(fù)雜且耗時(shí)的葉片型線的設(shè)計(jì)。只需將渦輪進(jìn)出口條件，及影響渦輪性能的關(guān)鍵參數(shù)，如反動(dòng)度、流量系數(shù)、負(fù)荷系數(shù)等輸入，便會(huì)得到想要的渦輪幾何數(shù)據(jù)。圖1為渦輪葉片子午視圖。圖2為渦輪三維模型示意圖。表2為渦輪基本參數(shù)。

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分采用NUMECA軟件包中的Autogrid模塊，Autogrid是一款專為葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)的網(wǎng)格劃分軟件，生成速度快，網(wǎng)格質(zhì)量好，入口段為噴嘴前25mm處，出口段為動(dòng)葉都25mm處。渦輪網(wǎng)格劃分才用HCH網(wǎng)格，將網(wǎng)格通道分成5個(gè)網(wǎng)格區(qū)域，繞葉片區(qū)域單獨(dú)采用C型結(jié)構(gòu)，來滿足流體繞葉片流動(dòng)特征的捕捉。噴嘴網(wǎng)格數(shù)843087，動(dòng)葉網(wǎng)格數(shù)1312505，最小正交性33.24，最大長(zhǎng)寬比202.53，最大延展比1.8579。網(wǎng)格圖3為渦輪噴嘴網(wǎng)格圖。圖4為噴嘴尾緣處網(wǎng)格示意圖。

1.3 邊界條件

本次計(jì)算通過給定進(jìn)口總壓、進(jìn)口總溫、轉(zhuǎn)速、出口靜壓，來對(duì)渦輪內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。改變渦輪噴嘴入口沖角，來研究沖角對(duì)渦輪效率的影響。

1.4 湍流模型及收斂條件

本次計(jì)算采用的是Spalart-Allmaras湍流模型，來求解定常粘性Navier-Stokes方程，該模型是Reynolds平均法中介于零方程模型和兩方程模型間的一方程模型，能在保證計(jì)算精度的同時(shí)加快運(yùn)算速度[6]。

計(jì)算中的收斂條件：全局殘差下降三個(gè)量級(jí)以上;進(jìn)出口流量相對(duì)誤差不超過0.5%，且不再發(fā)生變化。

2? 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 渦輪工作過程焓熵圖

廢氣流經(jīng)渦輪做功時(shí)，其壓力、焓值、熵值的變化可以用焓熵圖清楚的表示，如圖5所示。

渦輪效率的定義為：實(shí)際過程氣體膨脹到出口壓力對(duì)渦輪所做的功與理想的氣體定熵膨脹到出口壓力氣體做功的比值，渦輪效率計(jì)算公式為：

2.2 渦輪流量隨沖角的變化

分別在柴油機(jī)100%負(fù)荷及50%負(fù)荷工況，保持進(jìn)出口邊界條件一致。沖角范圍從-70°-60°，每隔10°計(jì)算一個(gè)渦輪流動(dòng)工況點(diǎn)，觀察渦輪流量的變化。

經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在渦輪噴嘴大沖角（-70°，-60°）下，迭代600步之后，通過渦輪的流量仍未收斂，并有不規(guī)律的波動(dòng)情況，圖6為100%工況下渦輪-30°-60°、-70°沖角渦輪? ?流量收斂史追蹤圖。圖7顯示了迭代結(jié)束時(shí)流量變化。

圖6顯示了渦輪大沖角及小沖角情況流量隨迭代次數(shù)的變化情況。從圖中明顯看出，噴嘴沖角為-60°時(shí)，進(jìn)口流量和出口流量從迭代開始至迭代終止都在波動(dòng)，沖角為-70°時(shí)，出口流量隨著迭代次數(shù)增加趨于穩(wěn)定，而進(jìn)口流量自始至終都在無規(guī)則變化。噴嘴沖角為30°時(shí)，流量隨迭代收斂于某一定值，且不在隨迭代改變。

經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，除了大沖角情況，其他情況下迭代結(jié)束時(shí)流量都已收斂，在柴油機(jī)100%負(fù)荷及50%負(fù)荷下流量收斂的沖角范圍均為-40°-50°，而大沖角情況，無法給出準(zhǔn)確流量值。

圖8說明，在流量收斂的沖角范圍內(nèi)，通過渦輪的流量值相差不大。在-40°-40°沖角下流量值相差不超過0.4%。其他沖角下的渦輪流量無法收斂，無法在圖8中給出。

2.3 渦輪效率隨沖角的變化

渦輪流量隨迭代次數(shù)的變化表明了渦輪內(nèi)氣體流動(dòng)的穩(wěn)定性。渦輪絕熱效率則反映了氣體流經(jīng)渦輪的做功能力，效率高則渦輪能量的利用程度高，渦輪損失低。

由2.2可知，渦輪流量收斂的沖角范圍為-40°-50°，其他沖角下，流動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定，因此本文只對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)下渦輪效率進(jìn)行分析。渦輪效率的計(jì)算方式見式（1）。柴油機(jī)不同負(fù)荷下渦輪效率隨沖角的變化由圖9和圖10給出。

圖9和圖10表明，在柴油機(jī)不同負(fù)荷下，渦輪效率最高時(shí)的沖角不是0°，而是在-30°，并且隨著沖角逐漸增加或降低，渦輪效率呈下降的趨勢(shì)，且在50%負(fù)荷時(shí)，效率下降更明顯。

2.4 仿真云圖

在發(fā)動(dòng)機(jī)100%工況下，在流量收斂的沖角范圍內(nèi)，選取-30°、0°、30°、50°沖角，分析渦輪在四個(gè)噴嘴沖角下葉高中部截面壓力、熵的分布。

2.4.1 壓力分布圖

從圖11-圖14可看出，渦輪壓力從進(jìn)口到出口呈總體下降的趨勢(shì)，在經(jīng)過工作輪之后壓力的降低尤為明顯。

在噴嘴沖角為30°和50°時(shí)，在靠近噴嘴前緣及吸力面處，出現(xiàn)了局部小壓力區(qū)域，且越靠近前緣和吸力面，壓力越小，說明在沖角由0°增大時(shí)，由于來流氣體與軸向成一定角度進(jìn)入噴嘴環(huán)，在噴嘴環(huán)前緣及吸力面?zhèn)劝l(fā)生撞擊，造成氣體壓力急劇下降，流動(dòng)損失增加，渦輪效率降低。在噴嘴沖角為-30°及0°時(shí)，未出現(xiàn)明顯的局部小壓力區(qū)域，氣體流動(dòng)相比于前者較好。

渦輪動(dòng)葉中的壓力分布較復(fù)雜。四個(gè)沖角下，氣體經(jīng)過噴嘴的膨脹加速，撞擊在動(dòng)葉前緣及動(dòng)葉壓力面中部，使局部壓力升高（如上圖動(dòng)葉紅色區(qū)域），并形成靠近動(dòng)葉前緣面與靠近動(dòng)葉尾緣面兩個(gè)局部低壓區(qū)域（如上圖綠色區(qū)域），造成壓力損失，使渦輪效率有所降低。

綜上所述，噴嘴沖角由-30°變化到50°，渦輪內(nèi)部流動(dòng)情況逐漸變差，因沖角造成的損失主要發(fā)生于噴嘴前緣及吸力面，不同沖角下動(dòng)葉壓力分布基本相同。這符合了圖9中渦輪效率的變化曲線，即沖角由-30°到50°，渦輪效率逐漸降低[7]。

2.4.2 熵分布圖

熵值是物體無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的體現(xiàn)，在渦輪中反映了氣體流經(jīng)渦輪時(shí)的損失，熵越大，表明氣體無規(guī)則運(yùn)動(dòng)越明顯，渦輪內(nèi)損失越大，良好情況下渦輪內(nèi)流動(dòng)熵的分布應(yīng)是從進(jìn)口到出口熵平緩增加。

從圖15-圖18可以看出，渦輪熵從進(jìn)口到出口呈總體增加的趨勢(shì)，只在動(dòng)葉壓力面處出現(xiàn)局部小熵區(qū)域。

噴嘴流道內(nèi)，50°沖角時(shí)，在噴嘴吸力面處，出現(xiàn)局部熵增區(qū)域，該區(qū)域從前緣吸力面開始，一直蔓延到尾緣出口，使局部損失增大，并將影響氣體流經(jīng)動(dòng)葉時(shí)的流動(dòng)。其他沖角下，噴嘴吸力面未出現(xiàn)明顯的熵增區(qū)域。

動(dòng)葉流道內(nèi)，各個(gè)沖角下，在靠近前緣的壓力面處出現(xiàn)局部熵增區(qū)域（如動(dòng)葉紅黃色區(qū)），且隨沖角從-30°變化到50°，局部熵增變化越明顯。由2.4.1中壓力分布圖可知，該區(qū)域的流體極可能出現(xiàn)渦流。渦流產(chǎn)生的原因是噴嘴來流與動(dòng)葉接觸面主要在動(dòng)葉壓力面中部，還有一部分在動(dòng)葉前緣吸力面處，在這兩區(qū)域中間部分，由于來流氣體不直接作用在其表面，故而產(chǎn)生渦流[8]。

在動(dòng)葉壓力面的熵值明顯小于吸力面?zhèn)?。?30°、0°、30°沖角的小熵值區(qū)大于50°沖角時(shí)的小熵值區(qū)。各個(gè)沖角下動(dòng)葉壓力面和吸力面熵值分布的不均，從動(dòng)葉上游區(qū)一直延續(xù)到了動(dòng)葉下游區(qū)。

由上可知，渦輪因沖角變化引起的損失主要來源于噴嘴吸力面?zhèn)鹊臍怏w撞擊影響、動(dòng)葉壓力面的渦流及動(dòng)葉壓力面、吸力面流動(dòng)的不均勻。沖角由-30°變化到50°，渦輪內(nèi)的損失逐漸增加，與2.3中圖9的效率曲線相符。

3? 結(jié)論

①通過對(duì)柴油機(jī)100%負(fù)荷和50%負(fù)荷下單級(jí)軸流渦輪的研究得出，在大沖角下，渦輪內(nèi)流動(dòng)不穩(wěn)定，無法收斂。使流量收斂的沖角范圍為-40°-50°，且在-40°到40°沖角下，流量值相差不到0.4%。

②渦輪最高效率的噴嘴沖角在-30°附近，隨著沖角逐漸增大或減小，渦輪效率逐漸下降。發(fā)動(dòng)機(jī)工況越低，效率的變化越明顯。沖角變化造成的損失主要來源于噴嘴吸力面氣體撞擊、動(dòng)葉壓力面渦流及動(dòng)葉壓力面、吸力面不均勻的流動(dòng)。

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