渦輪增壓器葉輪參數(shù)設(shè)計

□ 吳 斌 □ 肖軼男 □ 毛 迪

1.上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司 上海 200063 2.中國船舶集團有限公司第七〇四研究所 上海 200031 3.大連船舶重工集團有限公司 遼寧大連 116021

1 設(shè)計背景

在柴油發(fā)動機組工作過程中,渦輪增壓器壓縮機對空氣濾清器傳來的空氣進(jìn)行壓縮。葉輪是渦輪增壓器的核心結(jié)構(gòu)件,使更多空氣進(jìn)入氣缸與柴油結(jié)合,從而提高柴油的輸出功率[1]。針對渦輪增壓器空氣進(jìn)氣口溫度和流量變化、葉輪磨損及間隙、擴壓器磨損、增壓器出口管網(wǎng)變化、密封元件磨損、轉(zhuǎn)子不平衡等技術(shù)問題,一般采用定期維修、出口安裝放空閥及增加熱旁通閥以輔助喘振閥等常規(guī)手段[2-3]。但是這些手段的前提是渦輪增壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,結(jié)構(gòu)有足夠的強度、剛度、可靠性。

隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的不斷成熟,結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝成為喘振性能改進(jìn)的有效手段[4]。由渦輪增壓器的基本原理可知,渦輪增壓器葉輪和擴壓器是轉(zhuǎn)換氣體壓力能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件?？諝饬髁拷档蜁r,氣體紊流、葉片角度加工、裝配誤差、葉片形式等造成邊界分離現(xiàn)象[5-6]。除了結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工裝配工藝,在實際使用過程中,氣體中粉塵介質(zhì)顆粒、液態(tài)水中混有井鹽等使葉輪、流道等表面結(jié)垢,直接影響氣體通流面積,使渦輪增壓器轉(zhuǎn)換氣體壓力能降低,破壞轉(zhuǎn)子動平衡。葉輪的設(shè)計參數(shù)應(yīng)保證增壓器壓力比、體積流量、效率,以及葉輪剛度要求。

評價渦輪增壓器性能的主要參數(shù)是等熵效率和壓力比,而影響等熵效率和壓力比的主要是葉輪設(shè)計參數(shù)。很多專家學(xué)者對葉輪設(shè)計進(jìn)行了大量研究。張敏等[7]總結(jié)了拓?fù)鋬?yōu)化在葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化中應(yīng)用的技術(shù)前景,相比傳統(tǒng)形狀和尺寸優(yōu)化,拓?fù)鋬?yōu)化可突破結(jié)構(gòu)參數(shù)的限制,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。閆慧慧等[8]采用有限元軟件,對離心壓氣機的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得到設(shè)計工況下的理想模型,確認(rèn)合理選擇葉輪葉根進(jìn)口角、葉頂間隙、葉輪出口相對寬度有利于提升等熵效率和壓力比,使等熵效率提高4.79%,壓力比提高3.68%。程航等[9]基于計算流體力學(xué)技術(shù)、遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合的葉輪優(yōu)化設(shè)計方法,分析離心壓縮機小流量系數(shù)葉輪氣動性能,確認(rèn)拓寬葉輪流道軸向?qū)挾群途鶆蛉~片線型有利于提升葉輪氣動性能。上述研究采用不同方法分析葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化對機械結(jié)構(gòu)件性能提升的影響,確認(rèn)合理的葉輪設(shè)計有助于提升機械結(jié)構(gòu)件氣動平穩(wěn)性。設(shè)計經(jīng)驗結(jié)合優(yōu)化設(shè)計方法在工程應(yīng)用中發(fā)揮著越來越重要的作用[10]。

在葉輪輪轂一定的前提下,筆者設(shè)計渦輪增壓器葉輪設(shè)計參數(shù)中的葉片沖角、出口后角、葉片厚度、葉片數(shù)量,通過四因素三水平正交試驗對葉輪進(jìn)行流固耦合分析,獲得葉輪的等熵效率和壓力比,對葉輪不同設(shè)計方案進(jìn)行對比分析,得到葉輪最佳的葉片沖角、出口后角、葉片厚度、葉片數(shù)量。

2 正交試驗設(shè)計

在實際生產(chǎn)和應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,采用正交試驗設(shè)計方法對葉輪參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。葉片厚度影響氣體流量的通流面積,同時與葉輪的強度有關(guān)。考慮到制造誤差等因素,設(shè)計葉片厚度一般相差0.5 mm,同時以現(xiàn)有的葉片厚度為優(yōu)化基準(zhǔn)。葉片厚度為2 mm,以葉片厚度0.5 mm為分辨率,設(shè)計葉片厚度分別為1.5 mm、2 mm、2.5 mm。葉片角度設(shè)計一般采用參數(shù)化曲線,由圓錐曲線到貝塞爾曲線對子午線面形狀進(jìn)行改進(jìn)。

在渦輪增壓器葉輪模型建立時,葉片沖角、出口后角實現(xiàn)葉輪葉片的角度設(shè)計。前期根據(jù)企業(yè)內(nèi)部積累的經(jīng)驗,設(shè)計出口后角以4°為分辨率,設(shè)計葉片沖角以2°為分辨率。葉片角度通過控制氣流量通流面積和吸力面邊界層分離,來實現(xiàn)對葉輪離心性能的影響。設(shè)計葉片沖角一般參考范圍為3°～15°,葉片沖角、出口后角的基準(zhǔn)角度分別為16°、60°,設(shè)計葉片沖角分別為12°、14°、16°,設(shè)計出口后角分別為56°、60°、64°。葉片數(shù)量的多少會直接影響葉輪的通流面積,以葉片數(shù)量20為基準(zhǔn),設(shè)計葉片數(shù)量3為分辨率,葉片數(shù)量分別為17、20、23。

根據(jù)正交試驗表,設(shè)計葉輪正交試驗的各項參數(shù),見表1。

表1 葉輪正交試驗參數(shù)

結(jié)合多因子試驗設(shè)計表,進(jìn)行四因素三水平正交試驗設(shè)計,設(shè)計L9(34)葉輪正交試驗方案,見表2。

表2 葉輪正交試驗方案

在正交試驗的基礎(chǔ)上,借助ANSYS Workbench軟件對葉輪進(jìn)行單向流固耦合分析,獲得不同方案的等熵效率和壓力比,并對結(jié)果進(jìn)行分析計算。

3 葉輪有限元模型

渦輪增壓器葉輪設(shè)計參數(shù)如下:葉輪外徑為400 mm,輪轂直徑為78 mm,葉片厚度為2 mm,葉片沖角為16°,出口后角為60°,葉片數(shù)量為20。葉輪采用不銹鋼材料,進(jìn)口環(huán)境溫度為25 ℃,壓力比為1.74,等熵效率為84.6%。

有限元模型的網(wǎng)格數(shù)對計算效率和計算結(jié)果精度都有不同程度的影響,根據(jù)已有經(jīng)驗,網(wǎng)格不能過密,同時,為確保結(jié)果精度不受模型網(wǎng)格數(shù)量的影響,網(wǎng)格數(shù)量需均勻且足夠多。為保證計算效率,筆者采用高性能的工作站進(jìn)行運算。

為了保證計算精度和在幾何變化較大的位置能夠加速收斂,在葉片根部、倒角等位置對網(wǎng)格采用加密處理。按照網(wǎng)格處理原則對葉輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分,獲得葉輪網(wǎng)格模型,節(jié)點共487 365個,單元共1 134 352個。葉輪網(wǎng)格模型如圖1所示。

根據(jù)雷諾數(shù)定義公式,推出進(jìn)氣空氣運動模型為湍流,采用k-ε模型。流體域邊界條件設(shè)定為全熱模型。在此基礎(chǔ)上,對于葉輪進(jìn)口角度,設(shè)定質(zhì)量流量和溫度參數(shù),在出口位置設(shè)置流量邊界。收斂準(zhǔn)則為誤差小于1×10-4,或默認(rèn)迭代步數(shù)大于100,其余邊界條件、約束等采用默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。

4 正交試驗極差分析

正交試驗計算方法是利用計算正交表中極差值R來判斷各因素影響程度,分析最佳的參數(shù)[11-12]。

Kij=Tij/r

(1)

Rj=Kijmax-Kijmin

(2)

式中:i為水平數(shù);j為列數(shù),r為每種因素對應(yīng)的水平總數(shù);Kij為第i水平第j列平均值;Tij為第i水平第j列的值之和;Kijmax為第i水平第j列最大值;Kijmin為第i水平第j列最小值;Rj為第j列極差值。

通過對正交試驗方案進(jìn)行流固耦合仿真分析,獲得不同方案的模擬結(jié)果,同時提取等熵效率。通過流固耦合仿真分析,得到不同方案的等熵效率,保證其余參數(shù)設(shè)置的一致性。結(jié)合正交試驗計算式進(jìn)行分析計算,以等熵效率為極差分析評價指標(biāo),分析各因素影響程度和最佳水平。極差分析見表3。

表3 極差分析

葉片厚度、葉片數(shù)量、葉片沖角、出口后角對應(yīng)的極差值依次為1.40百分點、1.07百分點、0.33百分點、0.17百分點,由此可知,影響葉輪等熵效率的程度從大到小依次為葉片厚度、葉片數(shù)量、葉片沖角、出口后角。同時,通過極差值可以判斷出葉輪參數(shù)最優(yōu)的組合為葉片厚度2.5 mm、葉片數(shù)量23、葉片沖角14°、出口后角64°。在一定范圍內(nèi),葉片厚度增大和葉片數(shù)量增加有助于提高渦輪增壓器離心性能,增大進(jìn)氣作用面面積和氣流有效作用面積。當(dāng)葉片角度變化到一定程度時,流道氣體分離作用會發(fā)生轉(zhuǎn)折。

試驗測得現(xiàn)有水平在質(zhì)量流量為2 kg/s時,葉輪等熵效率和壓力比分別為84.6%和1.74,仿真預(yù)測葉輪等熵效率和壓力比結(jié)果分別為84.4%和1.73。仿真結(jié)果表明,誤差滿足工程應(yīng)用的要求,證明有限元模型的正確性。

5 等熵效率分析

根據(jù)正交試驗極差分析得到葉輪參數(shù)最佳組合,并對結(jié)果進(jìn)行再次建模分析,對比等熵效率。葉輪等熵效率結(jié)果對比如圖2所示。

▲圖2 葉輪等熵效率結(jié)果對比

質(zhì)量流量在1.5～3.5 kg/s范圍內(nèi),優(yōu)化后渦輪增壓器葉輪等熵效率提高,同時等熵效率變化也變得平穩(wěn)。在低質(zhì)量流量0～1.5 kg/s區(qū)間內(nèi),等熵效率相比原有模型增大較小。在大于3.5 kg/s的高質(zhì)量流量區(qū)間內(nèi),等熵效率相比原有模型增大明顯。在1.75～2 kg/s質(zhì)量流量范圍內(nèi),等熵效率提升,有利于降低系統(tǒng)的能量損耗,渦輪增壓器在等熵絕熱可逆過程中接近理想工況。在實際應(yīng)用中,系統(tǒng)因氣流不紊等造成渦輪增壓器喘振的概率也會降低。從高質(zhì)量流量區(qū)間和低質(zhì)量流量區(qū)間等熵效率的變化可以看出,葉輪設(shè)計參數(shù)在高質(zhì)量流量區(qū)間敏感度更高,對低質(zhì)量流量影響程度不明顯。

6 壓力比分析

同理,提取正交試驗得到最佳組合和原有設(shè)計參數(shù)模擬得到的壓力比計算結(jié)果,葉輪壓力比結(jié)果對比如圖3所示。

▲圖3 葉輪壓力比結(jié)果對比

質(zhì)量流量在1.5～3.5 kg/s范圍內(nèi),優(yōu)化后葉輪壓力比明顯增大,同時壓力比變化更加平穩(wěn)。在高、低質(zhì)量流量區(qū)間內(nèi),壓力比均比原有仿真模型明顯增大,葉輪設(shè)計參數(shù)的敏感度較高。在一定質(zhì)量流量范圍內(nèi),葉片沖角為12.5°,所設(shè)計的曲面有利于增大曲率半徑,減小葉片前部載荷,獲得更為均勻的載荷分布,從而控制吸力面邊界層分離。出口后角為65°,增加流道在后角位置的氣流緩沖,靠近吸力面處的流體速度較大,有利于發(fā)生流體分離。

7 結(jié)束語

筆者對渦輪增壓器葉輪參數(shù)進(jìn)行正交試驗設(shè)計,以葉片厚度、葉片數(shù)量、葉片沖角、出口后角為因素,以等熵效率和壓力比為評價指標(biāo),建立不同水平下葉輪有限元模型,優(yōu)化并驗證葉輪參數(shù)。

(1) 影響葉輪等熵效率的程度從大到小依次為葉片厚度、葉片數(shù)量、葉片沖角、出口后角。

(2) 在一定質(zhì)量流量范圍內(nèi),葉輪參數(shù)優(yōu)化后,等熵效率提高,同時等熵效率的變化變得平穩(wěn)。

(3) 在低質(zhì)量流量區(qū)間內(nèi),葉輪參數(shù)優(yōu)化后,等熵效率相比原有仿真模型增大較小。在高質(zhì)量流量區(qū)間內(nèi),等熵效率相比原有仿真模型增大明顯。

(4) 在高、低質(zhì)量流量區(qū)間內(nèi),葉輪參數(shù)優(yōu)化后,壓力比相比原有仿真模型增大明顯。