柴油機(jī)渦輪增壓器葉輪優(yōu)化設(shè)計

王琦瑋， 倪計民， 關(guān)建熙， 石秀勇， 陳沁青， 侯偉

(1. 同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院， 上海 201804； 2. 鳳城市雨鑫增壓器有限公司， 遼寧 鳳城 118100；3. 合鑫機(jī)械制造有限公司， 遼寧 鳳城 118100)

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柴油機(jī)渦輪增壓器葉輪優(yōu)化設(shè)計

王琦瑋1， 倪計民1， 關(guān)建熙2， 石秀勇1， 陳沁青1， 侯偉3

(1. 同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院， 上海 201804； 2. 鳳城市雨鑫增壓器有限公司， 遼寧 鳳城 118100；3. 合鑫機(jī)械制造有限公司， 遼寧 鳳城 118100)

以某廢氣渦輪增壓柴油機(jī)為研究對象，以提高發(fā)動機(jī)性能為目標(biāo)，使用CFD方法對其渦輪增壓器的葉輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過分析葉輪內(nèi)部流場，將葉輪葉片的葉型進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，葉輪內(nèi)部流場得到了優(yōu)化。通過CFD計算得到了優(yōu)化后的壓氣機(jī)MAP圖，并將優(yōu)化設(shè)計后的增壓器安裝到柴油機(jī)上進(jìn)行了試驗研究。結(jié)果表明，根據(jù)CFD計算結(jié)果對壓氣機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計具有可行性，優(yōu)化設(shè)計的壓氣機(jī)能夠在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)降低發(fā)動機(jī)燃油消耗率。

柴油機(jī)； 渦輪增壓器； 壓氣機(jī)； 葉輪； 流場； 計算流體力學(xué)

隨著油價的攀升和排放法規(guī)日益嚴(yán)格，發(fā)動機(jī)的節(jié)能與排放控制技術(shù)得到了越來越多的重視與發(fā)展。采用廢氣渦輪增壓技術(shù)能夠大幅度降低內(nèi)燃機(jī)的燃油消耗[1]，近年來，為了優(yōu)化增壓器的性能，對增壓器內(nèi)部流場的研究越來越多。采用計算流體力學(xué)(CFD)對渦輪增壓器壓氣機(jī)性能進(jìn)行仿真研究，可以得到試驗難以獲取的數(shù)據(jù)，使用CFD方法可以對壓氣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[2-13]。

本研究以某增壓柴油機(jī)為研究對象，針對該柴油機(jī)出現(xiàn)低速喘振及油耗較高的問題，對該柴油機(jī)的渦輪增壓器的壓氣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。采用CFD方法進(jìn)行壓氣機(jī)性能分析，根據(jù)計算結(jié)果提出葉輪的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并進(jìn)行了試驗驗證分析。

1 渦輪增壓柴油機(jī)基本參數(shù)及性能

研究對象為國內(nèi)某柴油機(jī)廠生產(chǎn)的渦輪增壓柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

該柴油機(jī)初始選配的渦輪增壓器為GJ150渦輪增壓器，其壓氣機(jī)外觀和流體域三維模型見圖1。

對該柴油機(jī)進(jìn)行試驗研究，其功率、扭矩、油耗性能見圖2至圖4。該柴油機(jī)在試驗過程中，在低速時出現(xiàn)壓氣機(jī)喘振現(xiàn)象，并且有效燃油消耗率相對較高。

2 壓氣機(jī)性能計算

2.1 壓氣機(jī)計算模型

本研究采用Ansys計算流體力學(xué)軟件CFX，對渦輪增壓器的壓氣機(jī)葉輪及蝸殼進(jìn)行整體計算。壓氣機(jī)的流體域主要包括葉輪、擴(kuò)壓器、蝸殼。葉輪和蝸殼的數(shù)模見圖5和圖6。

2.2 網(wǎng)格劃分

使用Ansys ICEM軟件對壓氣機(jī)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于壓氣機(jī)的流體域模型的外形比較復(fù)雜，因此，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對其進(jìn)行快速高效的網(wǎng)格劃分。圖7和圖8示出壓氣機(jī)流道分析網(wǎng)格,其中葉輪轉(zhuǎn)子流道的網(wǎng)格數(shù)均為70萬左右，而蝸殼定子流道的網(wǎng)格數(shù)為20萬左右，網(wǎng)格質(zhì)量均達(dá)到0.3以上，精度能夠滿足CFD計算要求。

2.3 計算邊界條件

壓氣機(jī)性能仿真計算時采用計算流體力學(xué)中的SIMPLEC算法，求解壓氣機(jī)流體域內(nèi)的三維湍流雷諾平均N-S方程和中心節(jié)點(diǎn)有限體積方法離散方程，差分格式選擇二階精度中心差分，湍流模型則采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型[6]。具體邊界條件和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置見表2。

表2 邊界條件和相關(guān)參數(shù)設(shè)置

2.4 計算結(jié)果與分析

對壓氣機(jī)的流道模型分別進(jìn)行CFD仿真計算，得到了壓氣機(jī)分別在40 000，50 000，55 000和60 000 r/min的效率及壓比隨流量變化的值，將這些性能參數(shù)繪制成壓氣機(jī)流量特性曲線(見圖9)。

壓氣機(jī)流體域內(nèi)的氣體流動狀態(tài)非常復(fù)雜，氣體進(jìn)入壓氣機(jī)后，一方面要隨著葉輪轉(zhuǎn)動，另一方面這些氣體要通過流道，與葉輪之間具有相對速度。為了更直觀地了解分析葉輪葉形對壓氣機(jī)性能的影響，本研究選取標(biāo)定轉(zhuǎn)速55 000 r/min下的3個工況點(diǎn)來進(jìn)行分析，這3個工況點(diǎn)分別代表了壓氣機(jī)的堵塞工況點(diǎn)、最高效率工況點(diǎn)及喘振工況點(diǎn)，分別用符號con.1，con.2和con.3表示。葉輪在不同葉高截面上的面流線分布見圖10。con.1和con.2所對應(yīng)的葉輪流道內(nèi)的流動在葉片高度為10%和50%時狀況良好，但是在90%葉高處出現(xiàn)了流動分離。而con.3所對應(yīng)的整個葉高范圍內(nèi)的流動都出現(xiàn)大范圍分離區(qū)，隨著葉片高度的增加，分離區(qū)也逐漸擴(kuò)大，此時壓氣機(jī)已經(jīng)進(jìn)入了失速喘振區(qū)。

為了進(jìn)一步分析壓氣機(jī)內(nèi)部氣體的流動情況，對葉輪流道內(nèi)的壓力分布進(jìn)行分析，不同工況下周向平均后的子午流道壓力分布見圖11。由圖可見，在堵塞工況con.1壓氣機(jī)的流量較大，流道導(dǎo)流能力不足，流體不能及時地獲得足夠的徑向流動速度而在葉輪輪轂上滯留，從而在輪轂附近產(chǎn)生了大范圍的高壓區(qū)；對于效率較高的工況con.2，子午流道內(nèi)的壓力分布及速度矢量分布與其他兩工況相比較均為合理，壓力沿子午流道方向發(fā)生明顯的增加，增加的趨勢也較為合理；對于堵塞工況con.3，靠近輪緣的一部分區(qū)域會出現(xiàn)回流，使得上游高壓流體向下游遷移，導(dǎo)致流動惡化，壓氣機(jī)性能降低。

3 葉輪優(yōu)化設(shè)計與性能計算

3.1 葉輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)對原壓氣機(jī)性能及內(nèi)部流場的分析，針對其內(nèi)部流場存在的缺陷，對壓氣機(jī)葉輪進(jìn)行改進(jìn)，減少流道內(nèi)部的氣流分離區(qū)域并提高壓氣機(jī)整體效率。

影響壓氣機(jī)性能的葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)有很多，例如壓氣機(jī)的進(jìn)口直徑、葉形、葉片進(jìn)出口角、葉高等[3]。通過對壓氣機(jī)不同葉高情況下的流線分布研究，發(fā)現(xiàn)葉高對該壓氣機(jī)性能的影響較大，因此選擇葉高為優(yōu)化參數(shù)[4-14]。

將葉輪大小葉片的葉高提高0.2 mm，對葉形及葉片厚度進(jìn)行了一定改進(jìn)，改進(jìn)前后的葉輪變化見圖12，外觀見圖13。

3.2 優(yōu)化設(shè)計的壓氣機(jī)性能計算

對優(yōu)化設(shè)計的壓氣機(jī)進(jìn)行流體域及網(wǎng)格劃分，通過性能計算，獲得在不同轉(zhuǎn)速時的效率及壓比隨流量的變化值，將這些性能參數(shù)繪制成壓氣機(jī)流量特性曲線(見圖14)。

從壓比上看，優(yōu)化后的葉輪在各轉(zhuǎn)速下能達(dá)到的最高壓比值均大于原葉輪，更易達(dá)到發(fā)動機(jī)預(yù)定的壓比，滿足增壓要求。從效率上看，原葉輪和優(yōu)化后的葉輪的最高效率圈均呈封閉形狀，但在數(shù)值上，使用優(yōu)化葉輪的壓氣機(jī)效率更高，因此在同一壓比下，優(yōu)化后的葉輪中空氣經(jīng)增壓后達(dá)到的溫度較低，從而能夠得到密度較高的增壓空氣，增壓效果比采用原葉輪的壓氣機(jī)更好。最后從流量范圍上看，采用優(yōu)化葉輪的壓氣機(jī)較之原葉輪更為寬廣，并且高效率圈更遠(yuǎn)離喘振線，特別是在標(biāo)定轉(zhuǎn)速55 000 r/min下，采用優(yōu)化葉輪的壓氣機(jī)在高壓比、高效率工況下工作更不易產(chǎn)生喘振現(xiàn)象，工作更為穩(wěn)定。

對優(yōu)化后的葉輪在不同葉高截面上的面流線分布進(jìn)行分析(見圖15)，與原葉輪相比，優(yōu)化后的葉輪流道內(nèi)的流體速度較為均勻，流場更為穩(wěn)定，流動損失比較少。對高效率工況con.2進(jìn)行分析，可以看到10%和50%葉高葉片前緣的流線分布更加均勻，90%葉高內(nèi)部流場變化最為明顯，較原葉輪內(nèi)部流線明顯得到優(yōu)化，沒有出現(xiàn)氣流分離，此時壓氣機(jī)效率得到提升。

對優(yōu)化后的葉輪流道內(nèi)的壓力進(jìn)行分析，其內(nèi)部壓力分布見圖16。在喘振工況con.1時，流道內(nèi)部流通能力不足，氣體對輪轂有一定程度的撞擊，產(chǎn)生部分高壓區(qū)域。在高效率工況和堵塞工況時，壓力較原葉輪有一定程度增加。總體上，優(yōu)化后的葉輪流道內(nèi)的流體對葉輪輪轂產(chǎn)生的壓力在一定程度上有所增加。

綜上所述，優(yōu)化后葉輪具有更高的壓比和效率，并且擁有更寬廣的效率，從而達(dá)到更好的增壓效果。雖然流體對輪轂造成的壓力較大，但是流道內(nèi)流體速度更均勻，所以流場較為穩(wěn)定，造成的流動損失較少。

4 葉輪優(yōu)化后發(fā)動機(jī)性能試驗

優(yōu)化設(shè)計后的葉輪在五軸加工中心上進(jìn)行加工，將改進(jìn)后的增壓器安裝到所匹配的發(fā)動機(jī)上進(jìn)行臺架試驗。發(fā)動機(jī)功率與原機(jī)變化不大，扭矩在個別轉(zhuǎn)速點(diǎn)有一定程度的提升，油耗在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)得到了較大程度的降低，并且低速工況下的喘振現(xiàn)象得到了一定程度的抑制。壓氣機(jī)葉輪優(yōu)化后的發(fā)動機(jī)有效燃油消耗率的變化見圖17。

5 結(jié)束語

采用計算流體力學(xué)方法對渦輪增壓器壓氣機(jī)性能進(jìn)行研究，可以獲得試驗無法得到的數(shù)據(jù)，通過對內(nèi)部流場的分析可以對葉輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計的葉輪在內(nèi)部流場和壓力分布上得到了一定程度的改進(jìn)，壓氣機(jī)的整體效率得到了提升，喘振線得到了拓寬。通過對葉輪的優(yōu)化，該柴油機(jī)的油耗在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)得到了優(yōu)化，整體油耗下降，發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性得到了提升。

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[編輯： 姜曉博]

Impeller Optimization of Diesel Engine Turbocharger

WANG Qiwei1， NI Jimin1， GUAN Jianxi2， SHI Xiuyong1， CHEN Qinqing1， HOU Wei3

(1. School of Automotive Studies， Tongji University， Shanghai 201804， China； 2. Fengcheng Yuxin Turbocharger Co.， Ltd.， Fengcheng 118100， China； 3. Hexin Machinery Manufacturing Co.， Ltd.， Fengcheng 118100， China)

In order to improve the engine performance, impeller optimization was conducted on a turbocharged diesel engine with CFD. According to the simulation results, the impeller blades were improved and the internal flow field was optimized. The optimized compressor MAP was acquired and its performance was verified by engine experiments. The results show that it is feasible to optimize the impeller structure according to CFD results. In addition, the specific fuel consumption of diesel engine with optimized compressor declines in the whole speed range.

diesel engine； turbocharger； compressor； impeller; flow field; CFD

2014-11-24；

2015-03-30

王琦瑋(1987—)，男，博士，主要研究方向為發(fā)動機(jī)節(jié)能與排放控制；wangqiwei1987@hotmail.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.007

TK421.8

B

1001-2222(2015)03-0032-05