二級增壓系統(tǒng)低壓級渦輪進口旋流對性能影響研究

劉艷斌， 王曉江， 董 意， 王普凱

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系，北京 100072； 2. 69236部隊， 新疆 沙灣 832106)

目前，二級增壓渦輪系統(tǒng)一般是基于渦輪MAP圖進行匹配，這種匹配方法假定二級渦輪之間為均勻流場，渦輪之間不存在相互耦合關(guān)系。實際上，高壓級渦輪出口氣流存在垂直于主流方向的旋流，由于高壓級渦輪出口直接與低壓級渦輪進口連接，因此旋流會傳遞至低壓級渦輪，導(dǎo)致低壓級渦輪進口流動呈現(xiàn)非均勻性。WESTIN等[1]通過研究發(fā)現(xiàn)與單獨測試的增壓器渦輪性能相比，二級渦輪增壓系統(tǒng)工作時低壓級渦輪效率特性差別較大，認為這主要是受低壓級渦輪入口旋流所影響，但未對低壓級渦輪入口旋流影響渦輪性能的規(guī)律及機理進行深入研究。FREDRIK等[2]研究了不同渦輪進口二次流對性能的影響規(guī)律，但未進一步研究旋流旋向及強度對渦輪效率的影響。

基于此，筆者通過模擬渦輪進口氣體旋流，探究了不同旋向旋流對渦輪效率的影響機理，以及渦輪效率隨進口旋流強度及渦輪工況的變化規(guī)律，以期為優(yōu)化二級渦輪增壓系統(tǒng)性能提供技術(shù)支撐。

1 渦輪三維流動仿真

計算所用數(shù)學(xué)模型采用完全可壓的Navier-Stokes方程組，并采用時間推進法求解。湍流模型采用Spalart-Allmaras模型。給定質(zhì)量流量、靜溫、絕對氣流角以及湍流黏性系數(shù)為入口邊界條件，其中：為體現(xiàn)渦輪進口旋流對葉輪進口氣流的影響，其葉輪進口絕對氣流角不能給定為恒定值。渦輪進口旋流主要影響葉輪進口氣流的徑向速度。渦輪進口旋流可簡化為一個線性的速度響應(yīng)，如圖1所示，其中：定義圖1(a)所示的順時針旋轉(zhuǎn)方向為正旋，逆時針方向為反旋；圖1(b)為正旋旋流對葉輪進口的速度影響，反旋時速度響應(yīng)相反。

(1)

由于旋流強度

(2)

(3)

計算時，出口靜壓統(tǒng)一采用80 kPa。固體壁面的邊界條件為不滲透、無滑移、絕熱，以使通過固體壁面的質(zhì)量流量、動量通量、能量通量均為0。

在渦輪葉輪三維數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，生成葉輪計算網(wǎng)格，環(huán)葉片的區(qū)域為“C型”網(wǎng)格，前緣上游、尾緣下游以及上/下主流道4個區(qū)域為“H型”網(wǎng)格。這種拓撲結(jié)構(gòu)更適合葉片的幾何特點，有助于提高網(wǎng)格的正交性和保證網(wǎng)格的質(zhì)量。

2 渦輪進口旋流的渦輪效率影響機理

(4)

式中:u為葉輪進口的周向速度；c0為葉輪進口的氣流速度。

當渦輪速比較大時，葉輪進口氣流攻角為負；當渦輪速比較小時，葉輪進口氣流攻角為正。

2.1 負攻角條件

在標定工況下，葉輪進口氣流攻角為負攻角。利用渦輪三維流動仿真模型模，擬了標定工況下進口氣體旋流不同旋向時的渦輪內(nèi)部流動狀態(tài)。設(shè)渦輪轉(zhuǎn)速為9×104r/min，渦輪流量為0.066 kg/s，渦輪進口靜溫為1 000 K，渦輪進口旋流強度為0.1，得到負攻角時不同進口旋流條件下葉輪10%和90%葉高處S1截面流線圖,如圖3所示。

由圖1可知：渦輪進口旋流對葉輪進口氣流切向速度無影響，而對徑向速度影響較大。結(jié)合圖3可以看出，進口旋流使得葉輪進口氣流沿葉高方向的攻角和速度不一致：進口正旋使得葉輪進口葉根處攻角減小、速度增大，而葉尖處攻角增大、速度減??；進口反旋，則反之。葉輪進口氣流攻角和速度的變化會影響葉輪內(nèi)部氣流流動狀態(tài)及流動損失，從而對渦輪效率產(chǎn)生影響[4-6]。

負攻角時不同進口旋流方向下渦輪葉輪10%和90%葉高處S1截面熵增圖如圖4所示?？梢钥闯觯涸?0%葉高處，進口氣流正旋與反旋條件下熵增整體上相差不大；在90%葉高處，氣流反旋明顯比正旋條件下熵增大，這主要是因為氣流反旋條件下葉根處較大的氣體分離流動惡化了葉尖處氣體流動，同時使葉輪出口摻混損失加大，造成了進口氣流正旋比反旋條件下渦輪效率更高。

2.2 正攻角條件

隨著渦輪速比減小，氣流攻角由負攻角變?yōu)檎ソ?。設(shè)定渦輪轉(zhuǎn)速為2.5×104r/min，渦輪流量為0.033 kg/s，渦輪進口靜溫為600 K，渦輪速比為0.04，此時葉輪進口氣流攻角為正攻角。設(shè)定渦輪進口旋流強度為0.1，得到正攻角時不同進口旋流條件下渦輪葉輪10%和90%葉高處S1截面流線圖，如圖5所示。

由圖5可以看出：與正旋條件下相比，反旋條件下的葉尖處氣流攻角較小，而葉根處的較大。分析其原因為：在正攻角條件下，葉輪吸力面?zhèn)刃纬蓺怏w分離流動，且正旋條件下氣體泄漏流增強，使得泄漏流與分離流動結(jié)合，形成較強的泄漏渦[7]。

正攻角時不同進口旋流方向下渦輪葉輪10%和90%葉高處S1截面熵增圖如圖6所示?？梢钥闯觯号c反旋條件下相比，正旋條件下葉輪10%和90%葉高處熵增較大，說明正旋條件下渦輪進口氣流渦輪效率較低。這可能是由正旋條件下較強的泄漏渦以及受其影響的葉根處較強的分離流動所造成的。

3 渦輪進口旋流影響渦輪效率規(guī)律

通過渦輪三維流動仿真模型，模擬了渦輪進口旋流不同旋向條件下的渦輪內(nèi)部流動，得到渦輪效率隨渦輪進口旋流強度以及渦輪工況的變化規(guī)律。

3.1 渦輪效率隨渦輪進口旋流強度的變化規(guī)律

固定渦輪轉(zhuǎn)速為9×104r/min，渦輪流量為0.066 kg/s，得到不同旋流方向下進口旋流強度為0.05、0.1、0.2、0.3條件下的渦輪效率，如圖7所示?？梢钥闯觯?)無論正旋還是反旋，渦輪效率均隨渦輪進口旋流強度增大呈下降趨勢，說明進口旋流對渦輪效率有影響；2)與正旋條件下相比，反旋條件下渦輪效率下降趨勢較大，這是因為氣流正旋對渦輪效率影響不大；3)2種進口旋向條件下渦輪效率差值隨旋流強度的增大而增大。

渦輪進口旋流正旋與反旋條件下的渦輪效率差值隨進口旋流強度變化曲線如圖8所示?？梢钥闯觯弘S著進口旋流強度的增大，2種旋向條件下渦輪效率差值幾乎呈線性關(guān)系增大。

3.2 渦輪效率隨渦輪工況的變化規(guī)律

4 結(jié)論