葉頂間隙對(duì)車(chē)用增壓器渦輪性能的影響規(guī)律研究

范厚傳，倪計(jì)民，石秀勇，曲大勇，鄭義

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海 201804；2.鳳城市時(shí)代龍?jiān)鰤浩髦圃煊邢薰?，遼寧 鳳城 118100)

渦輪增壓技術(shù)是內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的一個(gè)里程碑技術(shù)，現(xiàn)代乘用車(chē)汽油機(jī)增壓化趨勢(shì)越來(lái)越明顯，在更高汽車(chē)節(jié)能減排法規(guī)要求下，渦輪增壓器已成為現(xiàn)代乘用車(chē)內(nèi)燃機(jī)提高性能的關(guān)鍵零部件[1-2]。乘用車(chē)汽油機(jī)匹配的增壓器尺寸較小，結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍寬，因而結(jié)構(gòu)尺寸較小的改變都可能引起增壓器性能較大的變化[1]。

為了保證渦輪葉輪在渦輪殼中正常工作，渦輪葉片頂部與渦輪殼過(guò)渡圓弧之間留有一定的間隙，形成渦輪葉頂間隙[3-4]。增壓器葉頂間隙包含壓氣機(jī)端和渦輪端，是增壓器設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中不容易控制的參數(shù)，其涉及增壓器轉(zhuǎn)子軸、渦輪殼和渦輪葉輪的加工，以及增壓器的裝配等環(huán)節(jié)。葉頂間隙還與材料屬性、轉(zhuǎn)子振動(dòng)等有關(guān)[5-8]，每個(gè)環(huán)節(jié)都可能引起渦輪葉頂間隙的變化。而且渦輪葉頂間隙還受渦輪轉(zhuǎn)子高溫高脈沖工作環(huán)境的影響，在發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下會(huì)出現(xiàn)不同的渦輪葉頂間隙，因而難以準(zhǔn)確斷定實(shí)際工作中渦輪葉頂間隙的大小。

J.R.Serrano等研究了渦輪轉(zhuǎn)速和葉頂間隙尺寸對(duì)渦輪性能和間隙泄漏流的影響[9-10]，其研究中的渦輪葉片進(jìn)出口間隙尺寸是同步變化的。X.M.Li等采用數(shù)值方法研究了微型徑流式渦輪的間隙流動(dòng)[11]，結(jié)果顯示渦輪葉頂間隙流動(dòng)具有瞬時(shí)波動(dòng)性，渦輪葉片出口間隙對(duì)間隙泄漏流的影響大于葉片進(jìn)口間隙的影響。豈興明和Zahari Taha等分別研究了軸流式渦輪葉頂間隙形態(tài)對(duì)渦輪性能的影響[12-13]，并優(yōu)化了間隙結(jié)構(gòu)。Jie Gao和C. De Maesschalck等則研究軸流式渦輪葉頂間隙的泄漏流動(dòng)和傳熱的耦合作用[14-15]。在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，針對(duì)尺寸較小的徑流式車(chē)用增壓器渦輪葉頂間隙的研究較少。

本研究以小型車(chē)用汽油機(jī)增壓器渦輪為研究對(duì)象，探索葉頂間隙對(duì)渦輪性能的影響規(guī)律，通過(guò)設(shè)定不同條件的渦輪葉頂間隙，預(yù)判其對(duì)渦輪性能的影響；該研究有助于提升關(guān)于葉頂間隙對(duì)渦輪性能影響的認(rèn)識(shí)，為相應(yīng)增壓器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、匹配及制造誤差控制提供指導(dǎo)和參考。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 研究對(duì)象

采用數(shù)值模擬研究方法，以數(shù)值仿真軟件為平臺(tái)，建立原機(jī)仿真模型，在驗(yàn)證模型可行性后，設(shè)定不同的渦輪葉頂間隙類(lèi)型和間隙尺寸，并在同一工況點(diǎn)下對(duì)各種間隙進(jìn)行模擬計(jì)算，得到渦輪性能。然后分析間隙類(lèi)型和間隙尺寸對(duì)渦輪性能的影響，最后，為探索間隙對(duì)渦輪內(nèi)部流動(dòng)損失的影響程度，選取典型的間隙點(diǎn)進(jìn)行微觀流場(chǎng)分析。

研究對(duì)象是某小型車(chē)用汽油機(jī)增壓器渦輪，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。渦輪采用全輪盤(pán)渦輪葉輪，無(wú)葉噴嘴單通道蝸殼，渦輪整級(jí)流體域模型見(jiàn)圖1。

表1 增壓器相關(guān)參數(shù)

圖1 渦輪整級(jí)流體域的三維模型

1.2 渦輪葉頂間隙的設(shè)置

渦輪葉頂間隙包含渦輪葉片進(jìn)口間隙和葉片尾緣間隙，圖2為渦輪葉頂間隙示意。參考原機(jī)的渦輪葉片進(jìn)口間隙和尾緣間隙均為0.5 mm。考慮增壓器渦輪機(jī)的實(shí)際工作情況及裝配制造誤差，仿真模型中，渦輪最小間隙設(shè)定為0.3 mm，最大間隙設(shè)定為1.0 mm。最大渦輪葉片進(jìn)口間隙是渦輪葉輪進(jìn)口流道高度的18.0%，而最大尾緣間隙則是相應(yīng)葉輪出口流道高度的8.9%。本研究根據(jù)實(shí)際工程情況設(shè)置3種類(lèi)型的渦輪葉頂間隙，每種類(lèi)型間隙的變化范圍為0.3～1.0 mm，間隙尺寸覆蓋實(shí)際可能涉及的渦輪間隙范圍。3種渦輪葉頂間隙的設(shè)置分別如下：

A型葉頂間隙，葉片尾緣間隙保持0.5 mm不變，葉片進(jìn)口間隙從0.3 mm變化到1.0 mm；

B型葉頂間隙，葉片進(jìn)口間隙保持0.5 mm不變，葉片尾緣間隙從0.3 mm變化到1.0 mm；

C型葉頂間隙，葉片進(jìn)口間隙與尾緣間隙同步變化，從0.3 mm變化到1.0 mm。

通過(guò)改變渦輪葉片高度得到不同的葉頂間隙尺寸，模擬中每種類(lèi)型的間隙有6組間隙尺寸，分別為0.3 mm，0.4 mm，0.5 mm，0.6 mm，0.7 mm和1.0 mm，渦輪葉片進(jìn)出口之間的葉頂間隙根據(jù)進(jìn)口與出口之間的間隙差值按線性變化。

圖2 葉輪葉頂間隙示意

2 模型的建立與驗(yàn)證

2.1 計(jì)算模型設(shè)置

渦輪整級(jí)模型由6個(gè)部分組成，分別是進(jìn)氣延長(zhǎng)段、渦輪殼、葉輪旋轉(zhuǎn)域、渦輪出口過(guò)渡段、輪背間隙和出口延長(zhǎng)段，其中進(jìn)氣延長(zhǎng)段、出口延長(zhǎng)段和葉輪旋轉(zhuǎn)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，輪背間隙、渦輪殼和渦輪出口過(guò)渡段采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，各流體域的網(wǎng)格數(shù)量見(jiàn)表2。葉輪旋轉(zhuǎn)域采用完全匹配的網(wǎng)格布置，葉輪葉片周?chē)O(shè)置有加密的O型網(wǎng)格，葉頂間隙區(qū)域的網(wǎng)格層數(shù)加密[14]，相關(guān)工作壁面處添加附面層網(wǎng)格。

表2 模型各部分網(wǎng)格數(shù)量

對(duì)于模型設(shè)置，渦輪葉輪設(shè)定為旋轉(zhuǎn)域，其余均為靜止域，蝸殼噴嘴出口與葉輪進(jìn)口之間，以及葉輪旋轉(zhuǎn)域出口與渦輪出口過(guò)渡段之間采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子交接面。湍流模型采用SST兩方程模型，數(shù)學(xué)方程為雷諾平均N-S方程組，各壁面均設(shè)定為光滑、無(wú)滑移的絕熱壁面[6,15]，工作流體定義為理想氣體。

所有間隙的模擬均在同一穩(wěn)態(tài)工況下進(jìn)行，計(jì)算工況點(diǎn)的增壓器轉(zhuǎn)速為150 000 r/min、渦輪工作流量為0.048 6 kg/s，該工況為相應(yīng)轉(zhuǎn)速上的增壓器聯(lián)合運(yùn)行點(diǎn)。設(shè)定流量與總溫為渦輪級(jí)進(jìn)口邊界，進(jìn)口總溫為873.15 K，渦輪出口設(shè)為靜壓100 kPa。

2.2 模型驗(yàn)證

模型的試驗(yàn)驗(yàn)證采用增壓器自循環(huán)綜合試驗(yàn)臺(tái)，在增壓器自循環(huán)運(yùn)行范圍內(nèi)每隔10 000 r/min采集一個(gè)點(diǎn)，共9個(gè)驗(yàn)證工況點(diǎn)。驗(yàn)證設(shè)置中，渦輪模型的進(jìn)口參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定。

渦輪進(jìn)口靜壓的模擬與試驗(yàn)的對(duì)比見(jiàn)圖3。由圖3可知，模擬值與試驗(yàn)值比較吻合，在高轉(zhuǎn)速區(qū)試驗(yàn)與模擬之間的偏差較大，最大偏差發(fā)生在190 000 r/min工況點(diǎn)上，此時(shí)試驗(yàn)值大于試驗(yàn)值，誤差為1.64%，在可接受范圍內(nèi)，認(rèn)為所建立的模型可以用于下一步的模擬研究。

圖3 模擬與試驗(yàn)的對(duì)比

3 性能分析

接下來(lái)對(duì)渦輪性能進(jìn)行分析，渦輪的流通能力和能量轉(zhuǎn)換效率是主要分析內(nèi)容，包含渦輪的膨脹比、效率及輸出功率等參數(shù)。

在相同進(jìn)氣條件下，渦輪的膨脹比代表渦輪的流通能力，圖4示出渦輪葉頂間隙對(duì)渦輪膨脹比的影響。從圖4可以看出，隨著渦輪葉頂間隙的增大，渦輪膨脹比變化很小，三種類(lèi)型葉頂間隙的渦輪膨脹比曲線整體平緩，膨脹比值均在1.908～1.926之間。間隙為1.0 mm時(shí)有最大偏差，此時(shí)的偏差在也在1%以?xún)?nèi)，渦輪進(jìn)口總壓的最大絕對(duì)差值為1.8 kPa?？傮w上葉頂間隙對(duì)渦輪膨脹比影響不大。在較小差別范圍看，在間隙小于0.5 mm時(shí)，B型間隙的渦輪膨脹比最高，C型間隙次之，A型最低。間隙大于0.5 mm時(shí)，則是B型間隙的渦輪膨脹比最低，A型最高。表3列出渦輪葉頂間隙從0.3 mm變化到1.0 mm時(shí)渦輪性能的變化。由表3可知，A型間隙的總壓變化幅度最大，但也僅為1.432 kPa，為進(jìn)口總壓絕對(duì)值的0.74%，而B(niǎo)型和C型間隙變化更小。所以認(rèn)為，整體上葉頂間隙對(duì)渦輪流通能力的影響不明顯。

圖4 渦輪葉頂間隙對(duì)渦輪膨脹比的影響

表3 間隙從0.3 mm變化為1.0 mm時(shí)渦輪性能的變化

渦輪效率是評(píng)估渦輪性能的一個(gè)重要參數(shù)，表示渦輪對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排出廢氣能量的利用程度。渦輪葉頂間隙對(duì)渦輪級(jí)效率的影響見(jiàn)圖5。隨著葉頂間隙的增大，每種類(lèi)型間隙的渦輪效率都在減小；而且間隙數(shù)值越大，效率曲線總體下降速度越大。其中，C型間隙的渦輪效率曲線下降幅度最大，B型間隙次之，而A型間隙的渦輪效率曲線下降幅度最小。在間隙小于0.5 mm時(shí)，C型間隙的渦輪效率最高，B型間隙次之， A型的渦輪效率最低；在間隙大于0.5 mm時(shí)，則是C型間隙的渦輪效率最低， A型間隙的渦輪效率最高，而且此時(shí)C型間隙的渦輪效率明顯低于A型和B型間隙的渦輪效率。從表3得知，當(dāng)渦輪葉頂間隙從0.3 mm變化到1.0 mm時(shí)，C型間隙的渦輪效率變化幅度達(dá)到7.6%，此過(guò)程中，C型間隙渦輪效率下降幅度大于A型和B型間隙的渦輪效率下降幅度之和。

圖5 渦輪葉頂間隙對(duì)渦輪效率的影響

渦輪輸出功率決定壓氣機(jī)壓縮空氣的能力，葉頂間隙對(duì)渦輪輸出功率的影響見(jiàn)圖6。由圖6可以看出，對(duì)于3種類(lèi)型的渦輪葉頂間隙來(lái)說(shuō)，隨著間隙尺寸的增大，渦輪輸出功率幾乎都呈線性減小。其中，C型間隙的渦輪輸出功率曲線的斜率更大，A型和B型間隙的渦輪輸出功率曲線變化較緩，B型間隙的渦輪輸出功率曲線的傾斜程度比A型間隙的略微大。在間隙小于0.5 mm時(shí)，C型間隙的渦輪輸出功率最高，B型間隙次之， A型間隙的渦輪輸出功率最低；在間隙大于0.5 mm時(shí)，則是C型間隙的渦輪輸出功率最低，A型間隙最高，此時(shí)C型間隙的渦輪效率明顯低于A型和B型間隙的渦輪效率。表3顯示，當(dāng)渦輪葉頂間隙從0.3 mm變化到1.0 mm時(shí)，C型間隙的渦輪輸出功率降低0.667 kW，變化幅度達(dá)到10.2%，基本是A型和B型間隙渦輪輸出功率降幅之和；可以認(rèn)為，相對(duì)于參考的間隙點(diǎn)而言， C型間隙對(duì)渦輪輸出功率的影響是A型和B型間隙影響的疊加。

圖6 葉頂間隙對(duì)渦輪輸出功率的影響

圖7示出3種間隙下渦輪出口溫度分布。由圖7可知，3種類(lèi)型間隙下渦輪出口溫度曲線隨間隙尺寸的增大而基本呈線性上升，C型間隙對(duì)渦輪出口溫度影響最大，其次是B型間隙，A型間隙對(duì)渦輪出口溫度影響最小。C型間隙對(duì)渦輪出口溫度的影響也基本是是A型和B型間隙影響的疊加。

圖7 葉頂間隙對(duì)渦輪出口溫度的影響

4 流場(chǎng)分析

為了揭示渦輪葉頂間隙對(duì)渦輪性能影響的機(jī)理，選取典型間隙點(diǎn)的葉片通道的流場(chǎng)進(jìn)行分析。選取葉輪流道子午面總壓分布和85%葉輪流道高度處的馬赫數(shù)分布進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖8和圖9。每一種間隙類(lèi)型選取0.3 mm，0.5 mm(或0.6 mm)和1.0 mm 3個(gè)間隙尺寸；流場(chǎng)中采用“間隙類(lèi)型字母-進(jìn)口間隙尺寸-尾緣間隙尺寸”的方法標(biāo)識(shí)。

圖8示出渦輪葉片流道子午面的總壓分布，由圖可見(jiàn)，總壓沿著葉片流向不斷降低。在葉片所在位置、沿流向同一位置處，葉片頂部附近的總壓高于通道中間的總壓；在較大間隙尺寸時(shí)，葉片頂部附近總壓與通道中間總壓分布的這種差別尤為明顯。同一間隙尺寸下，C型間隙的葉頂附近總壓數(shù)值最高，高壓值范圍也最大，B型間隙次之，A型間隙葉頂附近總壓數(shù)值最低，高壓值范圍最小。說(shuō)明C型間隙對(duì)渦輪葉片流道內(nèi)部總壓分布的影響最大，而A型間隙的影響最小。

圖8 葉頂間隙對(duì)葉輪流道子午面總壓分布的影響

圖9示出渦輪葉頂間隙對(duì)85%葉輪流道高度處馬赫數(shù)分布的影響，圖中的馬赫數(shù)為絕對(duì)馬赫數(shù)。從圖9得知，對(duì)于3種類(lèi)型間隙，隨著間隙尺寸的增大，葉片后半部分的流道中逐漸產(chǎn)生高馬赫數(shù)區(qū)域，而且數(shù)值和范圍都隨間隙的增大而增大，高馬赫數(shù)影響范圍直至葉片尾緣下游的葉輪出口。葉片尾緣處的絕對(duì)馬赫數(shù)值越高，說(shuō)明渦輪余速損失越大，渦輪效率就越低，渦輪出口溫度也越高。間隙小于0.5 mm時(shí)，C型間隙的渦輪出口馬赫數(shù)最低(圖9中C-0.3-0.3)，間隙大于0.5 mm時(shí)，C型間隙的渦輪出口馬赫數(shù)最大，B型次之，A型最小。這和前文圖4至圖7所表達(dá)的趨勢(shì)是一致的，也就是說(shuō)，C型間隙對(duì)渦輪內(nèi)部流動(dòng)的影響最大，B型間隙次之，A型間隙對(duì)渦輪內(nèi)部流動(dòng)的影響最小。

5 結(jié)論

a) 葉片進(jìn)口間隙與尾緣間隙同步變化時(shí)對(duì)渦輪性能的影響最大，單獨(dú)葉片尾緣間隙變化的影響次之，單獨(dú)葉片進(jìn)口間隙變化的影響最?。蝗~片進(jìn)口間隙與尾緣間隙同步變化時(shí)渦輪輸出功率最大降低10.2%，效率最大降低7.6%；設(shè)計(jì)中要重視葉片尾緣間隙的控制；

b) 渦輪葉頂間隙對(duì)渦輪流通能力的影響不明顯；

c) 葉片進(jìn)口間隙與尾緣間隙同步變化對(duì)渦輪輸出功率與渦輪出口溫度的影響基本是單獨(dú)葉片進(jìn)口間隙變化和單獨(dú)尾緣間隙變化影響的疊加；

d) 隨著間隙尺寸的增大，葉片通道后半部分的葉頂附近總壓出現(xiàn)高數(shù)值區(qū)域，渦輪出口出現(xiàn)高馬赫數(shù)分布區(qū)，從而降低渦輪效率。