渦輪增壓器壓氣機(jī)氣動(dòng)性能優(yōu)化及試驗(yàn)研究

李慶斌，胡遼平，何光清，劉麟，肖清

(湖南天雁機(jī)械有限責(zé)任公司，湖南 衡陽(yáng) 421005)

渦輪增壓器已成為增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)小型化以及更加嚴(yán)格的排放及燃油經(jīng)濟(jì)性的需求，用戶對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)匹配渦輪增壓器后的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能、環(huán)保性能等參數(shù)指標(biāo)要求越來(lái)越高。相比于國(guó)五發(fā)動(dòng)機(jī)，主機(jī)廠對(duì)國(guó)六排放發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速下的扭矩要求進(jìn)一步提高，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速下渦輪機(jī)效率及軸承功損失增加，為了更好地實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)與渦輪機(jī)功率平衡，壓氣機(jī)效率就變得更為重要[1]。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性低轉(zhuǎn)速扭矩增加后，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性更靠近壓氣機(jī)失速區(qū)，隨著海拔增加，容易導(dǎo)致外特性位于壓氣機(jī)特性范圍之外。不僅如此，為了滿足排放，車用柴油機(jī)EGR率增加，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性繼續(xù)向小流量方向偏移，進(jìn)一步降低了壓氣機(jī)喘振裕度，對(duì)離心壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。

近來(lái)，壓氣機(jī)性能優(yōu)化引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。葉濤等[2]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法對(duì)葉輪進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后葉輪的效率比原模型提高了2.01%，綜合穩(wěn)定裕度也得到提高。清華大學(xué)汪陳芳[3]、陳濤[4]分別提出了基于流場(chǎng)偏差分析優(yōu)化和多工況通流設(shè)計(jì)方法，還有學(xué)者采用數(shù)值分析方法對(duì)離心壓氣機(jī)進(jìn)行了性能優(yōu)化研究[5-8]。楊策[9]從離心壓氣機(jī)初步設(shè)計(jì)角度提出了一種對(duì)工程實(shí)際設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義的優(yōu)化計(jì)算方法。李慶斌[10]提出了一種半斜流式壓氣機(jī)葉輪設(shè)計(jì)，該葉輪設(shè)計(jì)兼顧徑流葉輪和斜流葉輪設(shè)計(jì)特點(diǎn)，使得小流量下輪轂和輪緣兩側(cè)的流場(chǎng)均得到較大改善，壓氣機(jī)穩(wěn)定性得到改進(jìn)。C.Xu[11-12]提出了一種壓氣機(jī)氣動(dòng)及可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，T.Ghisu[13]則使用多學(xué)科優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款小型徑流壓氣機(jī)葉輪。C.Xu[14]針對(duì)一款離心壓氣機(jī)，通過(guò)研究葉輪子午形狀及尾緣載荷分布使壓氣機(jī)效率得到提升。上述研究均取得了較好的優(yōu)化效果，但都沒(méi)有在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用。本研究針對(duì)一款國(guó)六排放帶EGR發(fā)動(dòng)機(jī)，在原增壓器方案低速性能和排放不足、高速基本滿足主機(jī)客戶要求的前提下，采用流體仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的辦法，主要從壓氣機(jī)性能優(yōu)化出發(fā)來(lái)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升。

1 葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

本研究旨在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低速性能進(jìn)行提升，但考慮到國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)低速需要足夠的EGR率，要求增壓器渦前壓力大于壓后壓力，方法是選取較小A/R流道渦輪箱。一方面，充分利用小流道渦輪箱低速大膨脹比做功能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，使渦前壓力升高，利于EGR率的提升，保證低速性能和排放；另一方面，小流道渦輪箱引起的高速性能下降，則通過(guò)新優(yōu)化壓氣機(jī)優(yōu)越的中、高速性能來(lái)彌補(bǔ)。因此，本研究實(shí)則是提升壓氣機(jī)的中、高速性能。

離心壓氣機(jī)由葉輪、擴(kuò)壓器以及蝸殼三個(gè)主要元件構(gòu)成，設(shè)計(jì)葉輪的空氣動(dòng)力學(xué)效率及壓氣機(jī)級(jí)穩(wěn)態(tài)工作流量范圍非常關(guān)鍵，而葉輪的氣動(dòng)性能也會(huì)影響到擴(kuò)壓器及蝸殼的性能。在文獻(xiàn)[14,15]所述研究成果上，以一款現(xiàn)有徑流葉輪產(chǎn)品為基礎(chǔ)，在不改變?cè)~輪載荷分布基礎(chǔ)上，僅改變出口結(jié)構(gòu)，新設(shè)計(jì)了一款采用弧形出口的葉輪Design1(見(jiàn)圖1)。該壓氣機(jī)穩(wěn)態(tài)工作范圍得到較大改進(jìn)，整體性能較好滿足了國(guó)五排放發(fā)動(dòng)機(jī)需求，但隨著排放升級(jí)，該壓氣機(jī)在效率方面不能滿足國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)性能需求。

圖1 Design1及Design2子午型線對(duì)比

通過(guò)對(duì)該壓氣機(jī)葉輪Design1從葉輪進(jìn)口前緣傾斜角、輪緣shroud及輪轂hub型線、葉片角分布三方面進(jìn)行氣動(dòng)迭代設(shè)計(jì)，新設(shè)計(jì)出Design2方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)穩(wěn)定性及性能的整體提升。Design2葉輪三維模型見(jiàn)圖2。

圖2 Design2葉輪三維模型

葉片角分布對(duì)比如圖3所示，Design2后彎角平均值要較Design1略小一些，hub線在20%子午長(zhǎng)度即達(dá)到峰值，考慮到小型壓氣機(jī)葉頂間隙占據(jù)葉高比重較大，葉頂間隙損失比較嚴(yán)重，不宜在葉頂施加過(guò)多載荷；外加hub壁面存在較大的摩擦損失，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能將大部分載荷集中到葉片20%～80%span區(qū)域，充分利用葉輪中部高效流動(dòng)區(qū)域，以提高葉輪效率值。

圖3 葉輪葉片角分布對(duì)比

2 仿真分析

采用FINE/Turbo軟件包，求解三維雷諾平均N-S方程組來(lái)分析增壓器壓氣機(jī)性能，取單個(gè)通道進(jìn)行模擬，通道邊界設(shè)置為周期性邊界條件。葉輪拓?fù)涞谝粚泳W(wǎng)格高度為0.001 mm，y+值控制在1～7之間。對(duì)葉輪網(wǎng)格開(kāi)展了網(wǎng)格獨(dú)立性分析，當(dāng)葉輪網(wǎng)格數(shù)目為1 913 224時(shí)，壓氣機(jī)壓比及效率已經(jīng)基本不再隨著網(wǎng)格數(shù)增加而發(fā)生變化，綜合考慮計(jì)算精度及計(jì)算速度，建立葉輪三維網(wǎng)格模型，如圖4所示。

圖4 葉輪三維網(wǎng)格模型

考慮到對(duì)比分析的有效性，對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)葉輪網(wǎng)格拓?fù)涔?jié)點(diǎn)數(shù)保持一致，網(wǎng)格總數(shù)保持一致。對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)口施加標(biāo)況下絕對(duì)總壓、絕對(duì)總溫以及速度向量方向等邊界條件，壓氣機(jī)出口施加質(zhì)量流量邊界條件。葉輪固體壁面取不滲透、無(wú)滑移、絕熱的邊界條件，使通過(guò)固體壁面的質(zhì)量通量、動(dòng)量通量及能量通量為零。判斷計(jì)算是否收斂，通常以下述幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)作為參考：全局殘差下降三個(gè)量級(jí)以上；收斂準(zhǔn)則最重要的一個(gè)參數(shù)是進(jìn)出口質(zhì)量流量，其相對(duì)誤差應(yīng)小于0.02%，且流量不再發(fā)生變化；對(duì)于定常計(jì)算，總體性能參數(shù)(效率、壓比、扭矩等)都應(yīng)當(dāng)恒定，而不再隨迭代步數(shù)增加而變化。

對(duì)Design1及Design2在8.83萬(wàn)，14.4萬(wàn)，18.8萬(wàn) r/min轉(zhuǎn)速各工況下的性能進(jìn)行了模擬計(jì)算。圖5示出壓比值分布，可以看出，由于后彎角略小的緣故，各轉(zhuǎn)速下Design2的壓比要略高一些。效率值分布如圖6所示，各轉(zhuǎn)速下Design2效率較Design1高3個(gè)百分點(diǎn)，而在小流量下的優(yōu)勢(shì)隨著轉(zhuǎn)速升高逐漸減弱，在高速下甚至出現(xiàn)小流量下效率略低的情況，由于發(fā)動(dòng)機(jī)基本不工作或極少工作在高速小流量區(qū)域，因此，效率略低一些對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響很小。

圖5 葉輪壓比模擬值對(duì)比

圖6 葉輪效率模擬值對(duì)比

3 流場(chǎng)分析

3.1 S2流面靜壓分析

選取14.4萬(wàn) r/min轉(zhuǎn)速，質(zhì)量流量為0.11 kg/s峰值效率工況點(diǎn)進(jìn)行流場(chǎng)分析。從圖7可以看出，Design2從進(jìn)口到出口靜壓的變化分隔線更傾向于shroud及hub線的法線方向，表明沿流道展向方向，壓力分布更為均勻，在展向方向的二次流損失相應(yīng)地減少了，利于葉輪的性能提升。

圖7 S2流面靜壓分布

3.2 峰值效率點(diǎn)S1流面相對(duì)馬赫數(shù)分布

從圖8可以看出，Design1在整個(gè)通道存在較大范圍的低能流體團(tuán)，相比于Design1，Design2在主葉片壓力面與分流葉片吸力面所包圍區(qū)域，低能流體團(tuán)面積要略大，流體損失有所增加，對(duì)葉輪性能有一定影響。

圖8 S1流面90%span相對(duì)馬赫數(shù)分布

3.3 峰值效率點(diǎn)S1及S2流面熵值分布

從圖9a可以看出，在靠近葉根區(qū)域，一般葉根載荷分配較少，流體分流損失較低，Design1在流體從葉輪出口進(jìn)入擴(kuò)壓器之后，可能由于流體摻混損失的影響，造成出口處Design1比Design2損失略大；由圖9b可以看出，Design1在葉輪進(jìn)口吸力面存在些許攻角損失，同時(shí)在靠近葉輪分流葉片吸力面存在些許損失，但總體與Design1差別不大，而在葉輪出口，可能由于流體摻混損失的影響，出口處Design1比Design2損失略大；從圖9c可以看出，在靠近葉頂區(qū)域，在葉輪進(jìn)口及出口兩個(gè)區(qū)域存在較大的損失，與圖10中Design1葉輪進(jìn)口及出口兩個(gè)區(qū)域存在較大的熵增相對(duì)應(yīng)，其原因可以從圖11得知。從圖11可以看出，Design1在葉頂?shù)妮d荷總體要大于Design2方案，尤其是虛線框內(nèi)，Design1載荷施加明顯高于Design2，在葉頂區(qū)域施加過(guò)多載荷，加大了葉片壓力面與吸力面的壓差，使泄漏損失增加。

圖9 S1流面熵值分布

圖10 S2流面熵值分布

圖11 90%span載荷對(duì)比

4 試驗(yàn)研究

4.1 壓氣機(jī)特性試驗(yàn)

對(duì)壓氣機(jī)開(kāi)展特性試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)量精度具體如下：1)流量±1%；2)壓力±0.5%；3)溫度±0.5%；4)轉(zhuǎn)速±0.5%。從圖12可以看出，新設(shè)計(jì)Design2峰值效率得到有效提高，76%峰值效率圈幾乎覆蓋Design1方案73%峰值效率圈，各轉(zhuǎn)速大流量下效率增加優(yōu)勢(shì)更為明顯，小流量下效率幾乎與Design1方案持平，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

圖12 壓氣機(jī)試驗(yàn)特性對(duì)比

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

壓氣機(jī)的中、高速效率提升有助于發(fā)動(dòng)機(jī)高速性能改善，由于本研究側(cè)重于改善發(fā)動(dòng)機(jī)低速性能和EGR率，在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，選取了一款較小A/R流道的渦輪箱，該渦輪箱流道在原A/R基礎(chǔ)上，保持渦輪箱R基本不變的前提下，減小A值，A/R減小了約8%。

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)是在關(guān)閉EGR閥狀態(tài)下進(jìn)行的，EGR率間接地通過(guò)增壓器渦前壓力與壓后壓力的差值(Δp)來(lái)表示。試驗(yàn)結(jié)果如圖13～圖15所示，發(fā)動(dòng)機(jī)性能與目標(biāo)值相比，低速扭矩最高提升了1.3%，低速燃油消耗率降低了1.7%，高速性能基本持平或更優(yōu)，發(fā)動(dòng)機(jī)在1 200～1 600 r/min轉(zhuǎn)速下壓差均略優(yōu)于目標(biāo)壓差值，發(fā)動(dòng)機(jī)性能和EGR水平整體滿足了主機(jī)廠客戶的要求。

圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)扭矩對(duì)比

圖14 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)燃油消耗率對(duì)比

圖15 增壓器各轉(zhuǎn)速下渦前與壓后壓力差值

5 結(jié)論

a)對(duì)現(xiàn)有壓氣機(jī)葉輪從葉輪平均子午型線和葉片載荷分布兩個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果顯示優(yōu)化后壓氣機(jī)模擬峰值效率提升了3個(gè)百分點(diǎn)；

b)通過(guò)對(duì)壓氣機(jī)流場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，新葉輪在葉頂間隙區(qū)域及葉輪出口摻混損失均減少，有利于壓氣機(jī)效率的提升；

c)對(duì)新壓氣機(jī)進(jìn)行了壓氣機(jī)臺(tái)架特性測(cè)試，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性；發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明：與客戶目標(biāo)要求值相比，低速扭矩最高提升了1.3%,低速油耗降低了1.7%，發(fā)動(dòng)機(jī)在1 200～1 600 r/min轉(zhuǎn)速下壓差均略優(yōu)于目標(biāo)壓差值，發(fā)動(dòng)機(jī)性能和EGR水平整體滿足了主機(jī)廠客戶的要求。