劉 瑩，馬國(guó)玲，葛 煒，佟 鼎，王曉春，楊 磊，黃 磊，白軍愛(ài)，蔣 婧

（1.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所（天津），天津 300400；2.大同北方天力增壓技術(shù)有限公司，山西 大 同 037036；3.中國(guó)人民解放軍96627部隊(duì)，北京 100085）

噴嘴出口氣流角對(duì)渦輪流通能力有很大影響，合理的氣流角能降低氣流在流入渦輪葉輪過(guò)程中的攻角損失，提高渦輪效率［1］。簡(jiǎn)單渦輪箱模型中認(rèn)為出口氣流角在全周的分布是均勻的，然而渦輪箱內(nèi)的流動(dòng)非常復(fù)雜，存在流體進(jìn)入葉輪、葉輪內(nèi)的壓力脈動(dòng)影響渦輪箱內(nèi)流動(dòng)、渦輪箱喉口區(qū)域回流等現(xiàn)象［2－4］。常婉幟等［5］采用 Fluent軟件對(duì)渦輪進(jìn)行了整機(jī)計(jì)算，獲得了在不同轉(zhuǎn)速下的氣流角與總壓損失系數(shù)，發(fā)現(xiàn)氣流角與膨脹比沒(méi)有直接關(guān)系，在不同的膨脹比下，總壓損失系數(shù)是變化的。魏希輝等［6］采用Numeca軟件對(duì)H1F混流渦輪進(jìn)行了整機(jī)計(jì)算，渦輪流量特性和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，確立了相對(duì)準(zhǔn)確的工程計(jì)算模型。杜鵑等［7］采用Fluent軟件對(duì)葉片通道進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算，獲得了葉輪內(nèi)部的壓力、溫度、速度等詳細(xì)分布。王仁人等［8］通過(guò)IFA300熱膜風(fēng)速儀X型探針測(cè)量了渦輪箱內(nèi)的速度場(chǎng)，分別測(cè)量了vx，vy，vz3個(gè)方向的速度，并對(duì)3個(gè)速度的分布進(jìn)行了分析研究。利用三維CFD仿真方法對(duì)氣流角的影響因素進(jìn)行分析，相關(guān)報(bào)道較少，本研究對(duì)渦輪整機(jī)進(jìn)行了模擬計(jì)算，研究了不同參數(shù)對(duì)氣流角的影響。

1 計(jì)算模型建立及驗(yàn)證

本研究采用某渦輪增壓器的向心渦輪作為研究對(duì)象，該渦輪采用無(wú)葉噴嘴環(huán)結(jié)構(gòu)。針對(duì)該向心渦輪采用Numeca軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值研究，網(wǎng)格劃分模型及網(wǎng)格分布見(jiàn)圖1。渦輪箱的網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，采用IGG模塊手動(dòng)劃分，渦輪葉輪與出口段的網(wǎng)格采用Autogrid模塊自動(dòng)生成，最終生成相對(duì)質(zhì)量較高的網(wǎng)格。

由于計(jì)算資源的限制，本研究采用單流道計(jì)算，計(jì)算參數(shù)選用理想氣體和Turbulent Navier－stokes數(shù)學(xué)方程，湍流模型采用S－A一方程模型。固體壁面條件為不滲透、無(wú)滑移、絕熱邊界條件；R／S交界面采用守恒性混合面處理方法；根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)置進(jìn)出口等邊界條件，全局殘差下降到3.5個(gè)數(shù)量級(jí)，進(jìn)出口流量誤差不超過(guò)0.2%時(shí)，計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足收斂的標(biāo)準(zhǔn)。

圖2示出CFD計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。圖中所用的流量為相對(duì)相似流量（此流量為實(shí)際相似流量與某一參考相似流量的比值，后面出現(xiàn)的效率和流量值均為相對(duì)值）。從圖2可以看出，在不同轉(zhuǎn)速工況下，流量的試驗(yàn)值均比計(jì)算值高一些，但最大誤差不超過(guò)7%。產(chǎn)生誤差的原因是在渦輪特性試驗(yàn)中采用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣推動(dòng)渦輪做功，由于條件的限制，無(wú)法標(biāo)定特性試驗(yàn)中廢氣的具體成分及物理參數(shù)，因此在CFD計(jì)算中采用理想空氣進(jìn)行研究，導(dǎo)致試驗(yàn)值要比計(jì)算值高一些，但對(duì)于定性分析渦輪噴嘴出口氣流角的分布情況，計(jì)算模型也是真實(shí)可信的。

2 性能分析

圖3示出增壓器渦輪效率和流量特性。由圖3可以看出，在不同的轉(zhuǎn)速下，效率隨膨脹比的增大均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在某一膨脹比下獲得該轉(zhuǎn)速下的最大效率。流量也隨膨脹比的增大而增大，流量一定時(shí)，轉(zhuǎn)速越高膨脹比越大。這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的增大，渦輪的離心力增大，克服離心力所需要的膨脹比增大，獲得相同流量對(duì)應(yīng)的膨脹比也增大。

圖4示出不同增壓器轉(zhuǎn)速下的渦輪箱總壓損失系數(shù)［5］對(duì)比。由圖4可以看出，不同轉(zhuǎn)速下，渦輪箱的總壓損失系數(shù)隨膨脹比的增大而增大，在相同膨脹比下，隨著轉(zhuǎn)速的增大總壓損失系數(shù)不斷減小。這主要是因?yàn)榕蛎洷认嗤瑫r(shí)，轉(zhuǎn)速越高對(duì)應(yīng)的渦輪流量越低，氣流在渦輪箱中的流動(dòng)損失也越小。

3 噴嘴出口氣流角分析

噴嘴出口氣流角［9－10］對(duì)渦輪的性能有重要的影響，合適的噴嘴出口氣流角能降低氣流的沖角損失，有效提高渦輪效率。

3.1 膨脹比對(duì)噴嘴出口氣流角的影響

圖5示出膨脹比對(duì)噴嘴中間截面出口氣流角的影響。由圖5可以看出，不同的轉(zhuǎn)速下，噴嘴出口氣流角對(duì)膨脹比的變化不太敏感，與膨脹比沒(méi)有明顯的直接關(guān)系。可以認(rèn)為隨著膨脹比的變化，出口氣流只是增大了速度的大小，而方向基本不變。在0°～60°周向角區(qū)域內(nèi)，不同膨脹比工況下，氣流角分布均存在一個(gè)明顯的波谷區(qū)域，這是由喉口附近復(fù)雜的氣流運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的，這與文獻(xiàn)［5］得到的結(jié)論相同。

另外可以看出，在相同轉(zhuǎn)速下，噴嘴出口氣流角在0°～180°周向角區(qū)域內(nèi)的分布隨膨脹比的變化基本不變，而在180°～360°周向角區(qū)域內(nèi)，膨脹比對(duì)噴嘴出口氣流角分布影響稍大，并在180°～240°周向進(jìn)氣區(qū)域內(nèi)存在相對(duì)較大的波動(dòng)。圖6、圖7示出增壓器轉(zhuǎn)速為60 000r／min，膨脹比為1.6時(shí)渦輪箱噴嘴出口截面切向和徑向速度分布云圖。從圖6可以看出，切向速度在蝸舌附近和180°～220°周向度位置附近存在明顯的低速區(qū)，蝸舌附近要更低，其他周向角內(nèi)切向速度分布比較均勻。從圖7可以看出，徑向速度在蝸舌附近存在明顯的高速區(qū)，在周向角90°～150°范圍內(nèi)存在明顯的低速區(qū)，其他周向角范圍徑向速度分布比較均勻。蝸舌附近切向速度較小、徑向速度較大，導(dǎo)致蝸舌附近的氣流角較小，這解釋了在周向進(jìn)氣角0°～60°范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯波谷的原因。在周向角180°～220°范圍內(nèi)切向速度較小，徑向速度變化不大，這導(dǎo)致在周向角180°～240°范圍內(nèi)出現(xiàn)一小的波谷。

3.2 噴嘴寬度對(duì)噴嘴出口氣流角分布的影響

圖8示出不同轉(zhuǎn)速下膨脹比為1.6時(shí)，不同噴嘴寬度（噴嘴寬度的百分比是以渦輪葉輪輪背為基準(zhǔn)，所截截面寬度與噴嘴環(huán)寬度的比值）對(duì)應(yīng)的氣流角分布。由圖8可以看出，不同噴嘴寬度對(duì)應(yīng)的周向氣流角分布不同，30%和70%噴嘴寬度對(duì)應(yīng)的噴嘴出口氣流角分布趨勢(shì)基本相同，只是前者比后者稍小。10%和90%噴嘴寬度對(duì)應(yīng)的噴嘴出口氣流角在0°～60°范圍內(nèi)有一個(gè)小的波峰，并且在全周范圍內(nèi)相對(duì)其他噴嘴寬度對(duì)應(yīng)的氣流角較小，其中90%噴嘴寬度對(duì)應(yīng)的噴嘴出口氣流角最小。在0°～60°范圍內(nèi)，氣流的摻混造成50%噴嘴寬度附近產(chǎn)生低速區(qū)，增加了靠固壁端的氣流速度，使氣流角在此范圍有一個(gè)小波峰。圖9示出渦輪箱不同截面徑向速度分布云圖。由于幾何結(jié)構(gòu)，氣流在流過(guò)靠近噴嘴環(huán)兩端時(shí)迅速加速，在噴嘴環(huán)寬度范圍內(nèi)形成兩側(cè)速度高、中間速度低的分布，使10%和90%噴嘴寬度對(duì)應(yīng)的氣流角較小。

3.3 轉(zhuǎn)速對(duì)噴嘴出口氣流角的影響

圖10示出不同噴嘴寬度、不同轉(zhuǎn)速下的噴嘴出口氣流角的分布。由圖10可以看出，在不同的噴嘴寬度位置，噴嘴出口氣流角的分布隨轉(zhuǎn)速的變化基本不變，與轉(zhuǎn)速?zèng)]有明顯的直接關(guān)系。

4 結(jié)論

a）在不同轉(zhuǎn)速下，渦輪箱的總壓損失系數(shù)隨膨脹比的增大而增大，在相同膨脹比下，隨轉(zhuǎn)速的增大，渦輪箱的總壓損失系數(shù)不斷減?。?/p>

b）不同轉(zhuǎn)速下，噴嘴出口氣流角隨膨脹比的變化基本不變，在0°～60°周向角區(qū)域內(nèi)，不同膨脹比工況下氣流角分布均存在一個(gè)明顯的波谷區(qū)域，這主要是因?yàn)槲伾喔浇鼜?fù)雜的氣流運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致切向速度較小、徑向速度較大，使蝸舌附近的氣流角較??；

c）不同噴嘴寬度對(duì)應(yīng)的周向氣流角的分布不同，30%和70%噴嘴寬度對(duì)應(yīng)的噴嘴出口氣流角的分布基本相同，10%和90%的噴嘴寬度對(duì)應(yīng)的噴嘴出口氣流角在在全周范圍內(nèi)相對(duì)其他噴嘴寬度對(duì)應(yīng)的氣流角較小，其中90%噴嘴寬度對(duì)應(yīng)的噴嘴出口氣流角最?。?/p>

d）在不同的噴嘴寬度位置，噴嘴出口的氣流角的分布與增壓器轉(zhuǎn)速關(guān)系不大。

［1］ 楊 策，施 新.徑流式葉輪機(jī)械理論及設(shè)計(jì)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

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