侯紅娟+王磊磊+李延昭

摘 要：可調(diào)向心渦輪的導(dǎo)葉展弦比較小，且存在兩個葉頂間隙，間隙泄漏流對渦輪氣動性能產(chǎn)生影響。本文通過某渦輪增壓器用可調(diào)向心渦輪導(dǎo)葉間隙泄漏流的研究，發(fā)現(xiàn)葉頂間隙使渦輪氣動性能下降的規(guī)律，并據(jù)此展開分析，揭示了導(dǎo)葉葉頂間隙變化根本原因。并針對該問題提出一種采用相對簡單的彈簧和止推機構(gòu)實現(xiàn)導(dǎo)葉間隙自動調(diào)節(jié)的方法

關(guān)鍵詞：渦輪；噴嘴環(huán)；間隙；調(diào)節(jié)

0 引言

渦輪增壓器具有提高內(nèi)燃機動力性、燃油經(jīng)濟性及減少排放污染等優(yōu)點，被廣泛用于內(nèi)燃機領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)向心渦輪并不能保持在全工況范圍內(nèi)高效運行，因此促使可變幾何渦輪增壓器的興起[2]。可變幾何渦輪增壓器在渦輪端增加可調(diào)導(dǎo)葉，通過導(dǎo)葉開度的調(diào)節(jié)達到滿足更寬工況的要求，并能夠滿足更高標準的排放法規(guī)要求。但可變幾何渦輪增壓器采用的可調(diào)導(dǎo)葉展弦比較小，且存在兩個葉頂間隙。而過多的間隙泄漏流將對渦輪性能產(chǎn)生較大影響，使渦輪級氣動性能下降、轉(zhuǎn)子葉片可靠性降低等問題[3]。因此，有必要開展關(guān)于導(dǎo)葉間隙泄漏流對可調(diào)渦輪影響的研究。

相關(guān)文獻中也提到一些可調(diào)向心渦輪預(yù)測方法并演化，用于輔助可調(diào)向心渦輪的設(shè)計及性能評估[4，5]。本文根據(jù)某一型號渦輪增壓器，采用數(shù)值模擬的方法研究了可調(diào)向心渦輪導(dǎo)葉間隙變化對壓氣機性能的影響，并設(shè)計一種用于導(dǎo)葉間隙的調(diào)整的有效方法。

1 數(shù)值模型

研究對象為某型號渦輪增壓器的可調(diào)向心渦輪，數(shù)值模型只包括導(dǎo)流葉片和混流渦輪轉(zhuǎn)子。數(shù)值模型建立采用NUMECA軟件中的AUTOGRID完成，計算網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)為O4H型，各排葉片壁面采用O型網(wǎng)格環(huán)繞，其余采用H型網(wǎng)格，相鄰?fù)ǖ篱g采用匹配型連接方式。對于網(wǎng)格質(zhì)量，其正交性、延展比和長寬比均滿足規(guī)范。另外，采用單通道定常計算方法測試網(wǎng)格無關(guān)性，結(jié)果顯示所用網(wǎng)格數(shù)滿足研究需要。

2 可調(diào)向心渦輪導(dǎo)葉間隙的設(shè)計原理

可調(diào)向心渦輪被應(yīng)用到廢氣渦輪增壓器上，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)葉的開度，來提高渦輪的瞬態(tài)響應(yīng)能力。為了實現(xiàn)導(dǎo)葉開度的可調(diào)，在導(dǎo)葉葉頂必然存在葉頂間隙。

渦輪高轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的過程中，導(dǎo)葉材料發(fā)生熱膨脹。結(jié)果使導(dǎo)流葉片沿葉高方向伸長，造成導(dǎo)葉兩端葉頂間隙值減小，引起相應(yīng)葉頂泄漏流動發(fā)生相應(yīng)改變。如果導(dǎo)葉葉頂間隙設(shè)計過小，導(dǎo)葉在受熱膨脹后與輪緣或輪轂壁面發(fā)生接觸，導(dǎo)致導(dǎo)葉的磨損甚至卡死，無法正常實現(xiàn)開度調(diào)節(jié)。葉頂間隙設(shè)計過大時，葉頂間隙流動就會增加，葉尖泄漏流動會帶來較大的流動損失，而且泄漏流動向下渦輪游輸運時，對轉(zhuǎn)子氣動性能將產(chǎn)生不利影響。

3 導(dǎo)葉間隙變化對可調(diào)向心渦輪性能的影響

圖1首先給出原始可調(diào)向心渦輪結(jié)構(gòu)示意圖，其主要組成為：可調(diào)導(dǎo)葉、導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)軸、導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)機構(gòu)、輪轂、轉(zhuǎn)子和輪緣，導(dǎo)葉開度通過導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)機構(gòu)來調(diào)整。

數(shù)值計算在原始導(dǎo)葉葉頂間隙滿足設(shè)計要求的前提下進行。對于導(dǎo)葉兩側(cè)間隙的控制可采用公式（1）來完成：

其中，ε為間隙比例系數(shù)指輪緣側(cè)葉頂間隙占總間隙的比例；Gap1、Gap2分別為導(dǎo)葉與輪緣和輪轂側(cè)的葉頂間隙，單位為mm。

圖2為不同計算條件下輪緣側(cè)葉頂間隙比例變化對渦輪性能的影響。每條曲線代表一種渦輪進口總壓的情況，渦輪出口設(shè)定為標準大氣壓。由計算結(jié)果曲線可見導(dǎo)葉兩端葉頂間隙的變化對渦輪性能產(chǎn)生重要影響，其中Gap1占間隙總和的20%以內(nèi)時（即0≤ε≤20%），渦輪效率處于高值區(qū)域。

4 可調(diào)向心渦輪導(dǎo)葉間隙的自動調(diào)節(jié)方法

為達到可調(diào)向心渦輪導(dǎo)葉間隙的自動調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)上述目標，公式（1）變換得到如下公式（2）：

從公式（2）可知，在保證Gap2的情況下，只減小Gap1g來完成既定目的。

本文設(shè)計一種可調(diào)向心渦輪導(dǎo)葉葉頂間隙的自動調(diào)節(jié)裝置，如圖3所示。即在原始可調(diào)向心渦輪的基礎(chǔ)上增加自適應(yīng)調(diào)節(jié)組件，包括彈簧、止推機構(gòu)和固定構(gòu)件等。其中彈簧套裝于導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)軸并保證同軸安裝，靠輪緣側(cè)與導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)軸的固定擋環(huán)與之接觸，彈簧另一端固定連接于固件。彈簧用于實現(xiàn)Gap1的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，Gap1的行程與彈性系數(shù)及導(dǎo)葉材料膨脹系數(shù)有關(guān)。輪緣側(cè)旋轉(zhuǎn)軸支撐為游動形式，旋轉(zhuǎn)軸外側(cè)彈簧為常態(tài)壓縮狀態(tài)，起到了止推作用，同時保障導(dǎo)葉始終與輪轂側(cè)止推機構(gòu)相接觸，避免導(dǎo)葉的非膨脹性軸向竄動。左側(cè)止推機構(gòu)采用向心推力軸承的形式，用以阻止導(dǎo)葉向輪轂側(cè)移動，但允許其轉(zhuǎn)動，這樣就保證了導(dǎo)葉與輪轂側(cè)存在原始設(shè)計間隙Gap2。

這樣，當導(dǎo)葉熱膨脹沿旋轉(zhuǎn)軸軸線伸長時，在輪轂側(cè)軸向止推及輪緣側(cè)彈簧力共同作用下，導(dǎo)葉與輪轂側(cè)壁面的間隙（Gap2）基本不變。對于輪緣側(cè)，導(dǎo)葉熱膨脹使旋轉(zhuǎn)軸向該側(cè)游動，壓縮彈簧并減小了間隙；相應(yīng)因旋轉(zhuǎn)軸膨脹而產(chǎn)生軸向推力也被彈簧力所平衡。最終導(dǎo)葉的熱膨脹尺寸全部釋放于輪緣側(cè)，而旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的熱膨脹功則轉(zhuǎn)化為彈簧壓縮功。

5 結(jié)論

（1）可調(diào)向心渦輪導(dǎo)葉葉頂葉頂間隙設(shè)計過小，容易導(dǎo)致導(dǎo)葉膨脹后與固壁接觸而產(chǎn)生磨損或卡死；間隙設(shè)計過大時，間隙流動就會增加，葉尖泄漏會對下游流場產(chǎn)生不利影響。

（2）數(shù)值計算表示，輪緣側(cè)葉頂間隙比例變化對渦輪性能的產(chǎn)生影響。當導(dǎo)葉靠近輪緣側(cè)的間孫占間隙總和的20%以內(nèi)時，渦輪效率較高。

（3）文中提出一種導(dǎo)葉間隙的自動節(jié)方法，當導(dǎo)葉受熱膨脹時，其輪緣側(cè)彈簧受迫壓縮，對應(yīng)間隙減小。該方法可以自動適應(yīng)導(dǎo)葉的膨脹程度，而且也避免因?qū)~膨脹后可能發(fā)生與輪緣/轂接觸或卡死的情況。

項目支持：河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項目（ZD2016095），邯鄲市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃項目（1621212047-2）。