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        二級(jí)增壓系統(tǒng)低壓級(jí)渦輪進(jìn)口旋流對(duì)性能影響研究

        2019-01-25 10:29:04劉艷斌王曉江王普凱
        關(guān)鍵詞:攻角旋流渦輪

        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(duì), 新疆 沙灣 832106)

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

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

        1 渦輪三維流動(dòng)仿真

        計(jì)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(shí)間推進(jìn)法求解。湍流模型采用Spalart-Allmaras模型。給定質(zhì)量流量、靜溫、絕對(duì)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(jìn)口旋流對(duì)葉輪進(jìn)口氣流的影響,其葉輪進(jìn)口絕對(duì)氣流角不能給定為恒定值。渦輪進(jìn)口旋流主要影響葉輪進(jìn)口氣流的徑向速度。渦輪進(jìn)口旋流可簡(jiǎn)化為一個(gè)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(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?,逆時(shí)針方向?yàn)榉葱?;圖1(b)為正旋旋流對(duì)葉輪進(jìn)口的速度影響,反旋時(shí)速度響應(yīng)相反。

        (1)

        由于旋流強(qiáng)度

        (2)

        (3)

        計(jì)算時(shí),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(wú)滑移、絕熱,以使通過固體壁面的質(zhì)量流量、動(dòng)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(jì)算網(wǎng)格,環(huán)葉片的區(qū)域?yàn)椤癈型”網(wǎng)格,前緣上游、尾緣下游以及上/下主流道4個(gè)區(qū)域?yàn)椤癏型”網(wǎng)格。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更適合葉片的幾何特點(diǎn),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(jìn)口旋流的渦輪效率影響機(jī)理

        (4)

        式中:u為葉輪進(jìn)口的周向速度;c0為葉輪進(jìn)口的氣流速度。

        當(dāng)渦輪速比較大時(shí),葉輪進(jìn)口氣流攻角為負(fù);當(dāng)渦輪速比較小時(shí),葉輪進(jìn)口氣流攻角為正。

        2.1 負(fù)攻角條件

        在標(biāo)定工況下,葉輪進(jìn)口氣流攻角為負(fù)攻角。利用渦輪三維流動(dòng)仿真模型模,擬了標(biāo)定工況下進(jìn)口氣體旋流不同旋向時(shí)的渦輪內(nèi)部流動(dòng)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(jìn)口靜溫為1 000 K,渦輪進(jìn)口旋流強(qiáng)度為0.1,得到負(fù)攻角時(shí)不同進(jìn)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(jìn)口旋流對(duì)葉輪進(jìn)口氣流切向速度無(wú)影響,而對(duì)徑向速度影響較大。結(jié)合圖3可以看出,進(jìn)口旋流使得葉輪進(jìn)口氣流沿葉高方向的攻角和速度不一致:進(jìn)口正旋使得葉輪進(jìn)口葉根處攻角減小、速度增大,而葉尖處攻角增大、速度減?。贿M(jìn)口反旋,則反之。葉輪進(jìn)口氣流攻角和速度的變化會(huì)影響葉輪內(nèi)部氣流流動(dòng)狀態(tài)及流動(dòng)損失,從而對(duì)渦輪效率產(chǎn)生影響[4-6]。

        負(fù)攻角時(shí)不同進(jìn)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(jìn)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?yàn)闅饬鞣葱龡l件下葉根處較大的氣體分離流動(dòng)惡化了葉尖處氣體流動(dòng),同時(shí)使葉輪出口摻混損失加大,造成了進(jìn)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(fù)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(jìn)口靜溫為600 K,渦輪速比為0.04,此時(shí)葉輪進(jìn)口氣流攻角為正攻角。設(shè)定渦輪進(jìn)口旋流強(qiáng)度為0.1,得到正攻角時(shí)不同進(jìn)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?yàn)椋涸谡ソ菞l件下,葉輪吸力面?zhèn)刃纬蓺怏w分離流動(dòng),且正旋條件下氣體泄漏流增強(qiáng),使得泄漏流與分離流動(dòng)結(jié)合,形成較強(qiáng)的泄漏渦[7]。

        正攻角時(shí)不同進(jìn)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。可以看出:與反旋條件下相比,正旋條件下葉輪10%和90%葉高處?kù)卦鲚^大,說明正旋條件下渦輪進(jìn)口氣流渦輪效率較低。這可能是由正旋條件下較強(qiáng)的泄漏渦以及受其影響的葉根處較強(qiáng)的分離流動(dòng)所造成的。

        3 渦輪進(jìn)口旋流影響渦輪效率規(guī)律

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

        3.1 渦輪效率隨渦輪進(jìn)口旋流強(qiáng)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(jìn)口旋流強(qiáng)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(wú)論正旋還是反旋,渦輪效率均隨渦輪進(jìn)口旋流強(qiáng)度增大呈下降趨勢(shì),說明進(jìn)口旋流對(duì)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(shì)較大,這是因?yàn)闅饬髡龑?duì)渦輪效率影響不大;3)2種進(jìn)口旋向條件下渦輪效率差值隨旋流強(qiáng)度的增大而增大。

        渦輪進(jìn)口旋流正旋與反旋條件下的渦輪效率差值隨進(jìn)口旋流強(qiáng)度變化曲線如圖8所示??梢钥闯觯弘S著進(jìn)口旋流強(qiáng)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

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