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