范厚傳，倪計民，石秀勇，曲大勇，鄭義

(1.同濟大學汽車學院，上海 201804；2.鳳城市時代龍增壓器制造有限公司，遼寧 鳳城 118100)

渦輪增壓技術是內燃機發(fā)展的一個里程碑技術，現代乘用車汽油機增壓化趨勢越來越明顯，在更高汽車節(jié)能減排法規(guī)要求下，渦輪增壓器已成為現代乘用車內燃機提高性能的關鍵零部件[1-2]。乘用車汽油機匹配的增壓器尺寸較小，結構緊湊，工作范圍寬，因而結構尺寸較小的改變都可能引起增壓器性能較大的變化[1]。

為了保證渦輪葉輪在渦輪殼中正常工作，渦輪葉片頂部與渦輪殼過渡圓弧之間留有一定的間隙，形成渦輪葉頂間隙[3-4]。增壓器葉頂間隙包含壓氣機端和渦輪端，是增壓器設計和制造過程中不容易控制的參數，其涉及增壓器轉子軸、渦輪殼和渦輪葉輪的加工，以及增壓器的裝配等環(huán)節(jié)。葉頂間隙還與材料屬性、轉子振動等有關[5-8]，每個環(huán)節(jié)都可能引起渦輪葉頂間隙的變化。而且渦輪葉頂間隙還受渦輪轉子高溫高脈沖工作環(huán)境的影響，在發(fā)動機不同工況下會出現不同的渦輪葉頂間隙，因而難以準確斷定實際工作中渦輪葉頂間隙的大小。

J.R.Serrano等研究了渦輪轉速和葉頂間隙尺寸對渦輪性能和間隙泄漏流的影響[9-10]，其研究中的渦輪葉片進出口間隙尺寸是同步變化的。X.M.Li等采用數值方法研究了微型徑流式渦輪的間隙流動[11]，結果顯示渦輪葉頂間隙流動具有瞬時波動性，渦輪葉片出口間隙對間隙泄漏流的影響大于葉片進口間隙的影響。豈興明和Zahari Taha等分別研究了軸流式渦輪葉頂間隙形態(tài)對渦輪性能的影響[12-13]，并優(yōu)化了間隙結構。Jie Gao和C. De Maesschalck等則研究軸流式渦輪葉頂間隙的泄漏流動和傳熱的耦合作用[14-15]。在現有文獻中，針對尺寸較小的徑流式車用增壓器渦輪葉頂間隙的研究較少。

本研究以小型車用汽油機增壓器渦輪為研究對象，探索葉頂間隙對渦輪性能的影響規(guī)律，通過設定不同條件的渦輪葉頂間隙，預判其對渦輪性能的影響；該研究有助于提升關于葉頂間隙對渦輪性能影響的認識，為相應增壓器的設計、優(yōu)化、匹配及制造誤差控制提供指導和參考。

1 研究內容

1.1 研究對象

采用數值模擬研究方法，以數值仿真軟件為平臺，建立原機仿真模型，在驗證模型可行性后，設定不同的渦輪葉頂間隙類型和間隙尺寸，并在同一工況點下對各種間隙進行模擬計算，得到渦輪性能。然后分析間隙類型和間隙尺寸對渦輪性能的影響，最后，為探索間隙對渦輪內部流動損失的影響程度，選取典型的間隙點進行微觀流場分析。

研究對象是某小型車用汽油機增壓器渦輪，相關參數見表1。渦輪采用全輪盤渦輪葉輪，無葉噴嘴單通道蝸殼，渦輪整級流體域模型見圖1。

表1 增壓器相關參數

圖1 渦輪整級流體域的三維模型

1.2 渦輪葉頂間隙的設置

渦輪葉頂間隙包含渦輪葉片進口間隙和葉片尾緣間隙，圖2為渦輪葉頂間隙示意。參考原機的渦輪葉片進口間隙和尾緣間隙均為0.5 mm?？紤]增壓器渦輪機的實際工作情況及裝配制造誤差，仿真模型中，渦輪最小間隙設定為0.3 mm，最大間隙設定為1.0 mm。最大渦輪葉片進口間隙是渦輪葉輪進口流道高度的18.0%，而最大尾緣間隙則是相應葉輪出口流道高度的8.9%。本研究根據實際工程情況設置3種類型的渦輪葉頂間隙，每種類型間隙的變化范圍為0.3～1.0 mm，間隙尺寸覆蓋實際可能涉及的渦輪間隙范圍。3種渦輪葉頂間隙的設置分別如下：

A型葉頂間隙，葉片尾緣間隙保持0.5 mm不變，葉片進口間隙從0.3 mm變化到1.0 mm；

B型葉頂間隙，葉片進口間隙保持0.5 mm不變，葉片尾緣間隙從0.3 mm變化到1.0 mm；

C型葉頂間隙，葉片進口間隙與尾緣間隙同步變化，從0.3 mm變化到1.0 mm。

通過改變渦輪葉片高度得到不同的葉頂間隙尺寸，模擬中每種類型的間隙有6組間隙尺寸，分別為0.3 mm，0.4 mm，0.5 mm，0.6 mm，0.7 mm和1.0 mm，渦輪葉片進出口之間的葉頂間隙根據進口與出口之間的間隙差值按線性變化。

圖2 葉輪葉頂間隙示意

2 模型的建立與驗證

2.1 計算模型設置

渦輪整級模型由6個部分組成，分別是進氣延長段、渦輪殼、葉輪旋轉域、渦輪出口過渡段、輪背間隙和出口延長段，其中進氣延長段、出口延長段和葉輪旋轉域采用結構網格，輪背間隙、渦輪殼和渦輪出口過渡段采用非結構網格，各流體域的網格數量見表2。葉輪旋轉域采用完全匹配的網格布置，葉輪葉片周圍設置有加密的O型網格，葉頂間隙區(qū)域的網格層數加密[14]，相關工作壁面處添加附面層網格。

表2 模型各部分網格數量

對于模型設置，渦輪葉輪設定為旋轉域，其余均為靜止域，蝸殼噴嘴出口與葉輪進口之間，以及葉輪旋轉域出口與渦輪出口過渡段之間采用凍結轉子交接面。湍流模型采用SST兩方程模型，數學方程為雷諾平均N-S方程組，各壁面均設定為光滑、無滑移的絕熱壁面[6,15]，工作流體定義為理想氣體。

所有間隙的模擬均在同一穩(wěn)態(tài)工況下進行，計算工況點的增壓器轉速為150 000 r/min、渦輪工作流量為0.048 6 kg/s，該工況為相應轉速上的增壓器聯合運行點。設定流量與總溫為渦輪級進口邊界，進口總溫為873.15 K，渦輪出口設為靜壓100 kPa。

2.2 模型驗證

模型的試驗驗證采用增壓器自循環(huán)綜合試驗臺，在增壓器自循環(huán)運行范圍內每隔10 000 r/min采集一個點，共9個驗證工況點。驗證設置中，渦輪模型的進口參數根據試驗數據設定。

渦輪進口靜壓的模擬與試驗的對比見圖3。由圖3可知，模擬值與試驗值比較吻合，在高轉速區(qū)試驗與模擬之間的偏差較大，最大偏差發(fā)生在190 000 r/min工況點上，此時試驗值大于試驗值，誤差為1.64%，在可接受范圍內，認為所建立的模型可以用于下一步的模擬研究。

圖3 模擬與試驗的對比

3 性能分析

接下來對渦輪性能進行分析，渦輪的流通能力和能量轉換效率是主要分析內容，包含渦輪的膨脹比、效率及輸出功率等參數。

在相同進氣條件下，渦輪的膨脹比代表渦輪的流通能力，圖4示出渦輪葉頂間隙對渦輪膨脹比的影響。從圖4可以看出，隨著渦輪葉頂間隙的增大，渦輪膨脹比變化很小，三種類型葉頂間隙的渦輪膨脹比曲線整體平緩，膨脹比值均在1.908～1.926之間。間隙為1.0 mm時有最大偏差，此時的偏差在也在1%以內，渦輪進口總壓的最大絕對差值為1.8 kPa。總體上葉頂間隙對渦輪膨脹比影響不大。在較小差別范圍看，在間隙小于0.5 mm時，B型間隙的渦輪膨脹比最高，C型間隙次之，A型最低。間隙大于0.5 mm時，則是B型間隙的渦輪膨脹比最低，A型最高。表3列出渦輪葉頂間隙從0.3 mm變化到1.0 mm時渦輪性能的變化。由表3可知，A型間隙的總壓變化幅度最大，但也僅為1.432 kPa，為進口總壓絕對值的0.74%，而B型和C型間隙變化更小。所以認為，整體上葉頂間隙對渦輪流通能力的影響不明顯。

圖4 渦輪葉頂間隙對渦輪膨脹比的影響

表3 間隙從0.3 mm變化為1.0 mm時渦輪性能的變化

渦輪效率是評估渦輪性能的一個重要參數，表示渦輪對發(fā)動機排出廢氣能量的利用程度。渦輪葉頂間隙對渦輪級效率的影響見圖5。隨著葉頂間隙的增大，每種類型間隙的渦輪效率都在減??；而且間隙數值越大，效率曲線總體下降速度越大。其中，C型間隙的渦輪效率曲線下降幅度最大，B型間隙次之，而A型間隙的渦輪效率曲線下降幅度最小。在間隙小于0.5 mm時，C型間隙的渦輪效率最高，B型間隙次之， A型的渦輪效率最低；在間隙大于0.5 mm時，則是C型間隙的渦輪效率最低， A型間隙的渦輪效率最高，而且此時C型間隙的渦輪效率明顯低于A型和B型間隙的渦輪效率。從表3得知，當渦輪葉頂間隙從0.3 mm變化到1.0 mm時，C型間隙的渦輪效率變化幅度達到7.6%，此過程中，C型間隙渦輪效率下降幅度大于A型和B型間隙的渦輪效率下降幅度之和。

圖5 渦輪葉頂間隙對渦輪效率的影響

渦輪輸出功率決定壓氣機壓縮空氣的能力，葉頂間隙對渦輪輸出功率的影響見圖6。由圖6可以看出，對于3種類型的渦輪葉頂間隙來說，隨著間隙尺寸的增大，渦輪輸出功率幾乎都呈線性減小。其中，C型間隙的渦輪輸出功率曲線的斜率更大，A型和B型間隙的渦輪輸出功率曲線變化較緩，B型間隙的渦輪輸出功率曲線的傾斜程度比A型間隙的略微大。在間隙小于0.5 mm時，C型間隙的渦輪輸出功率最高，B型間隙次之， A型間隙的渦輪輸出功率最低；在間隙大于0.5 mm時，則是C型間隙的渦輪輸出功率最低，A型間隙最高，此時C型間隙的渦輪效率明顯低于A型和B型間隙的渦輪效率。表3顯示，當渦輪葉頂間隙從0.3 mm變化到1.0 mm時，C型間隙的渦輪輸出功率降低0.667 kW，變化幅度達到10.2%，基本是A型和B型間隙渦輪輸出功率降幅之和；可以認為，相對于參考的間隙點而言， C型間隙對渦輪輸出功率的影響是A型和B型間隙影響的疊加。

圖6 葉頂間隙對渦輪輸出功率的影響

圖7示出3種間隙下渦輪出口溫度分布。由圖7可知，3種類型間隙下渦輪出口溫度曲線隨間隙尺寸的增大而基本呈線性上升，C型間隙對渦輪出口溫度影響最大，其次是B型間隙，A型間隙對渦輪出口溫度影響最小。C型間隙對渦輪出口溫度的影響也基本是是A型和B型間隙影響的疊加。

圖7 葉頂間隙對渦輪出口溫度的影響

4 流場分析

為了揭示渦輪葉頂間隙對渦輪性能影響的機理，選取典型間隙點的葉片通道的流場進行分析。選取葉輪流道子午面總壓分布和85%葉輪流道高度處的馬赫數分布進行分析，結果見圖8和圖9。每一種間隙類型選取0.3 mm，0.5 mm(或0.6 mm)和1.0 mm 3個間隙尺寸；流場中采用“間隙類型字母-進口間隙尺寸-尾緣間隙尺寸”的方法標識。

圖8示出渦輪葉片流道子午面的總壓分布，由圖可見，總壓沿著葉片流向不斷降低。在葉片所在位置、沿流向同一位置處，葉片頂部附近的總壓高于通道中間的總壓；在較大間隙尺寸時，葉片頂部附近總壓與通道中間總壓分布的這種差別尤為明顯。同一間隙尺寸下，C型間隙的葉頂附近總壓數值最高，高壓值范圍也最大，B型間隙次之，A型間隙葉頂附近總壓數值最低，高壓值范圍最小。說明C型間隙對渦輪葉片流道內部總壓分布的影響最大，而A型間隙的影響最小。

圖8 葉頂間隙對葉輪流道子午面總壓分布的影響

圖9示出渦輪葉頂間隙對85%葉輪流道高度處馬赫數分布的影響，圖中的馬赫數為絕對馬赫數。從圖9得知，對于3種類型間隙，隨著間隙尺寸的增大，葉片后半部分的流道中逐漸產生高馬赫數區(qū)域，而且數值和范圍都隨間隙的增大而增大，高馬赫數影響范圍直至葉片尾緣下游的葉輪出口。葉片尾緣處的絕對馬赫數值越高，說明渦輪余速損失越大，渦輪效率就越低，渦輪出口溫度也越高。間隙小于0.5 mm時，C型間隙的渦輪出口馬赫數最低(圖9中C-0.3-0.3)，間隙大于0.5 mm時，C型間隙的渦輪出口馬赫數最大，B型次之，A型最小。這和前文圖4至圖7所表達的趨勢是一致的，也就是說，C型間隙對渦輪內部流動的影響最大，B型間隙次之，A型間隙對渦輪內部流動的影響最小。

5 結論

a) 葉片進口間隙與尾緣間隙同步變化時對渦輪性能的影響最大，單獨葉片尾緣間隙變化的影響次之，單獨葉片進口間隙變化的影響最小；葉片進口間隙與尾緣間隙同步變化時渦輪輸出功率最大降低10.2%，效率最大降低7.6%；設計中要重視葉片尾緣間隙的控制；

b) 渦輪葉頂間隙對渦輪流通能力的影響不明顯；

c) 葉片進口間隙與尾緣間隙同步變化對渦輪輸出功率與渦輪出口溫度的影響基本是單獨葉片進口間隙變化和單獨尾緣間隙變化影響的疊加；

d) 隨著間隙尺寸的增大，葉片通道后半部分的葉頂附近總壓出現高數值區(qū)域，渦輪出口出現高馬赫數分布區(qū)，從而降低渦輪效率。