李延昭 李 聰 白書戰(zhàn) 張健健 張金明

(1.康躍科技股份有限公司,山東 濰坊 262718；2.機(jī)械工業(yè)內(nèi)燃機(jī)增壓系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濰坊 262718；3.山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061)

0 前言

單級(jí)渦輪增壓技術(shù)的普遍應(yīng)用,可使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等方面滿足人們的要求,成為發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)發(fā)展的主要研究方向之一。近年來(lái),隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格,對(duì)燃油的經(jīng)濟(jì)性、排放性要求也越來(lái)越高,同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的全工況性能提出了更高的要求。但是對(duì)于傳統(tǒng)的渦輪增壓器來(lái)說(shuō)無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的全工況的高效運(yùn)行,存在響應(yīng)速度慢等一系列問(wèn)題。而兩級(jí)增壓系統(tǒng)通過(guò)串聯(lián)布置2 個(gè)渦輪增壓器,小渦輪增壓器安裝為高壓級(jí),大渦輪增壓器安裝為低壓級(jí),其流量調(diào)節(jié)范圍大、低速響應(yīng)性能優(yōu)異,是滿足未來(lái)日益嚴(yán)格的排放法規(guī)和性能要求最具潛力的增壓技術(shù)之一,目前已成為發(fā)動(dòng)機(jī)增壓領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。

國(guó)外對(duì)兩級(jí)增壓技術(shù)的研究在上世紀(jì)即已經(jīng)開始了。早在二十世紀(jì)七十年代,日本三菱重工在6UET45/80D 型柴油機(jī)上進(jìn)行兩級(jí)渦輪增壓試驗(yàn),開發(fā)了兩級(jí)增壓UE-E 型發(fā)動(dòng)機(jī)[1]。英國(guó)的Paxman公司也進(jìn)行了兩級(jí)增壓系統(tǒng)的研究,在其12VP185系列柴油機(jī)上配置了4臺(tái)低壓級(jí)渦輪增壓器和2臺(tái)高壓級(jí)渦輪增壓器,這一設(shè)計(jì)明顯改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能[2]。

國(guó)內(nèi)對(duì)兩級(jí)增壓技術(shù)的研究則相對(duì)較少,北京理工大學(xué)對(duì)兩級(jí)增壓展開了一系列基礎(chǔ)性的研究工作,建立了1套系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)架以研究?jī)杉?jí)增壓系統(tǒng)高低兩級(jí)壓氣機(jī)與系統(tǒng)的整體性能。

國(guó)外研究人員通過(guò)試驗(yàn)和仿真,研究了在離心壓機(jī)進(jìn)口接不同類型直管、彎管時(shí)對(duì)其性能的影響。對(duì)于兩級(jí)增壓系統(tǒng),由于安裝空間等原因多采用彎管進(jìn)氣的布置形式,本文針對(duì)某款正在研發(fā)的兩級(jí)增壓系統(tǒng)的高壓級(jí)壓氣機(jī),通過(guò)對(duì)普通彎管進(jìn)行改型設(shè)計(jì)了帶導(dǎo)流板彎管的進(jìn)氣形式,來(lái)研究帶導(dǎo)流板彎管進(jìn)氣對(duì)高壓級(jí)壓氣機(jī)效率的影響。

1 研究對(duì)象與數(shù)值模型

1.1 幾何模型

本文的研究對(duì)象為正在研發(fā)的某款兩級(jí)增壓系統(tǒng)的高壓級(jí)壓氣機(jī)。兩級(jí)增壓系統(tǒng)高低壓級(jí)的壓氣機(jī)的大小不同,大的為低壓級(jí)壓氣機(jī),小的為高壓級(jí)壓氣機(jī),由于高壓級(jí)壓氣機(jī)出口連接發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路,其進(jìn)氣管路的布置對(duì)高壓級(jí)壓氣機(jī)效率的影響會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣情況。通過(guò)三維軟件Creo建立高壓級(jí)壓氣機(jī)相關(guān)模型,設(shè)計(jì)出相應(yīng)的彎管形式,如圖1～3所示。圖1為普通90°帶導(dǎo)流板的彎管模型,以下簡(jiǎn)稱WD90彎管模型；圖2為彎管模型中彎管入口到壓氣機(jī)入口豎直距離/水平距離為1.25,以下簡(jiǎn)稱WD1.25彎管模型；圖3模型中豎直距離/水平距離為0.75,以下簡(jiǎn)稱WD0.75彎管模型。之后運(yùn)用Creo軟件進(jìn)行型線和蝸殼流道的提取。再通過(guò)NUMECA 軟件進(jìn)行幾何的前期處理。高壓級(jí)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和設(shè)計(jì)流量為90 000 r/min和0.2 kg/s,主葉片和分流葉片數(shù)均為7,葉頂間隙為0.4。

圖2 WD1.25彎管模型

圖3 WD0.75彎管模型

1.2 網(wǎng)格劃分

本文的研究對(duì)象為帶導(dǎo)流板進(jìn)氣彎管,采用網(wǎng)格式劃分時(shí)蝸殼、擴(kuò)壓器和彎管模型,運(yùn)用IGG 模塊手動(dòng)分塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分,蝸殼流道和彎管進(jìn)氣道用蝶形網(wǎng)格處理增加網(wǎng)格正交性,大大提高網(wǎng)格質(zhì)量。擴(kuò)壓器部分采用普通網(wǎng)格劃分方式。對(duì)葉輪網(wǎng)格的劃分采用IGG/AutoGrid模塊自動(dòng)生成,并復(fù)制出全周流道網(wǎng)格,這是為了避免壓殼周向的不均勻性對(duì)計(jì)算結(jié)果帶來(lái)的影響。生成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)即可獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量。本文進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,中等精度的網(wǎng)格數(shù)即可滿足計(jì)算要求,3種類型的網(wǎng)格數(shù)均在790～800之間。處理好的網(wǎng)格通過(guò)IGG 模塊裝配,蝸殼喉口部分連接面由于特殊性設(shè)置為完全非匹配連接,彎管出口和壓氣機(jī)入口、葉輪出口和擴(kuò)壓器進(jìn)口均設(shè)為轉(zhuǎn)靜子交界面(ROT),各網(wǎng)格塊交界面自動(dòng)識(shí)別為CON連接。裝配設(shè)置好的高低壓級(jí)壓氣機(jī)網(wǎng)格正交性、延展比、長(zhǎng)寬比均滿足計(jì)算要求。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 WD90、WD0.75、WD1.25彎管網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

1.3 參數(shù)設(shè)置

采用NUMECA 軟件的Fine/Turbo模塊進(jìn)行計(jì)算設(shè)置,求解三維雷諾平均Navier-Stokes(N-S)方程,其中流體介質(zhì)選擇AIR(Perfect),以避免非氣體介質(zhì)帶來(lái)的影響,湍流模型選用Spalart-Allmaras(S-A)模型,時(shí)間項(xiàng)采用四階Runge-Kutta方法迭代求解,采用多重網(wǎng)格技術(shù)加速收斂。本文計(jì)算的是兩級(jí)增壓系統(tǒng)的高壓級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)氣管道對(duì)壓氣機(jī)效率的影響,所以對(duì)于彎管進(jìn)口和壓氣機(jī)入口、葉輪出口和擴(kuò)壓器入口的轉(zhuǎn)靜子交界面部分采用轉(zhuǎn)子凍結(jié)法處理。壓氣機(jī)進(jìn)口參數(shù)給定進(jìn)氣總壓、進(jìn)氣總溫,以及軸向進(jìn)氣；出口邊界設(shè)置為流量和計(jì)算初始?jí)毫?轉(zhuǎn)子給定相應(yīng)的轉(zhuǎn)速,固壁采用絕熱、無(wú)滑移,同時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置了1個(gè)合理的初場(chǎng)以加快收斂速度。將1個(gè)收斂的計(jì)算工況作為不同工況計(jì)算時(shí)的初場(chǎng),可以加快收斂速度。

2 模型驗(yàn)證

在進(jìn)行彎管的數(shù)值模擬計(jì)算之前,需要對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證,來(lái)分析數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)參數(shù)設(shè)置的可靠性,通過(guò)離心式壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)高壓級(jí)壓氣機(jī)直管進(jìn)氣進(jìn)行試驗(yàn),工況設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)速90 000 r/min。試驗(yàn)過(guò)程中主要進(jìn)行壓氣機(jī)的流量、轉(zhuǎn)速、進(jìn)出口壓力、溫度等性能參數(shù)的測(cè)量,并采用雙紐線流量計(jì)測(cè)量流量。壓氣機(jī)性能試驗(yàn)是在一定的環(huán)境條件下進(jìn)行的,通過(guò)測(cè)量出的壓力、溫度、流量等參數(shù)來(lái)計(jì)算壓氣機(jī)的壓比和效率。在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量管要緊密結(jié)合壓氣機(jī)進(jìn)出口,直管直徑要與進(jìn)出口保持一致,管長(zhǎng)不小于5 倍管徑。

通過(guò)NUMECA 軟件將高壓級(jí)壓氣機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究。壓氣機(jī)壓比和進(jìn)氣效率的數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)值能實(shí)現(xiàn)較好的吻合,兩者之間的偏差均處于3%以內(nèi),因此可以判定計(jì)算模型具有較高的精度,可以進(jìn)行彎管的數(shù)值模擬計(jì)算,如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)速90 000 r/min試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)果與分析

3.1 設(shè)定轉(zhuǎn)速下計(jì)算分析

在設(shè)定轉(zhuǎn)速90 000 r/min時(shí),帶導(dǎo)流板90°彎管WD90與普通90°彎管W90進(jìn)氣效率、壓比對(duì)比分析如圖6、圖7所示。

圖6 WD90、W90流量-進(jìn)氣效率曲線圖

圖7 WD90、W90流量-壓比曲線圖

通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí),相較于普通90°彎管進(jìn)氣,帶導(dǎo)流板彎管進(jìn)氣形式可以使壓氣機(jī)性能發(fā)生不同程度的提升。在小流量工況時(shí),帶導(dǎo)流板彎管進(jìn)氣形式與普通90°彎管進(jìn)氣壓氣機(jī)性能較為接近,隨著流量的增大,普通90°彎管進(jìn)氣壓氣機(jī)性能惡化較為嚴(yán)重。彎管進(jìn)氣在設(shè)計(jì)流量0.2 kg/s時(shí)壓氣機(jī)效率達(dá)到了最大值,WD90彎管進(jìn)氣與普通90°彎管進(jìn)氣相比在設(shè)計(jì)流量時(shí)效率提升了約1%,在大流量工況時(shí)效率提升更多能達(dá)到2%,而壓比的整體變化不大,但WD90彎管進(jìn)氣的壓比整體要優(yōu)于普通的90°彎管進(jìn)氣,在大流量工況時(shí)壓比提高了大約1%。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在彎管進(jìn)氣時(shí)加入導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)能夠減弱氣體在彎管內(nèi)的進(jìn)氣畸變現(xiàn)象,普通的彎管進(jìn)氣過(guò)程中會(huì)在彎管內(nèi)部產(chǎn)生旋渦流動(dòng),造成較大的進(jìn)氣損失,彎管加入導(dǎo)流板之后能減小這種進(jìn)氣損失,從而使效率相較于普通的彎管進(jìn)氣有所提升,壓比也有所優(yōu)化。

同時(shí),對(duì)不同形狀的帶導(dǎo)流板彎管進(jìn)氣進(jìn)行了分析。在設(shè)定轉(zhuǎn)速下,WD90與WD1.25、WD0.75彎管進(jìn)氣效率、壓比分析結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 流量-效率曲線圖

本文設(shè)計(jì)了3種類型的帶導(dǎo)流板彎管,通過(guò)圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn),3種類型的彎管進(jìn)氣時(shí)壓氣機(jī)的效率和壓比變化情況整體不大。在小流量工況時(shí),WD90、WD1.25 和WD0.75 彎管進(jìn)氣效率變化不明顯,但WD1.25 和WD0.75 彎管進(jìn)氣時(shí)壓氣機(jī)效率要優(yōu)于WD90彎管進(jìn)氣。在0.28 kg/s 的大流量工況時(shí),WD90彎管進(jìn)氣形式相較于另外2種下降了約1%。

3.2 不同轉(zhuǎn)速時(shí)壓氣機(jī)進(jìn)氣效率分析

圖9 流量-壓比曲線圖

本文另選取了轉(zhuǎn)速在50 000 r/min 和130 000 r/min 2種工況下,計(jì)算分析低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速下3種彎管進(jìn)氣與直管進(jìn)氣壓氣機(jī)的效率情況,如圖10、圖11所示。

圖10 轉(zhuǎn)速50 000 r/min時(shí)流量-壓比、進(jìn)氣效率曲線

圖11 轉(zhuǎn)速130 000 r/min時(shí)流量-壓比、進(jìn)氣效率曲線

通過(guò)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在低轉(zhuǎn)速50 000 r/min工況的時(shí)候,壓氣機(jī)的流量范圍往小流量方向有較大的偏移,不同彎管進(jìn)氣時(shí)壓氣機(jī)性能基本一致,在整個(gè)流量范圍內(nèi)壓氣機(jī)的進(jìn)氣效率和壓比沒(méi)有發(fā)生太大變化。90°彎管與WD90、WD1.25、WD0.75彎管進(jìn)氣基本一致,原因是因?yàn)樵诘退俚土髁窟M(jìn)氣過(guò)程中進(jìn)氣不均勻流動(dòng)在壓氣機(jī)入口已經(jīng)大大減弱,帶導(dǎo)流板彎管進(jìn)氣時(shí)對(duì)氣流的影響并不是特別明顯,所以造成了幾種彎管進(jìn)氣形式對(duì)壓氣機(jī)的應(yīng)能影響并不大。在高轉(zhuǎn)速130 000 r/min工況的時(shí)候,壓氣機(jī)流量往大流量方向偏移。隨著流量的增加帶導(dǎo)流板彎管進(jìn)氣壓氣機(jī)效率與普通90°彎管進(jìn)氣效率差別逐漸增大,最高可達(dá)3%,而對(duì)于WD90、WD1.25、WD0.753種形式的彎管進(jìn)氣壓氣機(jī)效率差別并不明顯,壓比最高相差了約1%。通過(guò)圖11壓氣機(jī)的壓比曲線圖可以看出,由于高壓級(jí)壓氣機(jī)的特殊性,在對(duì)高速大流量工況計(jì)算時(shí),壓氣機(jī)進(jìn)氣流動(dòng)不穩(wěn)定,造成了壓比曲線波動(dòng)較大。

綜上可知,不同形式導(dǎo)流板彎管進(jìn)氣對(duì)壓氣機(jī)壓比、效率均產(chǎn)生了不同程度的影響。低速小流量工況時(shí)影響較小,高速大流量工況時(shí)這種影響有所增大。同時(shí),通過(guò)對(duì)普通彎管形式進(jìn)行改型設(shè)計(jì),壓氣機(jī)性能有所提升。

3.3 流場(chǎng)分析

圖12～15給出了在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、流量下,90°彎管進(jìn)氣時(shí)葉輪槽道與3 種帶導(dǎo)流板彎管進(jìn)氣葉輪槽道在50%葉高處的熵分布圖。通過(guò)試驗(yàn)可知,在90 000 r/min、0.2 kg/s流量時(shí),90°彎管模型在主葉片的吸力面形成了高熵區(qū),同時(shí)可以看出,在不同的葉輪槽道內(nèi)熵值分布也各有不同,而普通90°彎管進(jìn)氣時(shí)葉輪槽道高熵區(qū)域要明顯多于帶導(dǎo)流板彎管的進(jìn)氣區(qū)域。這說(shuō)明在通過(guò)改型加入導(dǎo)流板后彎管進(jìn)氣過(guò)程中氣流的不均勻流動(dòng)明顯減弱,使壓氣機(jī)效率有所提升。對(duì)于WD1.25和WD0.75彎管模型來(lái)說(shuō),其葉輪槽道高熵區(qū)分布要比90°彎管模型更加均勻,WD1.25彎管進(jìn)氣的熵分布也要優(yōu)于WD90彎管進(jìn)氣的熵分布。不同葉輪槽道熵值分布的差異,造成了不同的氣流摻混損失,使不同形式的彎管進(jìn)氣壓氣機(jī)效率產(chǎn)生了差別。

圖12 90°彎管進(jìn)氣50%葉高處?kù)胤植紙D

圖13 WD90彎管進(jìn)氣50%葉高處?kù)胤植紙D

圖14 WD0.75彎管進(jìn)氣50%葉高處?kù)胤植紙D

圖15 WD1.25彎管進(jìn)氣50%葉高處?kù)胤植紙D

同時(shí),本文選取了彎管進(jìn)氣45°位置截面,分析了管內(nèi)靜壓的變化情況。圖16為普通90°彎管結(jié)構(gòu)進(jìn)氣時(shí)彎管內(nèi)靜壓變化情況,圖17為帶導(dǎo)流板90°彎管結(jié)構(gòu)進(jìn)氣時(shí)彎管內(nèi)的靜壓變化情況。由此可見兩者彎管外側(cè)的壓力均高于內(nèi)側(cè),加入導(dǎo)流板之后的彎管高靜壓區(qū)和低靜壓區(qū)都顯明低于普通90°彎管。由于高壓區(qū)流體有可能會(huì)沿管壁向低壓區(qū)運(yùn)動(dòng),容易形成漩渦流動(dòng),造成進(jìn)氣流動(dòng)損失,而加入導(dǎo)流板之后的彎管會(huì)明顯改善這一現(xiàn)象,從而能提升壓氣機(jī)的進(jìn)氣效率。

圖16 90°彎管靜壓云圖

圖17 WD90彎管靜壓云圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)仿真計(jì)算對(duì)某款兩級(jí)增壓系統(tǒng)中的高壓級(jí)離心壓氣機(jī)的進(jìn)口情況進(jìn)行了研究,研究了帶導(dǎo)流板彎管進(jìn)氣對(duì)于壓氣機(jī)效率的影響,結(jié)果說(shuō)明如下。

(1)相較于普通的90°彎管進(jìn)氣,加入導(dǎo)流板之后的彎管進(jìn)氣壓氣機(jī)效率所提升,對(duì)于不同形狀的導(dǎo)流板彎管進(jìn)氣也會(huì)對(duì)壓氣機(jī)效率產(chǎn)生不同的影響。

(2)在低轉(zhuǎn)速工況時(shí),彎管進(jìn)氣性能差別不算太大,小流量工況下彎管進(jìn)氣對(duì)壓氣機(jī)效率的影響差距不明顯,隨著流量的增加帶導(dǎo)流板彎管進(jìn)氣效率與普通彎管進(jìn)氣的效率差距有所增大,這主要是由于低速小流量工況時(shí)帶導(dǎo)流板彎管進(jìn)氣并沒(méi)有明顯改善進(jìn)氣流動(dòng)所造成的。

(3)高轉(zhuǎn)速時(shí),彎管進(jìn)氣壓比的不穩(wěn)定性增大,尤其在高轉(zhuǎn)速大流量工況時(shí),加入導(dǎo)流板之后彎管進(jìn)氣的效率有明顯提升。3種導(dǎo)流板彎管進(jìn)氣對(duì)效率的影響程度有所不同,可以為以后實(shí)際的彎管布置形式提供理論基礎(chǔ)。

(4)彎管進(jìn)氣的不均勻流動(dòng)會(huì)阻礙葉輪槽道的進(jìn)氣流動(dòng),造成葉輪槽道的流動(dòng)損失,而加入導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)之后的彎管會(huì)明顯改善這種現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化管內(nèi)靜壓分布,減少氣流損失,從而使壓氣機(jī)進(jìn)氣效率提高。