李慶斌，胡遼平，何光清，劉麟，肖清

(湖南天雁機械有限責(zé)任公司，湖南 衡陽 421005)

渦輪增壓器已成為增壓發(fā)動機的關(guān)鍵部件，隨著發(fā)動機小型化以及更加嚴(yán)格的排放及燃油經(jīng)濟性的需求，用戶對發(fā)動機匹配渦輪增壓器后的動力性能、經(jīng)濟性能、環(huán)保性能等參數(shù)指標(biāo)要求越來越高。相比于國五發(fā)動機，主機廠對國六排放發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速下的扭矩要求進一步提高，考慮到發(fā)動機低轉(zhuǎn)速下渦輪機效率及軸承功損失增加，為了更好地實現(xiàn)壓氣機與渦輪機功率平衡，壓氣機效率就變得更為重要[1]。此外，發(fā)動機外特性低轉(zhuǎn)速扭矩增加后，發(fā)動機外特性更靠近壓氣機失速區(qū)，隨著海拔增加，容易導(dǎo)致外特性位于壓氣機特性范圍之外。不僅如此，為了滿足排放，車用柴油機EGR率增加，發(fā)動機外特性繼續(xù)向小流量方向偏移，進一步降低了壓氣機喘振裕度，對離心壓氣機的設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。

近來，壓氣機性能優(yōu)化引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。葉濤等[2]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法對葉輪進行氣動優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后葉輪的效率比原模型提高了2.01%，綜合穩(wěn)定裕度也得到提高。清華大學(xué)汪陳芳[3]、陳濤[4]分別提出了基于流場偏差分析優(yōu)化和多工況通流設(shè)計方法，還有學(xué)者采用數(shù)值分析方法對離心壓氣機進行了性能優(yōu)化研究[5-8]。楊策[9]從離心壓氣機初步設(shè)計角度提出了一種對工程實際設(shè)計具有指導(dǎo)意義的優(yōu)化計算方法。李慶斌[10]提出了一種半斜流式壓氣機葉輪設(shè)計，該葉輪設(shè)計兼顧徑流葉輪和斜流葉輪設(shè)計特點，使得小流量下輪轂和輪緣兩側(cè)的流場均得到較大改善，壓氣機穩(wěn)定性得到改進。C.Xu[11-12]提出了一種壓氣機氣動及可靠性優(yōu)化設(shè)計流程，T.Ghisu[13]則使用多學(xué)科優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計了一款小型徑流壓氣機葉輪。C.Xu[14]針對一款離心壓氣機，通過研究葉輪子午形狀及尾緣載荷分布使壓氣機效率得到提升。上述研究均取得了較好的優(yōu)化效果，但都沒有在發(fā)動機上應(yīng)用。本研究針對一款國六排放帶EGR發(fā)動機，在原增壓器方案低速性能和排放不足、高速基本滿足主機客戶要求的前提下，采用流體仿真與試驗相結(jié)合的辦法，主要從壓氣機性能優(yōu)化出發(fā)來進行發(fā)動機性能提升。

1 葉輪優(yōu)化設(shè)計

本研究旨在對發(fā)動機低速性能進行提升，但考慮到國六發(fā)動機低速需要足夠的EGR率，要求增壓器渦前壓力大于壓后壓力，方法是選取較小A/R流道渦輪箱。一方面，充分利用小流道渦輪箱低速大膨脹比做功能力強的優(yōu)勢，使渦前壓力升高，利于EGR率的提升，保證低速性能和排放；另一方面，小流道渦輪箱引起的高速性能下降，則通過新優(yōu)化壓氣機優(yōu)越的中、高速性能來彌補。因此，本研究實則是提升壓氣機的中、高速性能。

離心壓氣機由葉輪、擴壓器以及蝸殼三個主要元件構(gòu)成，設(shè)計葉輪的空氣動力學(xué)效率及壓氣機級穩(wěn)態(tài)工作流量范圍非常關(guān)鍵，而葉輪的氣動性能也會影響到擴壓器及蝸殼的性能。在文獻[14,15]所述研究成果上，以一款現(xiàn)有徑流葉輪產(chǎn)品為基礎(chǔ)，在不改變原葉輪載荷分布基礎(chǔ)上，僅改變出口結(jié)構(gòu)，新設(shè)計了一款采用弧形出口的葉輪Design1(見圖1)。該壓氣機穩(wěn)態(tài)工作范圍得到較大改進，整體性能較好滿足了國五排放發(fā)動機需求，但隨著排放升級，該壓氣機在效率方面不能滿足國六發(fā)動機性能需求。

圖1 Design1及Design2子午型線對比

通過對該壓氣機葉輪Design1從葉輪進口前緣傾斜角、輪緣shroud及輪轂hub型線、葉片角分布三方面進行氣動迭代設(shè)計，新設(shè)計出Design2方案，來實現(xiàn)壓氣機穩(wěn)定性及性能的整體提升。Design2葉輪三維模型見圖2。

圖2 Design2葉輪三維模型

葉片角分布對比如圖3所示，Design2后彎角平均值要較Design1略小一些，hub線在20%子午長度即達到峰值，考慮到小型壓氣機葉頂間隙占據(jù)葉高比重較大，葉頂間隙損失比較嚴(yán)重，不宜在葉頂施加過多載荷；外加hub壁面存在較大的摩擦損失，設(shè)計時盡可能將大部分載荷集中到葉片20%～80%span區(qū)域，充分利用葉輪中部高效流動區(qū)域，以提高葉輪效率值。

圖3 葉輪葉片角分布對比

2 仿真分析

采用FINE/Turbo軟件包，求解三維雷諾平均N-S方程組來分析增壓器壓氣機性能，取單個通道進行模擬，通道邊界設(shè)置為周期性邊界條件。葉輪拓?fù)涞谝粚泳W(wǎng)格高度為0.001 mm，y+值控制在1～7之間。對葉輪網(wǎng)格開展了網(wǎng)格獨立性分析，當(dāng)葉輪網(wǎng)格數(shù)目為1 913 224時，壓氣機壓比及效率已經(jīng)基本不再隨著網(wǎng)格數(shù)增加而發(fā)生變化，綜合考慮計算精度及計算速度，建立葉輪三維網(wǎng)格模型，如圖4所示。

圖4 葉輪三維網(wǎng)格模型

考慮到對比分析的有效性，對兩種不同結(jié)構(gòu)葉輪網(wǎng)格拓?fù)涔?jié)點數(shù)保持一致，網(wǎng)格總數(shù)保持一致。對壓氣機進口施加標(biāo)況下絕對總壓、絕對總溫以及速度向量方向等邊界條件，壓氣機出口施加質(zhì)量流量邊界條件。葉輪固體壁面取不滲透、無滑移、絕熱的邊界條件，使通過固體壁面的質(zhì)量通量、動量通量及能量通量為零。判斷計算是否收斂，通常以下述幾個標(biāo)準(zhǔn)作為參考：全局殘差下降三個量級以上；收斂準(zhǔn)則最重要的一個參數(shù)是進出口質(zhì)量流量，其相對誤差應(yīng)小于0.02%，且流量不再發(fā)生變化；對于定常計算，總體性能參數(shù)(效率、壓比、扭矩等)都應(yīng)當(dāng)恒定，而不再隨迭代步數(shù)增加而變化。

對Design1及Design2在8.83萬，14.4萬，18.8萬 r/min轉(zhuǎn)速各工況下的性能進行了模擬計算。圖5示出壓比值分布，可以看出，由于后彎角略小的緣故，各轉(zhuǎn)速下Design2的壓比要略高一些。效率值分布如圖6所示，各轉(zhuǎn)速下Design2效率較Design1高3個百分點，而在小流量下的優(yōu)勢隨著轉(zhuǎn)速升高逐漸減弱，在高速下甚至出現(xiàn)小流量下效率略低的情況，由于發(fā)動機基本不工作或極少工作在高速小流量區(qū)域，因此，效率略低一些對發(fā)動機性能影響很小。

圖5 葉輪壓比模擬值對比

圖6 葉輪效率模擬值對比

3 流場分析

3.1 S2流面靜壓分析

選取14.4萬 r/min轉(zhuǎn)速，質(zhì)量流量為0.11 kg/s峰值效率工況點進行流場分析。從圖7可以看出，Design2從進口到出口靜壓的變化分隔線更傾向于shroud及hub線的法線方向，表明沿流道展向方向，壓力分布更為均勻，在展向方向的二次流損失相應(yīng)地減少了，利于葉輪的性能提升。

圖7 S2流面靜壓分布

3.2 峰值效率點S1流面相對馬赫數(shù)分布

從圖8可以看出，Design1在整個通道存在較大范圍的低能流體團，相比于Design1，Design2在主葉片壓力面與分流葉片吸力面所包圍區(qū)域，低能流體團面積要略大，流體損失有所增加，對葉輪性能有一定影響。

圖8 S1流面90%span相對馬赫數(shù)分布

3.3 峰值效率點S1及S2流面熵值分布

從圖9a可以看出，在靠近葉根區(qū)域，一般葉根載荷分配較少，流體分流損失較低，Design1在流體從葉輪出口進入擴壓器之后，可能由于流體摻混損失的影響，造成出口處Design1比Design2損失略大；由圖9b可以看出，Design1在葉輪進口吸力面存在些許攻角損失，同時在靠近葉輪分流葉片吸力面存在些許損失，但總體與Design1差別不大，而在葉輪出口，可能由于流體摻混損失的影響，出口處Design1比Design2損失略大；從圖9c可以看出，在靠近葉頂區(qū)域，在葉輪進口及出口兩個區(qū)域存在較大的損失，與圖10中Design1葉輪進口及出口兩個區(qū)域存在較大的熵增相對應(yīng)，其原因可以從圖11得知。從圖11可以看出，Design1在葉頂?shù)妮d荷總體要大于Design2方案，尤其是虛線框內(nèi)，Design1載荷施加明顯高于Design2，在葉頂區(qū)域施加過多載荷，加大了葉片壓力面與吸力面的壓差，使泄漏損失增加。

圖9 S1流面熵值分布

圖10 S2流面熵值分布

圖11 90%span載荷對比

4 試驗研究

4.1 壓氣機特性試驗

對壓氣機開展特性試驗，試驗臺架測量精度具體如下：1)流量±1%；2)壓力±0.5%；3)溫度±0.5%；4)轉(zhuǎn)速±0.5%。從圖12可以看出，新設(shè)計Design2峰值效率得到有效提高，76%峰值效率圈幾乎覆蓋Design1方案73%峰值效率圈，各轉(zhuǎn)速大流量下效率增加優(yōu)勢更為明顯，小流量下效率幾乎與Design1方案持平，驗證了設(shè)計方案的可行性。

圖12 壓氣機試驗特性對比

4.2 發(fā)動機臺架試驗

壓氣機的中、高速效率提升有助于發(fā)動機高速性能改善，由于本研究側(cè)重于改善發(fā)動機低速性能和EGR率，在進行發(fā)動機試驗時，選取了一款較小A/R流道的渦輪箱，該渦輪箱流道在原A/R基礎(chǔ)上，保持渦輪箱R基本不變的前提下，減小A值，A/R減小了約8%。

發(fā)動機臺架試驗是在關(guān)閉EGR閥狀態(tài)下進行的，EGR率間接地通過增壓器渦前壓力與壓后壓力的差值(Δp)來表示。試驗結(jié)果如圖13～圖15所示，發(fā)動機性能與目標(biāo)值相比，低速扭矩最高提升了1.3%，低速燃油消耗率降低了1.7%，高速性能基本持平或更優(yōu)，發(fā)動機在1 200～1 600 r/min轉(zhuǎn)速下壓差均略優(yōu)于目標(biāo)壓差值，發(fā)動機性能和EGR水平整體滿足了主機廠客戶的要求。

圖13 發(fā)動機試驗扭矩對比

圖14 發(fā)動機試驗燃油消耗率對比

圖15 增壓器各轉(zhuǎn)速下渦前與壓后壓力差值

5 結(jié)論

a)對現(xiàn)有壓氣機葉輪從葉輪平均子午型線和葉片載荷分布兩個方面進行了優(yōu)化，結(jié)果顯示優(yōu)化后壓氣機模擬峰值效率提升了3個百分點；

b)通過對壓氣機流場分析發(fā)現(xiàn)，新葉輪在葉頂間隙區(qū)域及葉輪出口摻混損失均減少，有利于壓氣機效率的提升；

c)對新壓氣機進行了壓氣機臺架特性測試，驗證了優(yōu)化設(shè)計方案的可行性；發(fā)動機臺架試驗結(jié)果表明：與客戶目標(biāo)要求值相比，低速扭矩最高提升了1.3%,低速油耗降低了1.7%，發(fā)動機在1 200～1 600 r/min轉(zhuǎn)速下壓差均略優(yōu)于目標(biāo)壓差值，發(fā)動機性能和EGR水平整體滿足了主機廠客戶的要求。