張海佳 張宸宇 蔣荔荔 侯堯琪

摘要：渦輪增壓器的壓殼和壓葉輪在批產(chǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生一致性差異，原因包括在鑄造開(kāi)模過(guò)程偏差，不同供應(yīng)商生產(chǎn)差異，及裝配過(guò)程產(chǎn)生偏差，這些均會(huì)導(dǎo)致壓輪及壓殼在一定程度上相對(duì)位置有所偏移。本文對(duì)渦輪增壓器偏心、偏轉(zhuǎn)問(wèn)題進(jìn)行了模型建立，評(píng)估不同方向的偏心、偏轉(zhuǎn)對(duì)增壓器壓端性能的影響。通過(guò)CFD仿真分析結(jié)果表明：偏心和偏轉(zhuǎn)情況均會(huì)使性能產(chǎn)生不同程度的下降，尤其是在低轉(zhuǎn)速時(shí)更加明顯。

Abstract： Due to the deviation in casting mold process ， different suppliers， and deviation in assembly process， there's some consistency issue in the manufacture of compressor scroll and impeller， this will result in the axis offset between the compressor scroll and the impeller. The model are created to simulate the offset and deflection， and the CFD analysis was done to evaluate and quantize the influence of offset and deflection in different directions. The CFD results shows that the offset and deflection will have a negative effect on performance，especially? at low speed region.

關(guān)鍵詞：渦輪增壓器;壓輪;壓殼;偏心

Key words： turbocharger;impeller;scroll;offset

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）24-0007-03

0? 引言

目前隨著國(guó)六的實(shí)施及排放法規(guī)的日益嚴(yán)峻，各大主機(jī)廠(chǎng)以及零部件廠(chǎng)商都在不斷完善自身產(chǎn)品推出各項(xiàng)新技術(shù)以滿(mǎn)足排放法規(guī)的要求，在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件中，渦輪增壓器作為發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)能減排降低油耗方面的關(guān)鍵零部件，利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣做功帶動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪帶動(dòng)與之同軸的壓葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使得壓葉輪可以壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，通過(guò)提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量增大進(jìn)氣壓力和密度可以使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒更多的燃料達(dá)到提高功率及扭矩輸出，目前已經(jīng)成為商用車(chē)以及乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的主流技術(shù)。

渦輪增壓器性能的核心部件為兩輪和三殼以及轉(zhuǎn)軸部件，其中壓殼和壓輪組成了壓端，其性能對(duì)增壓器的整體性能影響至關(guān)重要[1]。而在壓輪和壓殼的生產(chǎn)、加工、裝配過(guò)程中，由于鑄造開(kāi)模過(guò)程模具磨損等本身的偏差，不同供應(yīng)商生產(chǎn)加工能力的差異，及裝配過(guò)程產(chǎn)生偏差及會(huì)導(dǎo)致壓輪與壓殼不在相同軸心線(xiàn)上。由于增壓器流道和葉輪制造加工的復(fù)雜性，比較不同的偏心偏轉(zhuǎn)方式對(duì)性能的影響無(wú)論是從制造成本，時(shí)間成本，人力和實(shí)驗(yàn)測(cè)試成本方面來(lái)講都需要巨大的投入，因此在研究初期使用creo進(jìn)行基本概念的搭建，使用CFD進(jìn)行模型得到壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的細(xì)節(jié)分析和關(guān)鍵參數(shù)的定性定量研究。本文對(duì)渦輪增壓器壓端會(huì)產(chǎn)生的偏心問(wèn)題進(jìn)行了模型建立，通過(guò)CFD模擬分析評(píng)估對(duì)于不同方向的偏心、偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致增壓器壓端性能的差異。

1? 模型建立

選取某型號(hào)直徑為58mm壓輪的壓氣機(jī)為研究對(duì)象，壓氣機(jī)整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)中被壓縮的空氣所經(jīng)過(guò)的區(qū)域即流體域，提取其中的流體區(qū)域進(jìn)行模型的初步搭建。坐標(biāo)布置方向如圖1所示，旋轉(zhuǎn)中心軸定義為Z軸，沿著氣流入口方向定義為Z軸負(fù)方向，沿于壓殼出口的方向?yàn)閄軸正方向，與出口垂直并靠近關(guān)鍵截面積方向定義為Y軸的正方向?；痉较虻亩x如圖1所示。

壓葉輪旋轉(zhuǎn)的區(qū)域定義為旋轉(zhuǎn)域，壓殼及擴(kuò)壓器部分和進(jìn)口區(qū)域定義為靜子區(qū)域。在旋轉(zhuǎn)域和靜子域之間使用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法，由于實(shí)際過(guò)程中壓輪和壓殼發(fā)生的是相對(duì)位置的位移，因此從模型簡(jiǎn)化的角度考慮我們使轉(zhuǎn)子域保持固定位置不變，靜子域即壓殼和擴(kuò)壓器調(diào)整相應(yīng)的位置使轉(zhuǎn)子域和靜子域旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生相對(duì)位移，從而評(píng)估所產(chǎn)生的位移對(duì)性能產(chǎn)生的影響。

雖然傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究方式對(duì)于壓氣機(jī)的研究有著非常重要的意義和價(jià)值，由于實(shí)際過(guò)程中0.1至1mm的偏差距離及1°的偏轉(zhuǎn)角度均很小，加上公差允許范圍的鑄造誤差、實(shí)際裝配過(guò)程中的誤差，很難準(zhǔn)確的保證所研究的1mm差異，因此本研究采用Creo進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，精準(zhǔn)的控制偏移偏轉(zhuǎn)的位置，使用Ansys-CFX模擬分析定量的流量、效率、壓比等關(guān)鍵性能參數(shù)，后期加工能力如果能夠保證0.1mm的精度，可以再補(bǔ)充相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本研究中氣體的定義為理想氣體，材料屬性遵循理想氣體的熱物性。忽略壓氣機(jī)殼與周?chē)諝獾膫鳠徇^(guò)程，整個(gè)流體區(qū)域?yàn)榻^熱狀態(tài)，分析中湍流模型采用適用于高速可壓縮的SST的計(jì)算模型。傳熱模型使用Total Energy充分考慮邊界層的影響，在流體所有流經(jīng)的壁面設(shè)置邊界層，流體假定為粘性無(wú)滑移的理想氣體。[2-3]流體部分模型如圖2所示。使用網(wǎng)格劃分工具ICEM劃分不同區(qū)域的網(wǎng)格，其中旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格總量約300萬(wàn)，靜子域網(wǎng)格量約200萬(wàn)，參考其他學(xué)者的研究，此網(wǎng)格數(shù)量已完全可以滿(mǎn)足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。[4-5]為了保證計(jì)算的收斂性更好，在流體域的進(jìn)出口添加了延長(zhǎng)段。在計(jì)算過(guò)程中，為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，定義殘差值在小于1e-05之后認(rèn)為結(jié)果可信。

根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行工作條件，需要給定流體域進(jìn)出口邊界條件及對(duì)應(yīng)的增壓器轉(zhuǎn)速，本計(jì)算中，根據(jù)增壓器的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，選取了最常用的兩組運(yùn)行工況所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，計(jì)算模型變化前后的整條轉(zhuǎn)速線(xiàn)進(jìn)行比較。

算例的仿真邊界參數(shù)如表1。

1.1 旋轉(zhuǎn)軸偏心的研究

在本文的分析中，初始基準(zhǔn)模型為轉(zhuǎn)子和靜子域均保持初始的理想設(shè)計(jì)位置不變。在本節(jié)中，模擬靜子域和轉(zhuǎn)子域在周向發(fā)生相對(duì)位置變化時(shí)帶來(lái)的性能差異。根據(jù)真實(shí)情況使靜子域在Z平面保持不變的前提下，分別向X、Y正負(fù)方向平移1mm建立研究模型，分別計(jì)算不同方向的偏移量下的效率和壓比（見(jiàn)圖3），旋轉(zhuǎn)域如前文所述保持固定位置不變。

從CFD仿真模擬分析的結(jié)果可知（見(jiàn)圖4）：

①四種偏心情況均會(huì)使性能產(chǎn)生不同程度的下降，尤其是在低轉(zhuǎn)速區(qū)域時(shí)更加明顯。

②Y正方向的偏移可導(dǎo)致效率下降約1%，Y正方向及X正方向的偏移對(duì)效率影響更大。分析原因主要是因?yàn)槠品较驅(qū)簹?截面及關(guān)鍵截面位置影響更大，導(dǎo)致擴(kuò)壓器及流道的面積分布偏離了最初的設(shè)計(jì)，改變了整體面積A的線(xiàn)性分布趨勢(shì)。

③四種偏心情況對(duì)壓比的影響均很小。

1.2 旋轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)的研究

本節(jié)中，研究壓殼的旋轉(zhuǎn)軸和壓葉輪的旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生相對(duì)角度的位移時(shí)的情況。保持轉(zhuǎn)子域不變，使流道旋轉(zhuǎn)軸原點(diǎn)位置保持不變，旋轉(zhuǎn)軸分別沿平行于X軸的方向、平行Y軸方向偏轉(zhuǎn)1°，分別計(jì)算不同的偏移量下的效率和壓力。具體的偏轉(zhuǎn)前后的情況如圖5所示。

從CFD仿真模擬分析的結(jié)果可知：①兩種偏轉(zhuǎn)情況均會(huì)使性能產(chǎn)生不同程度的下降，尤其是在低轉(zhuǎn)速時(shí)更加明顯。向X方向偏移1°對(duì)性能的整體影響大于向Y方向偏移1°。②壓殼的轉(zhuǎn)軸的偏移對(duì)壓比影響不大，但是對(duì)效率有最大約1%的影響。在低速區(qū)域的X方向的偏轉(zhuǎn)效率下降1.13%，在高速區(qū)域效率下降大約0.49%。在低速區(qū)域的Y方向的偏轉(zhuǎn)效率下降1%，在高速區(qū)域效率下降大約0.45%（見(jiàn)圖6）。

1.3 擴(kuò)壓器相對(duì)位置的影響

根據(jù)擴(kuò)壓器的平面與壓葉輪的出口上表面可能存在相對(duì)位置的差異。本研究中保持?jǐn)U壓器的寬度不變，使擴(kuò)壓器相對(duì)于轉(zhuǎn)子的位置整體分別上移和下移0.1mm，分析擴(kuò)壓器的相對(duì)位置偏差對(duì)增壓器壓端性能的影響。初始模型與擴(kuò)壓器相對(duì)位置產(chǎn)生差異的模型對(duì)比如圖7所示。

從CFD仿真模擬分析的結(jié)果可知（如圖8），擴(kuò)壓器相對(duì)轉(zhuǎn)子位置整體上移0.1mm會(huì)導(dǎo)致效率下降約1%，而擴(kuò)壓器相對(duì)轉(zhuǎn)子整體下移0.1mm可以使效率在低速區(qū)提升大約0.5%。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果分析可知，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中由于考慮到漏油的可能性，一般使擴(kuò)壓器下平面的位置高于輪背，而理想中的擴(kuò)壓器位置是與壓葉輪入口起始位置平行，可以減少流動(dòng)過(guò)程中流動(dòng)損失，因此擴(kuò)壓器下平面靠近輪背方向，會(huì)使產(chǎn)品更接近理想狀態(tài)，效率達(dá)到提升。在整個(gè)壓端的設(shè)計(jì)過(guò)程中遵頊的原則是平衡，既要平衡性能也要保證產(chǎn)品的可靠性，在擴(kuò)壓器和壓輪位置產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí)需要均衡考慮兩方面帶來(lái)的影響，在保證產(chǎn)品可靠性的基礎(chǔ)上，將對(duì)性能的影響做到最優(yōu)。

2? 結(jié)論

渦輪增壓器的壓殼和壓葉輪由于樣件鑄造開(kāi)模過(guò)程偏差、不同供應(yīng)商生產(chǎn)差異、及裝配過(guò)程產(chǎn)生偏差均會(huì)導(dǎo)致壓輪及壓殼在一定程度上相對(duì)位置有所偏移。本文對(duì)可能發(fā)生相對(duì)位置差異的三種情況進(jìn)行了建模及模型簡(jiǎn)化，并對(duì)產(chǎn)生的差異進(jìn)行流體仿真得到性能差異的定量分析結(jié)果。仿真分析結(jié)果表明：壓葉輪和壓殼在相對(duì)位置偏心1mm及旋轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)1°的情況的下，可以使效率下降，尤其是在低轉(zhuǎn)速工況時(shí)更加明顯，效率下降約約1%。而擴(kuò)壓器位置的向入口側(cè)偏移會(huì)在一定程度上造成效率的下降，反之則效率會(huì)上升但漏油風(fēng)險(xiǎn)升高。因此實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中需要從圖紙公差、加工檢測(cè)要求、及添加某些控制特征的方式使壓殼和壓輪的相對(duì)偏心偏轉(zhuǎn)量達(dá)到最低，以防止增壓器的壓端效率因此下降。

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