王智慧，馬朝臣，祝飛

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081； 2.晉中學(xué)院 機(jī)械系，山西,晉中 030619)

提 要： 文中基于可調(diào)渦輪彈性約束導(dǎo)葉的概念,采用流固耦合方法研究了在脈沖進(jìn)氣條件下，彈性約束導(dǎo)葉渦輪的非穩(wěn)態(tài)特性以及脈沖幅值和頻率對(duì)其性能的影響，通過(guò)與傳統(tǒng)可調(diào)渦輪對(duì)比，分析了彈性約束導(dǎo)葉可調(diào)渦輪性能發(fā)生變化的原因.結(jié)果表明，脈沖進(jìn)氣幅值越小，頻率越低，彈性約束導(dǎo)葉可調(diào)渦輪相對(duì)傳統(tǒng)可調(diào)渦輪流量提升率越大，輸出功率提升率越大，效率下降率越低.通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)靜子進(jìn)口氣流角以及導(dǎo)葉出口壓力損失分布的分析，論證了彈性約束導(dǎo)葉渦輪性能對(duì)脈沖幅值和頻率發(fā)生變化的原因.

渦輪增壓器廣泛應(yīng)用于汽車、輪船、航空等領(lǐng)域以增加發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣密度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)比功率.對(duì)于固定幾何形狀的渦輪增壓器，最常見(jiàn)的問(wèn)題是渦輪遲滯效應(yīng)以及不能在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況實(shí)現(xiàn)良好匹配[1].VNT(或VGT)在一定程度上可以解決這個(gè)問(wèn)題[2].

由于發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣呈現(xiàn)脈動(dòng)形式，導(dǎo)致渦輪進(jìn)口氣流也呈現(xiàn)脈動(dòng)形式，因此這與渦輪設(shè)計(jì)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè)不符.研究表明，脈沖進(jìn)氣條件下渦輪性能和穩(wěn)態(tài)進(jìn)氣條件下的渦輪性能存在顯著差別[3-5].同時(shí)，研究也表明發(fā)動(dòng)機(jī)排氣超過(guò)60%的廢氣能量不能回收利用[6].當(dāng)渦輪工作在非設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)，額外的入射損失出現(xiàn)，導(dǎo)致渦輪增壓器渦輪性能惡化.關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣脈沖能量的利用研究很少.Apostolos等[7]提出了主動(dòng)控制渦輪概念，它通過(guò)調(diào)節(jié)渦輪進(jìn)口的質(zhì)量流量來(lái)適應(yīng)脈動(dòng)廢氣的瞬時(shí)壓力,為改善渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配提供了一種新思路.近年來(lái)，Cao等[8-9]提出了“旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)”機(jī)制.該系統(tǒng)的絕對(duì)氣流角隨渦輪內(nèi)非定常氣流的變化而變化，從而減小了渦輪進(jìn)口與設(shè)計(jì)點(diǎn)的入射角偏差.CFD結(jié)果表明，渦輪工況點(diǎn)從效率較低的范圍轉(zhuǎn)移到效率較高的范圍.施新等[10]研制了可變噴嘴渦輪的噴嘴葉片脈動(dòng)調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng).試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于常規(guī)可調(diào)渦輪，伴隨渦輪進(jìn)口脈沖來(lái)流，噴嘴葉片采用適當(dāng)幅值的脈動(dòng)調(diào)節(jié)可以提高渦輪輸出功率.

傳統(tǒng)的VGT的導(dǎo)葉開(kāi)度是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，在這個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中沒(méi)有體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的脈沖特性.基于此，Wang 等[11]提出了一種渦輪增壓器渦輪的彈性約束導(dǎo)葉渦輪進(jìn)口流量調(diào)節(jié)方案.此方案中，新型渦輪的彈性約束導(dǎo)葉流量調(diào)節(jié)裝置由安裝在支承盤上的彈性環(huán)、從動(dòng)撥叉和導(dǎo)葉葉片以及一些附件組成，如圖1所示.其原理是在氣流作用下，葉片繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)導(dǎo)葉軸的從動(dòng)撥叉旋轉(zhuǎn)，安裝在從動(dòng)撥叉上的彈性環(huán)發(fā)生彈性變形，進(jìn)而產(chǎn)生彈性力，當(dāng)葉片的所受的氣動(dòng)力矩和彈性環(huán)產(chǎn)生的彈性力矩達(dá)到平衡時(shí)，葉片停止轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)平衡位置，既旋轉(zhuǎn)到一定開(kāi)度，從而起到調(diào)節(jié)渦輪進(jìn)口流量的作用.

圖1 彈性約束導(dǎo)葉噴嘴環(huán)及渦輪幾何模型Fig.1 VNT model with elastic restrained guide vanes

Wang 等[11]通過(guò)CFD數(shù)值模擬的方法驗(yàn)證了該方案的可行性，在某一振幅和頻率脈沖進(jìn)氣條件下，通過(guò)與傳統(tǒng)VNT對(duì)比，發(fā)現(xiàn)彈性約束導(dǎo)葉VNT可以提高渦輪的流通能力并提高輸出功率.為了解彈性約束導(dǎo)葉渦輪在不同脈沖進(jìn)氣條件下的非穩(wěn)態(tài)特性以及與傳統(tǒng)VNT的不同，文中針對(duì)不同脈沖進(jìn)氣條件對(duì)彈性約束導(dǎo)葉和傳統(tǒng)VNT 進(jìn)行了數(shù)值模擬，旨在了解不同脈沖進(jìn)氣頻率和幅值對(duì)彈性約束導(dǎo)葉VNT性能以及兩種VNT的性能差別的影響.

1 數(shù)值方法及模型驗(yàn)證

1.1 數(shù)值方法及邊界條件

文中以國(guó)內(nèi)某可調(diào)渦輪增壓器為研究模型，此可調(diào)增壓器渦輪為原VNT,以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的彈性約束導(dǎo)葉渦輪為新VNT.發(fā)動(dòng)機(jī)以及渦輪增壓器渦輪的詳細(xì)參數(shù)信息請(qǐng)參照文獻(xiàn)[12].采用商用CFD軟件ANSYS CFX軟件對(duì)非定常流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬.計(jì)算中采用了剪切應(yīng)力傳遞(SST)模型.采用流-固耦合方法，利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬彈性約束導(dǎo)葉的運(yùn)動(dòng)情況，為了減少計(jì)算時(shí)間和計(jì)算量并得到精確的仿真結(jié)果，文中將“相移法”應(yīng)用于瞬態(tài)氣動(dòng)氣流的計(jì)算.利用Turbogrid預(yù)處理軟件生成計(jì)算域網(wǎng)格.對(duì)靠近壁面的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化獲取邊界層內(nèi)參數(shù)的梯度.用于傅里葉變換方法的雙通道網(wǎng)格如圖2所示.網(wǎng)格的詳細(xì)信息以及相關(guān)設(shè)置請(qǐng)參考文獻(xiàn)[12].渦輪入口邊界條件為總壓、總溫及速度方向，出口為渦輪出口平均靜壓.采用絕熱無(wú)滑移固壁條件結(jié)合壁函數(shù)方法.143 000 r/min的恒定渦輪轉(zhuǎn)速，渦輪進(jìn)氣脈沖頻率為40 Hz、60 Hz，振幅為25 kPa、10 kPa.以發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)的渦輪進(jìn)口條件作為渦輪平均進(jìn)口總壓，其值為97.8 kPa，平均總溫為857 K.彈性約束裝置的彈簧剛度為0.05 N·m/rad，彈簧剛度的選取原則可參見(jiàn)文獻(xiàn)[13].

圖2 雙通道網(wǎng)格及導(dǎo)葉前緣和尾緣網(wǎng)格分布Fig.2 Double -passage fluid grid and grid distributions at the leading and trailing edges of the guide vane

Cerdoun等[13]通過(guò)非穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)得到車用增壓器徑流渦輪的進(jìn)口參數(shù)變化情況，試驗(yàn)表明，渦輪前廢氣壓力和溫度均隨時(shí)間變化，其波動(dòng)近似正弦波.因此文中把渦輪進(jìn)口壓力和溫度簡(jiǎn)化成正弦波來(lái)處理.渦輪入口邊界條件如圖3所示.

圖3 渦輪進(jìn)口不同脈沖總壓和總溫邊界條件Fig.3 Total pressure and total temperature boundary conditions at the turbine inlet

1.2 CFD數(shù)值方法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用原渦輪性能試驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)CFD數(shù)值方法進(jìn)行了驗(yàn)證.圖4出示了CFX數(shù)值計(jì)算的渦輪質(zhì)量流量和等熵效率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況.可以看出，該模型的數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，差異小于5%，因此，該數(shù)值模型是可信的.

圖4 原渦輪的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算性能對(duì)比Fig.4 Experimental and simulation results of original turbine

2 結(jié)果分析

2.1 不同脈沖條件下新VNT非穩(wěn)態(tài)性能

在渦輪非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算中，渦輪總-靜的瞬態(tài)效率和質(zhì)量流量參數(shù)(mass flow parameter,MFP)可以通過(guò)下式進(jìn)行定義：

(1)

(2)

圖5給出了原、新VNT的MFP對(duì)比結(jié)果.可以發(fā)現(xiàn)，不同脈沖進(jìn)氣條件下，原、新VNT的對(duì)比結(jié)果是相似的.在低膨脹比區(qū)域內(nèi)，新VNT的MFP低于原VNT，而在高膨脹區(qū)域內(nèi)高于原VNT.并且，新VNT的遲滯環(huán)面積都大于原渦輪，說(shuō)明彈性約束導(dǎo)葉VNT使渦輪內(nèi)部脈動(dòng)增強(qiáng).具體地，對(duì)比圖5(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)相同振幅，不同頻率下，原、新VNT的特性曲線相交的位置基本一致，這是由于進(jìn)氣振幅相同，彈性約束導(dǎo)葉VNT的導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)角度基本相同，如圖6給出了不同脈沖進(jìn)氣條件原、新VNT導(dǎo)葉開(kāi)度變化.由于發(fā)動(dòng)機(jī)工況沒(méi)有發(fā)生變化，因此，原VNT導(dǎo)葉是靜止不動(dòng)的，而在新VNT中導(dǎo)葉自適應(yīng)流場(chǎng)變化而發(fā)生旋轉(zhuǎn).在圖5(b)中，可以發(fā)現(xiàn)脈沖頻率較高時(shí)，兩型渦輪的在低脈沖壓力區(qū)域遲滯環(huán)面積更大，且在新VNT中這種現(xiàn)象更明顯，這是由于在大振幅和高頻率的情況下脈動(dòng)更強(qiáng).為了對(duì)一個(gè)脈沖周期內(nèi)的原、新渦輪的MFP進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，計(jì)算了一個(gè)脈沖周期內(nèi)原、新渦輪性能參數(shù)的平均值，如圖5(d)所示.不同條件下，新VNT的MFP相對(duì)于與原VNT都有所提高，具體的，可以發(fā)現(xiàn)脈沖進(jìn)氣振幅越小，頻率越低(10 kPa，40 Hz)，MFP提升越多.

圖5 原、新VNT不同脈沖進(jìn)氣條件下MFP對(duì)比Fig.5 Instantaneous turbine MFP against expansion ratio for the new and original turbine arrangements

圖6 原、新VNT在不同脈沖進(jìn)氣條件下的導(dǎo)葉開(kāi)度變化Fig.6 Guide vane opening for the original and new VNTs at different conditions

圖7和圖8出示了原、新VNT在不同脈沖進(jìn)氣條件下瞬態(tài)功率和效率的對(duì)比結(jié)果.從圖中可以看出，在低膨脹比區(qū)，新渦輪的輸出功率和等熵效率相對(duì)原渦輪對(duì)應(yīng)值減小，而在高膨脹比區(qū)，新渦輪的輸出功率和效率都大于原渦輪的對(duì)應(yīng)值.從圖7(d)和圖8(d)可以看出，對(duì)于功率而言，新VNT與原VNT相比功率在3種脈沖進(jìn)氣條件下分別提升了3.67%、3.15%和2.19%，可見(jiàn)，彈性約束導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)形式增加了渦輪的功率輸出.對(duì)于效率而言，相同條件下，新VNT相對(duì)于原VNT的渦輪效率都有所下降.對(duì)于彈性約束導(dǎo)葉渦輪來(lái)說(shuō)，由于渦輪流通能力提高，在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)平均背壓的情況下，可以在管道系統(tǒng)內(nèi)能夠建立更強(qiáng)的壓力脈動(dòng)，所以，最后的渦輪功率勢(shì)必進(jìn)一步增加.脈沖進(jìn)氣振幅越大，功率提升率越高，這是由于振幅越大，彈性約束導(dǎo)葉渦輪的流通能力越高，質(zhì)量流量越大.脈沖頻率越低，功率提升率越高，這是由于高頻脈沖導(dǎo)致渦輪內(nèi)部脈動(dòng)增強(qiáng)，內(nèi)部損失增加，渦輪效率下降較大造成的.綜上可得出：渦輪進(jìn)口脈沖振幅越大，頻率越低，彈性約束導(dǎo)葉VNT功率提升率越高.

圖7 原、新VNT不同脈沖進(jìn)氣條件下功率對(duì)比Fig.7 Instantaneous turbine power output against expansion ratio for the new and original turbine arrangements

圖8 原、新VNT不同脈沖進(jìn)氣條件下等熵效率對(duì)比Fig.8 Instantaneous turbine efficiency against expansion ratio for the new and original turbine arrangements

2.2 氣流角分析

在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，渦輪進(jìn)口壓力和流量波動(dòng)很大，從而使得進(jìn)入轉(zhuǎn)子葉片的速度方向經(jīng)常偏離最佳流動(dòng)方向.在此種流動(dòng)情況下，轉(zhuǎn)子入射角損失是渦輪效率下降的主要原因.入射角βi可以定義為

βi=βr-βb

(3)

式中:βr為渦輪進(jìn)口處的相對(duì)氣流角;βb為渦輪前緣葉片角,最佳入射角取值范圍在-20°～-40°.由于渦輪進(jìn)口流動(dòng)呈現(xiàn)脈動(dòng)形式，導(dǎo)致渦輪進(jìn)口絕對(duì)氣流角和相對(duì)氣流角都呈現(xiàn)脈動(dòng)形式，入射角偏離最佳入射角范圍[14].

圖9出示了不同脈沖進(jìn)氣條件下一個(gè)脈沖周期內(nèi)原、新VNT的導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)子進(jìn)口氣流角變化規(guī)律.可以看出，新VNT導(dǎo)葉進(jìn)口氣流角的變化范圍比原VNT的對(duì)應(yīng)值大，并且振幅越大，導(dǎo)葉進(jìn)口氣流角變化也越大.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在大振幅條件下，渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)口入射角波動(dòng)范圍更大，在脈沖低壓區(qū)，與原VNT相比，新VNT的渦輪進(jìn)口入射角的負(fù)值更大，偏離最佳入射角范圍更遠(yuǎn)；在高壓脈沖周期區(qū)，新VNT轉(zhuǎn)子進(jìn)口入射角值比原VNT更靠近最佳入射角范圍.在小振幅條件下，脈沖低壓區(qū)，原、新渦輪轉(zhuǎn)子入射角都在最佳入射范圍，并且相差很小，這是由于文中所選工況為設(shè)計(jì)點(diǎn)工況；在脈沖高壓區(qū)，新VNT轉(zhuǎn)子進(jìn)口入射角更靠近最佳入射區(qū)域，并且與原渦輪相差較大.

可以得出結(jié)論：當(dāng)渦輪進(jìn)口脈沖振幅較大時(shí)，在低壓脈沖周期內(nèi)，彈性約束導(dǎo)葉的開(kāi)度比原渦輪導(dǎo)葉開(kāi)度小，使得負(fù)入射角過(guò)大，偏離最佳入射區(qū)，因此，其入射損失增大；而在高壓脈沖周期內(nèi)，彈性約束導(dǎo)葉的開(kāi)度比原渦輪導(dǎo)葉開(kāi)度大，入射角更接近最佳入射角范圍，其入射損失更小.當(dāng)渦輪進(jìn)口脈沖振幅較小時(shí)，在高壓脈沖周期內(nèi)，新渦輪進(jìn)口入射角更靠近最佳入射區(qū)；而在低壓周期內(nèi)，兩型渦輪的入射角相差不大，這解釋了小振幅脈沖進(jìn)氣條件新VNT效率下降的少的原因.

圖9 不同脈沖進(jìn)氣條件下原、新渦輪氣流角對(duì)比Fig.9 Instantaneous flow angles at the stator and rotor inlet for the two models in a pulsating cycle

2.3 導(dǎo)葉出口壓力損失

由于渦輪包括靜子和轉(zhuǎn)子部分，渦輪的損失需由這兩部分的損失進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).對(duì)于靜子部分，通過(guò)引入氣體總壓損失系數(shù)Cp來(lái)評(píng)估原、新VNT中氣體在導(dǎo)葉內(nèi)造成的流動(dòng)損失.其中，總壓損失系數(shù)的定義為

(4)

圖10對(duì)比了不同脈沖進(jìn)氣條件下原、新VNT導(dǎo)葉出口總壓損失系數(shù).可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于原VNT，總壓損失系數(shù)規(guī)律與脈沖壓力變化規(guī)律相同，這是由于間隙泄露損失是靜子中壓力損失的主要來(lái)源，并且壓力越高，間隙泄露損失越大.對(duì)于新VNT，導(dǎo)葉出口總壓損失系數(shù)的變化規(guī)律與脈沖壓力、導(dǎo)葉開(kāi)度變化規(guī)律(圖6)呈反向變化.基于上述分析可知，在脈沖低壓周期內(nèi)，導(dǎo)葉開(kāi)度較小，因此流動(dòng)阻力大，流動(dòng)損失大，且有研究表明，同一膨脹比，導(dǎo)葉開(kāi)度越小間隙泄漏流量越大，間隙泄漏損失越大[15]，因此，新VNT導(dǎo)葉出口總壓損失系數(shù)較大；在脈沖高壓周期內(nèi)，新VNT導(dǎo)葉開(kāi)度大，流動(dòng)阻力越小，且導(dǎo)葉開(kāi)度越大間隙泄露量越小，間隙泄露引起的損失越小，總損失也越小.因此，在兩種不同脈沖振幅下，導(dǎo)葉出口總壓系數(shù)變化呈現(xiàn)與導(dǎo)葉開(kāi)度變化的相反趨勢(shì).同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，振幅越大，導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)角度大，所以大振幅條件下的導(dǎo)葉出口總壓損失系數(shù)越大，新VNT靜子內(nèi)部能量損失越大.這與傳統(tǒng)VNT有顯然的不同，此時(shí)原VNT的靜子內(nèi)部損失主要由脈沖壓力決定，而新VNT靜子內(nèi)的損失主要由導(dǎo)葉開(kāi)度決定.

圖10 不同脈沖進(jìn)氣條件下原、新VNT導(dǎo)葉出口總壓損失系數(shù) Fig.10. Total pressure loss coefficient at the stator outlet for the two models in a pulsating cycle at different conditions

3 結(jié) 論

基于彈性約束導(dǎo)葉可調(diào)渦輪的概念，文中進(jìn)一步研究了不同脈沖進(jìn)氣條件下彈性約束導(dǎo)葉渦輪的非穩(wěn)態(tài)特性，以及進(jìn)氣脈沖幅值和頻率對(duì)新VNT與原VNT性能差別的影響，具體可以得到如下結(jié)論：

① 脈沖進(jìn)氣25 kPa、40 Hz，25 kPa、60 Hz和10 kPa、40 Hz三種條件下的原、新渦輪的非穩(wěn)態(tài)特性.3種脈沖進(jìn)氣條件所對(duì)應(yīng)的新VNT對(duì)于原VNT的平均MFP分別提高了1.75%、1.47%和1.83%，并且振幅越小，頻率越低，新VNT相對(duì)原VNT流量提升越大；新VNT平均效率降低了1.65%、1.99%和0.18%，但新VNT的平均功率輸出分別提高了3.66%、3.15%和2.19%，得出結(jié)論：脈沖振幅越大，頻率越低，新VNT輸出功率越大，效率下降越低.

② 一個(gè)脈沖周期內(nèi)新VNT的氣流角參數(shù)變化大于原VNT的對(duì)應(yīng)值，渦輪進(jìn)口脈沖振幅較小時(shí)，在高壓脈沖周期內(nèi)，新渦輪進(jìn)口入射角更靠近最佳入射區(qū)；而在低壓周期內(nèi)，兩型渦輪的入射角相差不大.可得出結(jié)論，振幅越小，新VNT的入射損失越小.

③ 新VNT導(dǎo)葉出口壓力損失系數(shù)大于原VNT對(duì)應(yīng)值，且在一個(gè)周期內(nèi)的變化規(guī)律與進(jìn)口壓力和導(dǎo)葉開(kāi)度變化呈反向規(guī)律.同時(shí)，振幅越大，導(dǎo)葉出口總壓損失系數(shù)越大，即新VNT靜子內(nèi)部能量損失越大.這與傳統(tǒng)VNT不同，傳統(tǒng)VNT的靜子內(nèi)部損失主要由脈沖壓力決定，而新VNT靜子內(nèi)的損失則主要由導(dǎo)葉開(kāi)度決定.