脈沖進氣條件下彈性約束導葉可調渦輪流場分析

王智慧,王宏波,畢金光

(1.寧波威孚天力增壓技術股份有限公司,浙江 寧波 315000;2.天津大學機械工程學院,天津 300072)

可變幾何渦輪(Variable Geometry Turbine,VGT)可以在整個發動機轉速范圍實現增壓器和發動機的良好匹配,已經得到大量的工程應用[1-2]。然而,調節機構和控制系統的高復雜性和高成本限制了可變幾何渦輪技術的應用普及[3-4];此外,發動機氣缸的往復運動導致其輸出的廢氣是脈動形式的,在脈沖增壓系統中的渦輪性能和穩態進氣條件下的渦輪性能存在顯著差別[5-7],目前可調渦輪的調節方式不能主動適應廢氣的脈動變化,導致廢氣能量不能被充分利用[8-9]。

基于以上原因,作者提出了一種全新的渦輪流量調節機構——彈性約束導葉(ERGV)[10],該方案是基于ERGV受到的彈性力矩與氣動力矩相互作用致使導葉自適應轉動的原理,與常規可變幾何渦輪系統不同的是,ERGV的旋轉機構不是通過主動控制系統(某種執行器)實現的,而是一種被動調節機構——自適應調節。

文獻[10]分析了脈沖進氣條件下ERGV渦輪的脈沖適應性及不同脈沖進氣參數下的非穩態性能,結果表明,ERGV渦輪的輸出功率更高,能夠更好地利用脈沖能量。為了更全面地了解ERGV渦輪在脈沖進氣條件下的內部流動情況,以更好地揭示渦輪性能變化的根本原因,本研究對脈沖進氣條件下ERGV渦輪和傳統VGT進行了數值模擬,旨在了解微觀形態下EGRV渦輪的內部流動機理。

1 數值方法及模型驗證

1.1 物理模型

ERGV渦輪是在原始渦輪(見表1)基礎上增加彈性約束導葉結構設計而成的,其流量調節裝置由安裝在支承盤上的彈性環、從動撥叉、導葉葉片以及一些附件組成,三維結構如圖1所示。

通過申報績效目標，跟蹤項目運行，監控資金使用來改進項目管理，最終形成項目績效目標——項目經費決策——項目績效評價的良性循環機制。因此科研項目績效評價并非一種靜態評價，而是從預算編制、預算執行到項目驗收的全過程動態評價。

表1 原始渦輪主要結構參數

圖1 彈性約束導葉噴嘴環及轉子幾何模型

對于靜子部分,通過引入氣體總壓損失系數Cp來評估兩種渦輪中氣體在導葉內造成的流動損失,總壓損失系數定義為

他狼狽地從空中落下，在節足的支撐下重新穩住身體，只覺腳后跟一陣火辣辣地疼痛。他知道，自己左腳的后跟被削掉了一大塊肉，甚至已經傷到了骨頭，但他不能去看，因為那會削弱他的意志。

1.2 CFD模型及校核

采用商用CFD軟件ANSYS CFX對非定常流場進行了數值模擬,并采用流固耦合方法模擬導葉隨氣流的擺動情況。網格模型如圖2所示。數值模型建立方法及驗證參考文獻[7]。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。渦輪進口條件如圖3所示,其中,渦輪轉速為143 000 r/min,渦輪進氣脈沖頻率為40 Hz,振幅為25 kPa。

圖4示出兩型渦輪導葉的旋轉角對比。由圖4知,原始渦輪導葉開度不變,而ERGV渦輪導葉在彈性約束裝置的作用下隨著進氣脈沖的脈動而旋轉,旋轉角范圍為6.28°,并且可以發現,ERGV具有很好的跟隨性,體現了其脈沖適應性。

圖5示出兩種渦輪在不同時刻導葉出口熵值分布。圖5a中,脈沖相角90°位置,即脈沖壓力最低位置,ERGV轉動到最小開度,氣流流動阻力最大,所以可以看到ERGV渦輪導葉出口熵值水平大于原渦輪的對應值,并且可以看出,無論是原始模型還是ERGV模型,間隙泄漏損失是導葉通道的主要損失來源。在圖5b中,脈沖相角270°位置,即最高壓力位置,由于壓力大,所以間隙泄漏損失也大,因此,此時刻兩種渦輪的熵值大于90°低壓位置的熵值水平。對比兩型渦輪可以發現,ERGV出口熵值水平低于原渦輪的對應值,這是由于ERGV開度大于原始渦輪,氣流流動阻力減小,間隙泄漏損失小,導致此時刻的ERGV渦輪導葉出口熵值水平小于原渦輪的對應值。

圖2 雙通道網格及導葉前緣和尾緣網格分布

圖3 幅值25 kPa,頻率40 Hz條件下渦輪進口總壓總溫正弦變化模擬值

2 結果分析

2.1 渦輪導葉通道(靜子)流場分析

2.學業成績測量。經查閱大量文獻[1][2][3]，可知學生學業成績的測量都以月考、期中、期末等大型考試中的語文、數學、英語三科的總分加權平均，即可當做學生的學業成績。本調查中也采取相同的學業成績認定方法，以七、八、高一、高二四個年段于同一時間測試的第一次月考成績為參照標準。

圖4 兩型渦輪的導葉旋轉角對比

水中自救與水上救助能力是使學生安全成長并全面發展的重要培養手段，以核心素養觀之，游泳自救與水上救助能力具有三維目標的立體結構。其外在表現為十字漂、水母漂、踩水、著裝游泳、潛泳、游泳技能、人工呼吸、安全運送等游泳安全能力；其內核結構則是學生沉著冷靜處理危機情況的自主能力與生命安全意識，強調如何有效地管理情緒、保持體力、思考和應對復雜多變的環境，從而擺脫險境；其中間聯系層則是良好的溝通機制和社會參與，強調學生處理好自救和救助他人的關系，成為具有安全意識和社會擔當的人。

圖5 兩種渦輪導葉出口熵值分布

圖6示出不同時刻的導葉通道的速度流線圖。在圖6a中,ERGV進口附近氣流的偏轉角度升高,導葉的導流效果變差,在導葉出口,氣流速度流線的曲率也增大,氣體流出方向與導葉出口方向的偏離程度增強,結合圖4導葉旋轉角度可以發現,在90°相角位置,ERGV相對于原渦輪導葉調小3.25°,而導葉出口氣流角變化僅有2.2°(如圖7),可以說明1.05°是由于流線的偏轉造成的。在圖6b中,ERGV進口附近氣流的偏轉基本與原渦輪相似,此時刻ERGV出口氣流角相對于原渦輪變化了2.98°(見圖7),而從圖4可以發現,此時刻ERGV渦輪相對于原渦輪調大了2.98°,說明導葉出口氣流角的變化是來自于導葉擺動的變化。這主要是計算工況選擇的是設計點工況,原渦輪角度處于最佳開度位置的原因。

圖6 兩種渦輪導葉通道流線分布

在氣流作用下,葉片繞軸轉動,從而帶動導葉軸的從動撥叉旋轉,安裝在從動撥叉上的彈性環發生彈性變形,進而產生彈性力,當葉片所受的氣動力矩和彈性環產生的彈性力矩達到平衡時,葉片停止轉動到達平衡位置,即旋轉到一定開度,從而起到調節渦輪進口流量的作用。

(1)

在90°相角位置,兩型渦輪轉子內部流場分布相似,但是ERGV渦輪中,轉子前緣更大的負入射角使得轉子前緣流動分離渦強度升高,轉子內部低速區域面積更大,因此ERGV渦輪的轉子通道能量損失更大。圖11示出兩種渦輪轉子出口絕對氣流角沿葉高變化曲線。徑流渦輪在設計時考慮的轉子出口理想流動是絕對氣流角約為0°?？梢哉J為90°相角位置兩型渦輪轉子出口氣流過度偏轉,且靠近輪轂側30%葉高附近和靠近輪緣側90%葉高附近的氣流偏轉嚴重,其中,輪緣側氣流過度偏轉正是由轉子葉尖泄漏流和流動分離的摻混造成的,并且與原渦輪相比,ERGV渦輪轉子出口絕對氣流角沿葉高方向變化規律相似且更靠右側,因此ERGV渦輪轉子出口氣流的余速損失更大。

基于上述分析可知:在脈沖低壓周期內,導葉自適應向小開度方向旋轉,導葉開度越小,流動阻力越大,流動損失越大,且有研究表明,同一膨脹比下,導葉開度越小間隙泄漏流量越大,間隙泄漏損失越大[11],因此導葉總壓損失系數越高;在脈沖高壓周期內,導葉自適應向大開度方向旋轉,導葉自適應旋轉到較大開度,導葉開度越大,流動阻力越小,且導葉開度越大間隙泄漏量越小,損失越小?？傮w上,在低壓脈沖周期內,ERGV導葉出口總壓損失系數(平均值)相對于原始渦輪的增大了19.6%,高壓脈沖周期內,ERGV導葉出口總壓損失系數相對于原始渦輪降低了10.6%。

圖8示出兩型渦輪導葉出口總壓損失系數對比。由圖8可以發現,原渦輪總壓損失系數規律與脈沖壓力變化趨勢相同,這是由于間隙泄漏損失是壓力損失的主要來源,且壓力越高,間隙泄漏損失越大。由于所選工況為設計點工況,原渦輪導葉開度處于中等開度,噴嘴環內部流動基本處于理想狀態,所以原渦輪導葉總壓損失系數較小。對于ERGV渦輪,總壓損失系數的變化規律與脈沖壓力變化趨勢、導葉開度變化趨勢呈反向變化。

村長差點暈死，一邊扇自己的巴掌一邊大罵鎮長，當然不是當面罵。他罵鎮長吃屎的，這樣的消息居然不知道，還把茶場給了牛皮糖。他罵鎮長是禍兜子，本來不同意把茶場送出去，他硬插手要給人家，弄出個天大麻煩。茶場不要回來，上面會惱火。要回吧，起碼脫身皮。

圖8 兩種渦輪導葉出口總壓損失系數對比

2.2 渦輪轉子通道流場分析

圖9示出相角90°位置轉子通道不同弦長截面位置速度云圖,SS表示吸力面,PS表示壓力面,上下兩側分別為輪緣和輪轂。由于渦輪進口的總壓力低,因此,在轉子進口處產生了極大負入射角,轉子平均進口入射角都不在理想入射角(-20°～-40°)范圍內。在轉子通道內部,由于輪緣側的相對速度比輪轂側大,并且SS側氣體流速高于PS側,所以在輪緣和SS相交的A處形成了高速度區。從轉子通道4個位置的速度云圖可以看出,兩型渦輪的轉子通道速度變化規律基本相似。圖10示出相角90°位置兩型渦輪轉子通道轉子前緣分離流線及轉子出口熵值分布。結合圖9可以發現,在轉子前緣由于較大負入射角引起兩型渦輪轉子前緣附近PS和SS側都出現了明顯的流動分離現象,因此,在圖9出現了明顯的低速區B,且ERGV渦輪中的低速區域大于原渦輪。在圖10中還可以發現,在PS靠近輪轂一側流動分離更嚴重,如圖A’和B’區域所示,并且ERGV渦輪分離渦的強度明顯高于原渦輪,在此時刻存在一個特殊的現象,在相鄰轉子通道內部的PS分離渦團穿過轉子葉片的葉尖間隙,構成轉子葉尖泄漏流的一部分,使流動變得更加復雜(圖10的C’和D’區域)。這些因素綜合在一起,共同導致在SS和輪緣相交位置出現更低氣流速度和更大旋渦區域(圖9中D和E區域),最終造成轉子出口輪緣側靠近SS的高熵區。在轉子出口靠近輪轂處存在低速區F,這部分損失產生的原因在于在輪轂側氣體流通面積縮小快,PS、SS以及輪轂端壁與氣體之間的摩擦對氣流影響增強[12]。

圖9 相角90°位置兩型渦輪轉子通道相對速度云圖

圖10 相角90°位置兩型渦輪轉子前緣分離流線及轉子出口靜熵分布

式中:p0*為導葉進口總壓;p1*和p1分別為導葉出口總壓和靜壓。

設計意圖： 通過小結，完善知識體系、鞏固所學知識，也為后續知識的學習埋下伏筆；并通過問題“是不是所有生物的細胞都要通過內環境發生物質交換呢？”，明確單細胞動物與多細胞動物進行物質交換的區別。

圖11 不同相角位置兩型渦輪轉子出口絕對氣流角隨葉高變化

圖12示出相角270°位置兩型渦輪轉子通道相對速度云圖。圖13示出相角270°位置兩型渦輪轉子通道流線及轉子出口熵值分布。從圖12可以看出,在原渦輪中,轉子前緣PS側開始出現了流動分離,造成低速區A,隨著氣流向轉子葉片通道下游傳播,氣體加速,到達轉子進口導流段出現明顯的分離渦團,造成低速區域B,同時在靠近PS輪緣一側出現了由于輪緣側葉片間隙引起的泄漏流,造成低速區C。到達轉子出口導流段,分離渦團造成的低速區消失,只有SS側葉片前緣附近的低速區,由圖13可見,這是由分離渦團和間隙泄漏流摻混造成的,此部分低能氣體最終造成轉子通道出口的高熵區A’和B’。比較兩型渦輪可以發現,ERGV渦輪的轉子通道流場情況與原渦輪相似,但其分離渦團強度更低,低速區域面積更小,轉子出口出的高熵區面積更小,因此,其氣流能量損失更小。結合圖11可知,轉子出口氣流從輪轂到80%葉高附近沒有出現過度偏轉和偏轉不足,在90%葉高附近出現嚴重的過度偏轉,這是由于前面所分析的間隙泄漏流造成的,同時,ERGV渦輪與原渦輪相比,轉子出口氣流角曲線靠近左側,轉子出口氣流過度偏轉現象較弱,因此,在相角270°位置,ERGV渦輪轉子通道內的流場損失更小。從圖13也可以看出,ERGV渦輪的出口熵值明顯低于原渦輪,可見ERGV優化了高脈沖壓力進氣時的流場分布,提高了渦輪效率。

圖12 相角270°位置兩型渦輪轉子通道相對速度云圖

圖13 相角270°位置兩型渦輪轉子前緣分離流線及轉子出口靜熵分布

圖14示出相角270°兩型渦輪出口沿葉高方向靜壓和總溫的分布規律。從圖14a可以看出,在70%葉高處出現壓力波谷,這是流動分離以及間隙泄漏摻混引起的轉子出口葉片前緣損失造成的,轉子PS側的流動分離導致氣體中的動能不斷轉化成為熱能,因此,在圖14b中,可以看出以70%葉高為拐點,高于70%葉高的總溫逐漸增大;而靠近輪轂附近轉子出口氣體溫度較高,正如上面所分析的,由于在輪轂側氣體流通面積縮小快,PS、SS以及輪轂端壁與氣體之間的摩擦對氣流影響增強,氣體溫度較高。

由文獻[1]可知,在一個脈沖周期內,ERGV渦輪相對于原始渦輪的平均流量和功率分別提升了1.75%和3.67%,效率下降了1.6%。通過上面的分析可知,在脈沖低壓區,ERGV渦輪的導葉、轉子的通道損失更高,在脈沖高壓區,ERGV渦輪導葉、轉子通道的損失更低,最終導致在一個脈沖周期內ERGV渦輪平均效率和原渦輪相比略有下降。由于ERGV渦輪增加了渦輪的流通能力,在效率降低很小的情況下,輸出功率勢必增加,這是ERGV調節方式脈沖能量利用的優勢所在。

圖14 相角270°位置轉子出口沿葉高方向參數

3 結論

a) ERGV導葉的脈沖適應性導致其導葉旋轉角度和氣流角度均發生變化,一個脈沖周期內,原始渦輪導葉沒有發生旋轉,ERGV旋轉了6.28°,ERGV的導葉出口氣流角變化了6.5°,原始渦輪導葉出口氣流角變化了1.43°,并且,在低壓脈沖周期內,ERGV渦輪的導葉出口熵值以及總壓損失系數高于原渦輪的對應值,ERGV導葉通道損失更大,在高壓脈沖周期內,ERGV渦輪導葉出口熵值及總壓損失系數低于原渦輪對應值,ERGV渦輪導葉通道損失更小;

b) 相角90°位置,轉子進口大的負入射角導致轉子葉片PS和SS側都出現嚴重的分離流動,在轉子內部氣流偏轉嚴重不足,從轉子葉片出口導流段到轉子尾緣,在PS側在流動分離渦越過葉頂間隙隨后與轉子葉尖泄漏流、SS流動分離渦摻混,最終造成轉子出口葉片前緣靠近SS的高熵區;ERGV渦輪轉子進口負入射角過大,入射角損失更大,轉子渦流強度更高,高熵區水平更高;相角270°位置,轉子葉片SS側的流動分離與間隙泄漏造成轉子出口的高熵區,并在90%葉高轉子出口附近氣流出現嚴重的過度偏轉,ERGV渦輪內部流場損失更小。