非均匀布置可调导叶向心涡轮性能研究

可变几何截面涡轮增压可以有效提高车用发动机的经济性、动力性和排放性能,能在较宽广的范围内适应车用发动机的工作要求,具有广阔的应用前景,成为目前车用发动机增压技术的研究重点之一。可变几何截面涡轮增压目前应用最多的是可调向心涡轮增压,增压器调节机构均安装于中间体部分。此前有关可调向心涡轮性能的研究主要集中于导叶形状、导叶开度变化、导叶叶端间隙等对涡轮性能的影响方面。由于结构限制、蜗舌结构及蜗壳内流动的复杂性,可调向心涡轮蜗壳出口和喷嘴环内流动在周向存在很大的不均匀性,导致蜗壳出口气流角与导叶的安装角在周向范围内不能完全匹配,增加了流动损失,降低了涡轮的工作效率。本文针对某可调向心涡轮增压器,基于蜗壳流动周向不均匀性分布规律的分析,提出采用改进喷嘴座连接臂结构和非均匀布置可调导叶的解决方案,并在此基础上提出一种集成于涡轮壳体上的增压器调节机构设计方案。本文采用数值计算与性能试验相结合的方法,对非均匀布置可调导叶向心涡轮性能进行研究。本文的主要研究内容及取得的研究成果如下:(1)可调向心涡轮数值计算方法。确定数值计算所采用的数值方法及湍流模型;针对所研究的可调向心涡轮进行几何建模,并分别对蜗壳、喷嘴环和叶轮的计算域进行网格划分,完成涡轮级全周计算网格的连接和匹配;进行相关计算参数的选择与设置;根据涡轮性能试验数据确定实际计算边界条件,进行涡轮性能的三维数值计算,完成与试验值的对比,验证数值计算结果的有效性。(2)蜗壳流动周向不均匀性对可调向心涡轮性能的影响。在建立的数值计算平台的基础上,根据发动机台架试验数据确定的边界条件进行增压器涡轮级数值计算,探讨蜗壳流动周向不均匀性对可调向心涡轮性能的影响规律。计算结果表明,对应发动机额定功率工况和最大转矩工况,蜗壳出口参数及蜗壳和喷嘴环内部流场参数周向分布变化范围很大,喷嘴座连接臂及蜗舌结构对其影响较大;增压器蜗壳流动周向的不均匀性导致喷嘴环和叶轮内部的流场分布出现周向不均匀的特性:导叶入口气流角周向分布变化范围较大,叶轮各叶片载荷和各流道流量均呈现周向分布不均匀的特点。蜗壳流动周向不均匀性引起的上述现象,将使涡轮级各部分的流动损失增加,导致涡轮效率下降。(3)基于周向不均匀性的可调向心涡轮性能改进方案设计。结合蜗壳流动周向不均匀性的分布规律,提出采用改进喷嘴座连接臂结构和非均匀布置可调导叶的设计方案,以降低涡轮级各部分的流动损失,提高涡轮效率。计算结果表明,改型后涡轮工作在发动机额定功率工况对应相似转速条件下效率相对提高值最大为5.18%,发动机最大转矩工况对应相似转速条件下效率相对提高值最大为3.57%;改型后蜗壳出口气流角变得更加均匀,蜗壳出口气流角与导叶开度角相接近,减小了喷嘴环区域的流动损失,解释了改型前后涡轮效率提高的原因;改型后各叶轮叶片载荷周向分布更加均匀,各叶轮流道流量的周向不均匀性明显降低,叶轮进口相对气流角周向分布更加平稳,证明改型方案对减小叶轮叶片的冲角损失,提高涡轮效率,降低叶片振动,延长涡轮有效使用寿命具有积极的影响。(4)改型前后可调向心涡轮增压器涡轮性能对比试验。为了进一步验证改型方案的有效性,进行了改型前后可调向心涡轮增压器涡轮性能对比试验。首先分析了涡轮性能测试原理,确定了涡轮效率特性的测功方法,给出了试验数据处理的方法;完成改型后喷嘴座与驱动环的加工,根据增压器实际结构的需要,对涡轮稳态性能试验台增压器的安装位置进行了适当调整,并设计了导叶开度调整与控制装置,对改型前后的涡轮性能进行了试验测试;通过改型前后可调向心涡轮试验的效率对比,进一步验证了改型方案的有效性。(5)新型可调向心涡轮增压器调节机构设计。结合上述分析,针对目前可调向心涡轮增压器调节机构存在的问题,提出了一种集成于涡轮壳体上的增压器调节机构设计方案,为可调向心涡轮增压器调节机构的开发提供了一种新的设计思路。该设计方案取消了传统增压器调节机构中的定距套(或喷嘴座等)结构,利用3个钝头气动叶型固定导叶来控制喷嘴环的宽度,固定导叶的安装角与增压器设计工况点相适应。该设计方案力图减小蜗壳或导叶流道中由于特定结构所导致的局部扰动,降低其流动损失,提高涡轮效率。所设计的增压器调节机构安装于涡轮壳体的排气端,中间体部分不需要做任何结构上的改动,给工程应用带来便利。对该设计方案与喷嘴座结构方案、定距套结构方案进行了相同工况的数值计算,通过效率对比,从理论上验证了设计方案的可行性。