轴向式可变截面涡轮增压器喷嘴调节机理分析

卢隆辉，吴　龙，刘建军

（1.三明学院 机电工程学院，福建 三明 365004；2.机械现代设计制造技术福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004 3.绿色铸锻及高端零部件制造协同创新中心，福建 三明 365004）

轴向式可变截面涡轮增压器喷嘴调节机理分析

卢隆辉1，2，3，吴龙1，2，3，刘建军1，2，3

（1.三明学院 机电工程学院，福建 三明 365004；2.机械现代设计制造技术福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004 3.绿色铸锻及高端零部件制造协同创新中心，福建 三明 365004）

对不同工况情况下的涡轮端的流场数值分析，得出以下结果：当低工况时，气体流经低速叶片流道，膨胀比大，压力能和热能转换成动能明显，入口攻角气体合适，流动情况好，涡轮效率高；当高工况时，气体流经高速叶片，膨胀比小，压力能和热能转换动能平缓，入口攻角较大，出现气体分离现象，涡轮效率低。

轴向调节式；喷嘴叶片；流场；数值分析

涡轮增压技术是柴油发动机上常规的技术之一，可提高涡轮柴油机的动力、经济和排放性能［1］。但是传统的增压器不能够兼顾柴油机在高低工况下的使用特性，而可变截面涡轮增压器技术着眼于发动机高工况（标定工况）时的增压需要来设计，通过减小涡轮端的流通截面积来改变涡轮效率和流量特性，使得增压器与发动机在较宽工况范围保持良好匹配关系［2］。这一匹配性能兼顾高、低工况对发动机动力性和经济性的要求，同时更好地利用废气能量。

实现可变截面调节机构的方案有多种，轴向式类型因结构紧凑，调节范围广，匹配方式灵活，控制方式简单，而得到广泛应用［3］。国内外对可变截面喷嘴研究很多，主要通过对可变截面喷嘴环状结构的涡壳流场情况进行研究。如田勇祥、郭鹏江等通过CFD技术和实验方法对对可变截面环状式喷嘴对涡轮增压器及发动机性能影响进行研究［4-5］；Steven W.Burd、J.Baet等对可变截面环状式喷嘴区域流场分布情况进行分析［6-7］。但对于轴向式可变截面增压技术中的喷嘴高低速叶片如何影响增压器效率的研究较少。轴向式可变截面涡轮增压器是通过舌形叶片（高低速叶片构成）的轴向移动，改变涡壳内喷嘴叶片工作区域，涡轮转速随之改变，压气效率也改变。因此，本文针对某轴向式可变截面涡轮增压器的喷嘴在高低工况下的流场进行数值模拟，分析高低速喷嘴叶片的流场作用机理。

1　计算模型及方法

研究对象是某型号轴向式可变截面涡轮增压器的喷嘴环叶片，如图1所示，喷嘴叶片由16叶片构成，单个叶片可分为高速叶片和低速叶片，高低速叶片固连在喷嘴机座上。在发动机全工况式，在喷嘴高速叶片起主导作用；低速叶片式在发动机低工况式，通过调节喷嘴环轴向位移，使得喷嘴低速叶片起作用。喷嘴环测绘的结构参数如表1。

图1　喷嘴环座模型

表1　喷嘴环各参数值

根据喷嘴高低速叶片工作实际情况建立涡轮端流场工作三维模型，如图2。

图2　涡轮端流场模型

采用ANSYS ICEM CFD软件对流场进行网格划分，由于喷嘴区域网格质量要求较高，且结构规则，采用结构网格划分，如图3。

图3　喷嘴环网格划分

针对蜗壳和涡轮流场子区域部分结构复杂，选择非网格进行网格划分，其中蜗壳流场部分，采用四面体网格进行划分，其网格单元数536344，如图 4所示；涡轮流场部分采用四面体网格生成，其网格数151141，如图 5所示。经网格质量检查，生成的网格扭曲度全部低于 0.4，符合计算要求。

图4　涡轮壳子区域流场网格划分

图5　涡轮流场区域

采用Fluent求解可变截面涡轮区域的非定常流体模型，该模型由三块子区域构成，即包括：蜗壳流场子区域、喷嘴子区域和涡轮子区域。各项工况设置参数如表2。其中，蜗壳流场子区域和喷嘴子区域设为静止，将涡轮子区域部分定义为旋转流体，相等于涡轮实际的转速，各区域在交界面上通过interface来传递交换数据。将涡轮表面设为相对旋转壁面（wall），其他壁面设置成静止。由于气体流速很高，忽略重力对流场的影响。由于气体设置可压缩气体，并激活能量方程。

表2　柴油机及可变截面涡轮增压器的工况参数

2　计算结果及分析

2.1涡轮特性分析

根据喷嘴高低速叶片情况，计算得到涡轮效率和膨胀比的关系特性，绘制成涡轮特性对比图，如图6。由图6中可以得出，涡轮在低速工况区域，涡轮效率高，膨胀比大；涡轮在高速工况区域，膨胀比小，涡轮效率低。

图6　高低工况涡轮特性对比

2.2喷嘴环中的流场分布情况

2.2.1喷嘴环区域压力场分布分析不同喷嘴叶片工作时的喷嘴环区域压力场分布分析如图7～8：低工况时，喷嘴环区域在低速叶片作用下静压降低明显，可达70.1%；高工况时，喷嘴区域静压降低相对低速区不明显，可达49.7%。高低速叶片表面的静压分布，如图10～11所示，喷嘴环叶片间气体静压均沿着气体流动方向降低，叶片顶部静压最大。低工况时，低速叶片的表面静压力降低明显，低速叶片采用气动叶型，背风面静压变化比迎风面明显。高工况时，高速叶片上在喷嘴流道内占主导作用，高速叶片表面静压力大于低速叶片，降低相对不明显。因此，在低工况，低速叶片对气体引导做功，气体压力能降低明显；在高工况时，高速叶片在流场中起主导作用，气体在喷嘴区域压力能降低平缓。

图7　喷嘴区域的静压分布（低工况）

图8　喷嘴区域的静压分布（高工况）

图9　喷嘴叶片的静压分布（低工况）

图10　喷嘴叶片上静压分布（高工况）

2.2.2喷嘴环区域温度场分布分析

不同喷嘴叶片工作时的喷嘴环区域温度场分布分析：低工况时，如图12，低速叶片起作用，气体在经过低速喷嘴区域时，温度递减明显，可达8.2%；高工况时，如图13，高速叶片温度高于低速叶片，并呈现递减变化。高低工况叶片表面的温度分布，如图14～15所示，喷嘴环叶片间表面温度均沿着气体流动方向降低，并随气流流动方向递减。低工况时，低速叶片表面温度递减明显，且叶片的背风面比迎风面降低更强烈；高工况下，高速叶片比低速叶片的温度降低更明显，并随着叶型变化递减。因此，低工况时，低速叶片在流道引导气体做功，气体热能降低明显；高工况，高速叶片起主导作用，热能减小平缓。

图11　喷嘴区域温度分布（低工况）

图12　喷嘴区域温度分布（高工况）

图13　喷嘴叶片的温度分布（低工况）

图14　喷嘴叶片上温度分布（高工况）

2.2.3喷嘴环区域速度分布分析

不同喷嘴叶片工作时：低工况时，如图15，低速叶片起作用，气体在经过低速喷嘴区域时，低速叶片起作用，速度大小变化明显，可达66.2%，方向变化可达16.2°。高工况时，如图16，气体在高速叶片的作用下，速度变化平缓，仅为14.3%，方向变化可达5.6°。高低速叶片表面的速度矢量分布，如图17～18所示，喷嘴环叶片间表面气体流动速度均沿着气体流动方向增加，气体动能增加。低工况时，低速叶片对气体的引导，叶片表面速度增大明显，气动叶型的迎风面比背风面变化更明显；高工况时，叶片表面速度增加平稳，高速叶片比低速叶片变化略大。因此，低工况时，低速气动型叶片引导气体做功，气体动能增大明显；高工况时，高速叶片在流道中起主导作用，气体动能增加平缓。

图15　喷嘴区域速度矢量分布（低工况）

图16　喷嘴区域速度矢量分布（高工况）

图17　喷嘴叶片表面速度矢量（低工况）

图18　喷嘴叶片表面速度矢量（高工况）

2.3不同喷嘴截面涡轮进口攻角研究

通过上述分析，高低喷嘴叶片工作时，不仅改变气体喷嘴出口速度值大小，同样也改变了气体流出喷嘴区域速度方向。气体在喷嘴环叶片的引导下进入叶轮，由于气体的相对速度和叶轮进口速度角之间常存在一个相对角度，如果这个角度不适当，将会引起气流与叶片的不合理冲击，气体无法稳定流入涡轮子午流道面，导致气流在流道内产生扰动，引起能量损失。相关研究表明，进行涡轮的最佳效率出现在负攻角情况下，一般在-20°～-40°之间。Yeo和Baines通过实验得到涡轮最高效率工况下，叶轮入口的最佳攻角在-30°左右［8］。因此，通过CFD数值模拟计算涡轮进口速度结果，以研究分析其入口流场情况。

涡轮进口攻角是进口叶片角βb1与相对气流角β1之间的差值，即：i=βb1-β1。

研究的增压器的涡轮为径向涡轮，其叶片进口角βb1为0°，根据喷嘴叶片最小和最大开度条件下，气体相对速度ω、气体进口平均速度Cu、气体进口速度圆周方向分量Cu1、涡轮圆周速度u1构建的进口速度三角关系，绘制涡轮平均进口攻角。

绘制喷嘴叶片小开度涡轮平均涡轮入口攻角为-32°，如图19所示。根据涡轮进口流速矢量图可看出涡轮进口流场流动情况，如图20，气体进入叶轮顺利，流场分布均匀，速度变化梯度明显，且在涡轮叶片吸力面上有很强的回流现象，回流现象出现在叶片进口的中下段，流动内流通顺畅，气体在吸力上的流动不发生分离，从而保证较好的涡轮效率。

绘制喷嘴叶片大开度涡轮平均涡轮入口攻角为-41°，如图21所示。根据涡轮进口流速矢量图可看出涡轮进口流场流动情况，如图22所示，气体进入涡轮流动顺畅，速度变化梯度较明显，在涡轮叶片靠近叶顶的吸力面上有很强的回流现象，叶根部易堵塞，由此导致气体在远离回流区的吸力面叶根部的流动发生分离，降低涡轮效率。

图19　喷嘴出口气体攻角（低速叶片）

图20　涡轮入口处气体流动情况（低速叶片）

图21　喷嘴出口攻角（高速叶片）

图22　涡轮入口处气体流动情况（高速叶片）

3　结论

（1）轴向式可变截面涡轮增压器在高低速喷嘴作用时，气体在低速叶片作用时，膨胀比大，涡轮特性效率高，在高速叶片主导作用时，膨胀比小，涡轮效率较低。

（2）根据工况不同，在低工况时，气体由气动型低速叶片起作用，压力能和热能明显降低，动能明显增加；而在发动机高况时，气体由高速叶片工作起主导作用，压力能和热能降低平缓，动能增加平缓。

（3）气流流经气动型低速叶片，获得较好的入口攻角，气体流动顺畅，涡轮效率高；气体流经高速叶片，入口攻角偏大，叶根部易出现堵塞现象，气体在涡轮吸力面出现分离现象，涡轮效率低。

［1］朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器［M］.北京：机械工业出版社，1992：345-348.

［2］苏展望，庞志伟，郭军良，等.涡轮增压器与燃气发动机的匹配及主要增压器参数的计算［J］.内燃机与动力装置，2008（6）：15-17.

［3］王建昕，帅石金.汽车发动机原理［M］.北京：清华大学出版社，2011：109-119.

［4］田永祥，刘云岗，王志明，等.喷嘴叶片形状的改善对涡轮增压效率的影响［J］.汽车工程，2007，29（4）：328-332.

［5］郭鹏江，王天灵，吴君华，等.可变喷嘴涡轮增压器喷嘴环叶片位置对柴油机性能的影响［J］.内燃机工程，2010，31 （2）：41-47.

［6］STEVEN W B，TERRENCE W S.Flow measurements in a nozzle guide vane passage with a low aspect ratio and endwall contouring［J］.Journal of Turbomachinery，2000，122（10）：659-666.

［7］BAET J，ZEHNDER M.Variable turbine geometry turbochargers［J］.D>W，1998，22（9）：10-14.

［8］YEO J H，BAINES N C.Pulsation flow behavior in a twin-entry vaneless radial inflow turbine［J］.Pro Inst Mech Engrs，1996（12）：113-122.

（责任编辑：朱联九）

Mechanism of Nozzle Ring Vane Adjustment of Axial VGT

LU Long-hui1，2，3，WU Long1，2，3，LIU Jian-ju1，2，3

（1.School of Mechanical&Electronic Eng.，Sanming University，Sanming365004，China；2.Fujian Province Engineering Research Center of Mechanical Modern Design&Manufacture，Sanming 365004，China；3.Collaborative Innovation Center of Green Casting-Forging Industry&High-End Parts，Sanming 365004，China）

Numerical simulation of the flow field in turbine end in different working conditions is analyzed.The results show that:the gas flow through the low-speed nozzle course at low load，which has the high expansion ratio.The pressure energy and heat energy transform obviously into kinetic energy.The gas has proper inlet angle of attack，and the internal flow of the turbine is well，so that turbine efficiency is high；the gas flow through the high-speed nozzle course at high load，which has the low expansion ratio.The pressure energy and heat energy transform relatively slowly into kinetic energy.The inlet angle of attack is relatively big，and the phenomenon of the gas separation occurs，so that turbine efficiency is low.

axial VGT；nozzle vane；flow field；numerical simulation

TK421.8

A

1673-4343（2016）02-0074-08

10.14098/j.cn35-1288/z.2016.02.012

2016-01-26

三明学院科研基金项目（B201404/Q）；福建省中青年教师教育科研项目（JA15479）

卢隆辉，男，福建建宁人，助教。主要研究方向：汽车零部件设计分析。