可调向心涡轮导叶叶顶间隙及其调节方法的研究

侯红娟+王磊磊+李延昭

摘 要：可调向心涡轮的导叶展弦比较小，且存在两个叶顶间隙，间隙泄漏流对涡轮气动性能产生影响。本文通过某涡轮增压器用可调向心涡轮导叶间隙泄漏流的研究，发现叶顶间隙使涡轮气动性能下降的规律，并据此展开分析，揭示了导叶叶顶间隙变化根本原因。并针对该问题提出一种采用相对简单的弹簧和止推机构实现导叶间隙自动调节的方法

关键词：涡轮；喷嘴环；间隙；调节

0 引言

涡轮增压器具有提高内燃机动力性、燃油经济性及减少排放污染等优点，被广泛用于内燃机领域[1]。传统向心涡轮并不能保持在全工况范围内高效运行，因此促使可变几何涡轮增压器的兴起[2]。可变几何涡轮增压器在涡轮端增加可调导叶，通过导叶开度的调节达到满足更宽工况的要求，并能够满足更高标准的排放法规要求。但可变几何涡轮增压器采用的可调导叶展弦比较小，且存在两个叶顶间隙。而过多的间隙泄漏流将对涡轮性能产生较大影响，使涡轮级气动性能下降、转子叶片可靠性降低等问题[3]。因此，有必要开展关于导叶间隙泄漏流对可调涡轮影响的研究。

相关文献中也提到一些可调向心涡轮预测方法并演化，用于辅助可调向心涡轮的设计及性能评估[4，5]。本文根据某一型号涡轮增压器，采用数值模拟的方法研究了可调向心涡轮导叶间隙变化对压气机性能的影响，并设计一种用于导叶间隙的调整的有效方法。

1 数值模型

研究对象为某型号涡轮增压器的可调向心涡轮，数值模型只包括导流叶片和混流涡轮转子。数值模型建立采用NUMECA软件中的AUTOGRID完成，计算网格拓扑结构为O4H型，各排叶片壁面采用O型网格环绕，其余采用H型网格，相邻通道间采用匹配型连接方式。对于网格质量，其正交性、延展比和长宽比均满足规范。另外，采用单通道定常计算方法测试网格无关性，结果显示所用网格数满足研究需要。

2 可调向心涡轮导叶间隙的设计原理

可调向心涡轮被应用到废气涡轮增压器上，通过调节导叶的开度，来提高涡轮的瞬态响应能力。为了实现导叶开度的可调，在导叶叶顶必然存在叶顶间隙。

涡轮高转旋转的过程中，导叶材料发生热膨胀。结果使导流叶片沿叶高方向伸长，造成导叶两端叶顶间隙值减小，引起相应叶顶泄漏流动发生相应改变。如果导叶叶顶间隙设计过小，导叶在受热膨胀后与轮缘或轮毂壁面发生接触，导致导叶的磨损甚至卡死，无法正常实现开度调节。叶顶间隙设计过大时，叶顶间隙流动就会增加，叶尖泄漏流动会带来较大的流动损失，而且泄漏流动向下涡轮游输运时，对转子气动性能将产生不利影响。

3 导叶间隙变化对可调向心涡轮性能的影响

图1首先给出原始可调向心涡轮结构示意图，其主要组成为：可调导叶、导叶旋转轴、导叶开度调节机构、轮毂、转子和轮缘，导叶开度通过导叶开度调节机构来调整。

数值计算在原始导叶叶顶间隙满足设计要求的前提下进行。对于导叶两侧间隙的控制可采用公式（1）来完成：

其中，ε为间隙比例系数指轮缘侧叶顶间隙占总间隙的比例；Gap1、Gap2分别为导叶与轮缘和轮毂侧的叶顶间隙，单位为mm。

图2为不同计算条件下轮缘侧叶顶间隙比例变化对涡轮性能的影响。每条曲线代表一种涡轮进口总压的情况，涡轮出口设定为标准大气压。由计算结果曲线可见导叶两端叶顶间隙的变化对涡轮性能产生重要影响，其中Gap1占间隙总和的20%以内时（即0≤ε≤20%），涡轮效率处于高值区域。

4 可调向心涡轮导叶间隙的自动调节方法

为达到可调向心涡轮导叶间隙的自动调节，从而实现上述目标，公式（1）变换得到如下公式（2）：

从公式（2）可知，在保证Gap2的情况下，只减小Gap1g來完成既定目的。

本文设计一种可调向心涡轮导叶叶顶间隙的自动调节装置，如图3所示。即在原始可调向心涡轮的基础上增加自适应调节组件，包括弹簧、止推机构和固定构件等。其中弹簧套装于导叶旋转轴并保证同轴安装，靠轮缘侧与导叶旋转轴的固定挡环与之接触，弹簧另一端固定连接于固件。弹簧用于实现Gap1的自适应调节，Gap1的行程与弹性系数及导叶材料膨胀系数有关。轮缘侧旋转轴支撑为游动形式，旋转轴外侧弹簧为常态压缩状态，起到了止推作用，同时保障导叶始终与轮毂侧止推机构相接触，避免导叶的非膨胀性轴向窜动。左侧止推机构采用向心推力轴承的形式，用以阻止导叶向轮毂侧移动，但允许其转动，这样就保证了导叶与轮毂侧存在原始设计间隙Gap2。

这样，当导叶热膨胀沿旋转轴轴线伸长时，在轮毂侧轴向止推及轮缘侧弹簧力共同作用下，导叶与轮毂侧壁面的间隙（Gap2）基本不变。对于轮缘侧，导叶热膨胀使旋转轴向该侧游动，压缩弹簧并减小了间隙；相应因旋转轴膨胀而产生轴向推力也被弹簧力所平衡。最终导叶的热膨胀尺寸全部释放于轮缘侧，而旋转轴产生的热膨胀功则转化为弹簧压缩功。

5 结论

（1）可调向心涡轮导叶叶顶叶顶间隙设计过小，容易导致导叶膨胀后与固壁接触而产生磨损或卡死；间隙设计过大时，间隙流动就会增加，叶尖泄漏会对下游流场产生不利影响。

（2）数值计算表示，轮缘侧叶顶间隙比例变化对涡轮性能的产生影响。当导叶靠近轮缘侧的间孙占间隙总和的20%以内时，涡轮效率较高。

（3）文中提出一种导叶间隙的自动节方法，当导叶受热膨胀时，其轮缘侧弹簧受迫压缩，对应间隙减小。该方法可以自动适应导叶的膨胀程度，而且也避免因导叶膨胀后可能发生与轮缘/毂接触或卡死的情况。

项目支持：河北省高等学校科学技术研究项目（ZD2016095），邯郸市科学技术研究与发展计划项目（1621212047-2）。