某型轴流涡轮喷嘴冲角特性研究

王雪东 王银燕 杨传雷 王贺春

摘要：涡轮的流量特性和效率特性，对涡轮与柴油机的匹配有重要影响。文章中保持涡轮边界条件相同，改变轴流涡轮喷嘴的冲角，并采用三维数值模拟，对某型轴流涡轮喷嘴冲角特性进行了数值计算和流场分析。结果表明，发动机两个工况下，在-40°-50°冲角下，涡轮内气体流动稳定，流量收敛，在-40°-40°范围，涡轮流量值相差不到0.4%;两个工况下涡轮最高效率冲角约为-30°，增加或降低该冲角，涡轮效率逐渐下降，工况越低，效率变化越明显。

Abstract： The flow rate and efficiency characteristics of the turbine have an important influence on  turbine and the diesel engine matching. This paper keeps the same turbine boundary conditions， changes the incidence of a axial turbine nozzle， the numerical calculation and flow field analysis on incidence of a turbine nozzle were carried out by the use of 3D numerical simulation. The results show that under the two working conditions of the engine， at theincidence of -40°-50°， the flow in the turbine is stable and the flow rate converges. Within the range of -40°-40°， the turbine flow rate difference is less than 0.4%; Under the two working conditions， the incidence of best efficiency is about -30°， if the incidence is increased or decreased， the turbine efficiency will gradually decrease. The lower the engine working condition is， the more obvious the efficiency change will be.

關键词：喷嘴冲角;涡轮特性;流场;数值模拟

Key words： incidence of nozzle;characteristics of turbine;flow field;numerical simulation

0  引言

发动机是机械系统的核心部件，进气形式有自然吸气、机械传动式涡轮增压和废气涡轮增压三种[1][2]。采用机械传动涡轮增压会损耗发动机功率，增加油耗。为减小功率损失，采用废气涡轮增压来驱动压气机是比较可行的做法。随着发动机朝着高功率密度、高效率和低油耗发展，除了保证增压系统与发动机实现良好地匹配，还应使增压器涡轮向高效率方向发展。

此前的研究大多集中于涡轮内部流动情况、涡轮叶片的分析，并且主要研究对象为径流式涡轮。轴流式涡轮相比径流式向心涡轮的主要优点是流通能力强、高效率的流动范围宽。

柴油机是船舶中使用最广的动力装置，现代柴油机大多采用废气涡轮增压。废气涡轮增压是应用普遍的增压技术，可以提升柴油机功率，降低油耗。废气涡轮增压器与柴油机匹配效果的好坏主要与增压器中涡轮、压气机的流量特性和效率特性有关[3]。

如果涡轮与压气机或柴油机匹配运行时的绝热效率偏低，则说明涡轮内部流动情况恶化，可能会造成涡轮做功量无法满足压气机需求，增压压力降低，进气量减少，柴油机气缸燃烧恶化，排温过高等问题[4]。

若提高涡轮与柴油机匹配时的绝热效率，可以使涡轮功率增加，提升柴油机的进气量，使柴油机进气与喷油量同步，改善燃烧，进而提升柴油机的性能[5]。

本文应用三维流场数值计算模拟方法，利用流体仿真计算软件NUMECA对涡轮内部流动进行了分析。NUMECA是计算流体力学软件的后起之秀，软件核心算法使用Runge-kutta法，求解雷诺平均N-S方程。并采用残差光顺和多重网格加快收敛速度。基于柴油机不同运行工况，对某型涡轮喷嘴环不同冲角下的流动状态进行了对比，研究了涡轮效率与涡轮喷嘴进气冲角的关系。

1  数值模拟方法

1.1 涡轮叶片实体模型的建立

涡轮三维模型的建立有很多种方法。由于本文涡轮运行状态是基于某型四缸直列低速柴油机，因此，涡轮设计参数的选取对与低速柴油机的良好匹配有至关重要的意义。本文涡轮叶片模型的设计是基于叶轮机械造型软件NREC。NREC是一款新型的与流体机械密切相关的设计软件。内含Rital（径流涡轮一维设计）、Axial（轴流涡轮一维设计）、Compal（离心式压气机一维设计）、Axcent（一维到三维转化）等模块，本文采用Axial及Axcent模块，完成轴流涡轮叶片的三维模型设计。

涡轮参数的选取自某型船用低速机标定工况下涡轮进口及出口的参数。具体参数见表1。

NREC的优点在于，用户无需进行复杂且耗时的叶片型线的设计。只需将涡轮进出口条件，及影响涡轮性能的关键参数，如反动度、流量系数、负荷系数等输入，便会得到想要的涡轮几何数据。图1为涡轮叶片子午视图。图2为涡轮三维模型示意图。表2为涡轮基本参数。

1.2 网格划分

网格划分采用NUMECA软件包中的Autogrid模块，Autogrid是一款专为叶轮机械设计的网格划分软件，生成速度快，网格质量好，入口段为喷嘴前25mm处，出口段为动叶都25mm处。涡轮网格划分才用HCH网格，将网格通道分成5个网格区域，绕叶片区域单独采用C型结构，来满足流体绕叶片流动特征的捕捉。喷嘴网格数843087，动叶网格数1312505，最小正交性33.24，最大长宽比202.53，最大延展比1.8579。网格图3为涡轮喷嘴网格图。图4为喷嘴尾缘处网格示意图。

1.3 边界条件

本次计算通过给定进口总压、进口总温、转速、出口静压，来对涡轮内部流动进行数值模拟。改变涡轮喷嘴入口冲角，来研究冲角对涡轮效率的影响。

1.4 湍流模型及收敛条件

本次计算采用的是Spalart-Allmaras湍流模型，来求解定常粘性Navier-Stokes方程，该模型是Reynolds平均法中介于零方程模型和两方程模型间的一方程模型，能在保证计算精度的同时加快运算速度[6]。

计算中的收敛条件：全局残差下降三个量级以上;进出口流量相对误差不超过0.5%，且不再发生变化。

2  计算结果及分析

2.1 涡轮工作过程焓熵图

废气流经涡轮做功时，其压力、焓值、熵值的变化可以用焓熵图清楚的表示，如图5所示。

涡轮效率的定义为：实际过程气体膨胀到出口压力对涡轮所做的功与理想的气体定熵膨胀到出口压力气体做功的比值，涡轮效率计算公式为：

2.2 涡轮流量随冲角的变化

分别在柴油机100%负荷及50%负荷工况，保持进出口边界条件一致。冲角范围从-70°-60°，每隔10°计算一个涡轮流动工况点，观察涡轮流量的变化。

经计算发现，在涡轮喷嘴大冲角（-70°，-60°）下，迭代600步之后，通过涡轮的流量仍未收敛，并有不规律的波动情况，图6为100%工况下涡轮-30°-60°、-70°冲角涡轮   流量收敛史追踪图。图7显示了迭代结束时流量变化。

图6显示了涡轮大冲角及小冲角情况流量随迭代次数的变化情况。从图中明显看出，喷嘴冲角为-60°时，进口流量和出口流量从迭代开始至迭代终止都在波动，冲角为-70°时，出口流量随着迭代次数增加趋于稳定，而进口流量自始至终都在无规则变化。喷嘴冲角为30°时，流量随迭代收敛于某一定值，且不在随迭代改变。

经计算发现，除了大冲角情况，其他情况下迭代结束时流量都已收敛，在柴油机100%负荷及50%负荷下流量收敛的冲角范围均为-40°-50°，而大冲角情况，无法给出准确流量值。

图8说明，在流量收敛的冲角范围内，通过涡轮的流量值相差不大。在-40°-40°冲角下流量值相差不超过0.4%。其他冲角下的涡轮流量无法收敛，无法在图8中给出。

2.3 涡轮效率随冲角的变化

涡轮流量随迭代次数的变化表明了涡轮内气体流动的稳定性。涡轮绝热效率则反映了气体流经涡轮的做功能力，效率高则涡轮能量的利用程度高，涡轮损失低。

由2.2可知，涡轮流量收敛的冲角范围为-40°-50°，其他沖角下，流动状态不稳定，因此本文只对稳定流动下涡轮效率进行分析。涡轮效率的计算方式见式（1）。柴油机不同负荷下涡轮效率随冲角的变化由图9和图10给出。

图9和图10表明，在柴油机不同负荷下，涡轮效率最高时的冲角不是0°，而是在-30°，并且随着冲角逐渐增加或降低，涡轮效率呈下降的趋势，且在50%负荷时，效率下降更明显。

2.4 仿真云图

在发动机100%工况下，在流量收敛的冲角范围内，选取-30°、0°、30°、50°冲角，分析涡轮在四个喷嘴冲角下叶高中部截面压力、熵的分布。

2.4.1 压力分布图

从图11-图14可看出，涡轮压力从进口到出口呈总体下降的趋势，在经过工作轮之后压力的降低尤为明显。

在喷嘴冲角为30°和50°时，在靠近喷嘴前缘及吸力面处，出现了局部小压力区域，且越靠近前缘和吸力面，压力越小，说明在冲角由0°增大时，由于来流气体与轴向成一定角度进入喷嘴环，在喷嘴环前缘及吸力面侧发生撞击，造成气体压力急剧下降，流动损失增加，涡轮效率降低。在喷嘴冲角为-30°及0°时，未出现明显的局部小压力区域，气体流动相比于前者较好。

涡轮动叶中的压力分布较复杂。四个冲角下，气体经过喷嘴的膨胀加速，撞击在动叶前缘及动叶压力面中部，使局部压力升高（如上图动叶红色区域），并形成靠近动叶前缘面与靠近动叶尾缘面两个局部低压区域（如上图绿色区域），造成压力损失，使涡轮效率有所降低。

综上所述，喷嘴冲角由-30°变化到50°，涡轮内部流动情况逐渐变差，因冲角造成的损失主要发生于喷嘴前缘及吸力面，不同冲角下动叶压力分布基本相同。这符合了图9中涡轮效率的变化曲线，即冲角由-30°到50°，涡轮效率逐渐降低[7]。

2.4.2 熵分布图

熵值是物体无规则运动的体现，在涡轮中反映了气体流经涡轮时的损失，熵越大，表明气体无规则运动越明显，涡轮内损失越大，良好情况下涡轮内流动熵的分布应是从进口到出口熵平缓增加。

从图15-图18可以看出，涡轮熵从进口到出口呈总体增加的趋势，只在动叶压力面处出现局部小熵区域。

喷嘴流道内，50°冲角时，在喷嘴吸力面处，出现局部熵增区域，该区域从前缘吸力面开始，一直蔓延到尾缘出口，使局部损失增大，并将影响气体流经动叶时的流动。其他冲角下，喷嘴吸力面未出现明显的熵增区域。

动叶流道内，各个冲角下，在靠近前缘的压力面处出现局部熵增区域（如动叶红黄色区），且随冲角从-30°变化到50°，局部熵增变化越明显。由2.4.1中压力分布图可知，该区域的流体极可能出现涡流。涡流产生的原因是喷嘴来流与动叶接触面主要在动叶压力面中部，还有一部分在动叶前缘吸力面处，在这两区域中间部分，由于来流气体不直接作用在其表面，故而产生涡流[8]。

在動叶压力面的熵值明显小于吸力面侧。且-30°、0°、30°冲角的小熵值区大于50°冲角时的小熵值区。各个冲角下动叶压力面和吸力面熵值分布的不均，从动叶上游区一直延续到了动叶下游区。

由上可知，涡轮因冲角变化引起的损失主要来源于喷嘴吸力面侧的气体撞击影响、动叶压力面的涡流及动叶压力面、吸力面流动的不均匀。冲角由-30°变化到50°，涡轮内的损失逐渐增加，与2.3中图9的效率曲线相符。

3  结论

①通过对柴油机100%负荷和50%负荷下单级轴流涡轮的研究得出，在大冲角下，涡轮内流动不稳定，无法收敛。使流量收敛的冲角范围为-40°-50°，且在-40°到40°冲角下，流量值相差不到0.4%。

②涡轮最高效率的喷嘴冲角在-30°附近，随着冲角逐渐增大或减小，涡轮效率逐渐下降。发动机工况越低，效率的变化越明显。冲角变化造成的损失主要来源于喷嘴吸力面气体撞击、动叶压力面涡流及动叶压力面、吸力面不均匀的流动。

参考文献：

[1]Shuo Liu，Yi Cui，Yi Wang，Kangyao Deng，Sheng Liu. An evaluation method for transient response performance of turbocharged diesel engines[J]. Energy，2019，182.

[2]Sunil Kumar Pandey，Suryanarayana Vandana，S.R. Sarma Akella，R.V. Ravikrishna. Potential of Early Direct Injection （EDI） for simultaneous NO x and soot emission reduction in a heavy duty turbocharged diesel engine[J]. Applied Thermal Engineering，2019，158.

[3]杨伟.慢速船上柴油机和涡轮增压器配合影响因素与特性研究[J].科技资讯，2019，17（13）：76-77.

[4]张海磊.发动机不同工况下涡轮增压器轴向气动作用力形成机制研究[D].中北大学，2019.

[5]邢世凯，马朝臣，吕伟，陈山.叶轮冲角变化对叶轮效率的影响[J].科技导报，2012，30（33）：27-30.

[6]X.F. Yuan，W.R. An，Y.W. Ju，S. Antonov，Z.N. Bi，W. Li，J.T. Wu. Evaluation of microstructural degradation and its corresponding creep property in integral cast turbine rotor made of K424 alloy[J]. Materials Characterization，2019，158.

[7]芦成英.可变截面涡轮增压器（VGT）流场分析[D].大连交通大学，2012.

[8]Spence S W T， Artt D W. An experimental assessment of incidencelosses in a radial inflow turbine rotor [J]. Journal of Power and Energy，1998， 212（A1）： 43-53.