涡轮增压器压气机叶轮与压壳相对偏心对性能的影响

张海佳 张宸宇 蒋荔荔 侯尧琪

摘要：涡轮增压器的压壳和压叶轮在批产时会发生一致性差异，原因包括在铸造开模过程偏差，不同供应商生产差异，及装配过程产生偏差，这些均会导致压轮及压壳在一定程度上相对位置有所偏移。本文对涡轮增压器偏心、偏转问题进行了模型建立，评估不同方向的偏心、偏转对增压器压端性能的影响。通过CFD仿真分析结果表明：偏心和偏转情况均会使性能产生不同程度的下降，尤其是在低转速时更加明显。

Abstract： Due to the deviation in casting mold process ， different suppliers， and deviation in assembly process， there's some consistency issue in the manufacture of compressor scroll and impeller， this will result in the axis offset between the compressor scroll and the impeller. The model are created to simulate the offset and deflection， and the CFD analysis was done to evaluate and quantize the influence of offset and deflection in different directions. The CFD results shows that the offset and deflection will have a negative effect on performance，especially  at low speed region.

关键词：涡轮增压器;压轮;压壳;偏心

Key words： turbocharger;impeller;scroll;offset

中图分类号：U463.6                                 文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）24-0007-03

0  引言

目前随着国六的实施及排放法规的日益严峻，各大主机厂以及零部件厂商都在不断完善自身产品推出各项新技术以满足排放法规的要求，在发动机零部件中，涡轮增压器作为发动机在节能减排降低油耗方面的关键零部件，利用发动机排出的废气做功带动涡轮转动，涡轮带动与之同轴的压叶轮转动，使得压叶轮可以压缩更多的空气进入气缸，通过提高发动机进气量增大进气压力和密度可以使发动机燃烧更多的燃料达到提高功率及扭矩输出，目前已经成为商用车以及乘用车发动机的主流技术。

涡轮增压器性能的核心部件为两轮和三壳以及转轴部件，其中压壳和压轮组成了压端，其性能对增压器的整体性能影响至关重要[1]。而在压轮和压壳的生产、加工、装配过程中，由于铸造开模过程模具磨损等本身的偏差，不同供应商生产加工能力的差异，及装配过程产生偏差及会导致压轮与压壳不在相同轴心线上。由于增压器流道和叶轮制造加工的复杂性，比较不同的偏心偏转方式对性能的影响无论是从制造成本，时间成本，人力和实验测试成本方面来讲都需要巨大的投入，因此在研究初期使用creo进行基本概念的搭建，使用CFD进行模型得到压气机内部流场的细节分析和关键参数的定性定量研究。本文对涡轮增压器压端会产生的偏心问题进行了模型建立，通过CFD模拟分析评估对于不同方向的偏心、偏转导致增压器压端性能的差异。

1  模型建立

选取某型号直径为58mm压轮的压气机为研究对象，压气机整个运行状态中被压缩的空气所经过的区域即流体域，提取其中的流体区域进行模型的初步搭建。坐标布置方向如图1所示，旋转中心轴定义为Z轴，沿着气流入口方向定义为Z轴负方向，沿于压壳出口的方向为X轴正方向，与出口垂直并靠近关键截面积方向定义为Y轴的正方向。基本方向的定义如图1所示。

压叶轮旋转的区域定义为旋转域，压壳及扩压器部分和进口区域定义为静子区域。在旋转域和静子域之间使用冻结转子法，由于实际过程中压轮和压壳发生的是相对位置的位移，因此从模型简化的角度考虑我们使转子域保持固定位置不变，静子域即压壳和扩压器调整相应的位置使转子域和静子域旋转轴产生相对位移，从而评估所产生的位移对性能产生的影响。

虽然传统的实验研究方式对于压气机的研究有着非常重要的意义和价值，由于实际过程中0.1至1mm的偏差距离及1°的偏转角度均很小，加上公差允许范围的铸造误差、实际装配过程中的误差，很难准确的保证所研究的1mm差异，因此本研究采用Creo进行建模设计，精准的控制偏移偏转的位置，使用Ansys-CFX模拟分析定量的流量、效率、压比等关键性能参数，后期加工能力如果能够保证0.1mm的精度，可以再补充相应的实验验證。本研究中气体的定义为理想气体，材料属性遵循理想气体的热物性。忽略压气机壳与周围空气的传热过程，整个流体区域为绝热状态，分析中湍流模型采用适用于高速可压缩的SST的计算模型。传热模型使用Total Energy充分考虑边界层的影响，在流体所有流经的壁面设置边界层，流体假定为粘性无滑移的理想气体。[2-3]流体部分模型如图2所示。使用网格划分工具ICEM划分不同区域的网格，其中旋转域网格总量约300万，静子域网格量约200万，参考其他学者的研究，此网格数量已完全可以满足网格无关性验证。[4-5]为了保证计算的收敛性更好，在流体域的进出口添加了延长段。在计算过程中，为了保证结果的准确性，定义残差值在小于1e-05之后认为结果可信。

根据实际的运行工作条件，需要给定流体域进出口边界条件及对应的增压器转速，本计算中，根据增压器的实际应用场景，选取了最常用的两组运行工况所对应的转速，计算模型变化前后的整条转速线进行比较。

算例的仿真边界参数如表1。

1.1 旋转轴偏心的研究

在本文的分析中，初始基准模型为转子和静子域均保持初始的理想设计位置不变。在本节中，模拟静子域和转子域在周向发生相对位置变化时带来的性能差异。根据真实情况使静子域在Z平面保持不变的前提下，分别向X、Y正负方向平移1mm建立研究模型，分别计算不同方向的偏移量下的效率和压比（见图3），旋转域如前文所述保持固定位置不变。

从CFD仿真模拟分析的结果可知（见图4）：

①四种偏心情况均会使性能产生不同程度的下降，尤其是在低转速区域时更加明显。

②Y正方向的偏移可导致效率下降约1%，Y正方向及X正方向的偏移对效率影响更大。分析原因主要是因为偏移方向对压壳0截面及关键截面位置影响更大，导致扩压器及流道的面积分布偏离了最初的设计，改变了整体面积A的线性分布趋势。

③四种偏心情况对压比的影响均很小。

1.2 旋转轴偏转的研究

本节中，研究压壳的旋转轴和压叶轮的旋转轴发生相对角度的位移时的情况。保持转子域不变，使流道旋转轴原点位置保持不变，旋转轴分别沿平行于X轴的方向、平行Y轴方向偏转1°，分别计算不同的偏移量下的效率和压力。具体的偏转前后的情况如图5所示。

从CFD仿真模拟分析的结果可知：①两种偏转情况均会使性能产生不同程度的下降，尤其是在低转速时更加明显。向X方向偏移1°对性能的整体影响大于向Y方向偏移1°。②压壳的转轴的偏移对压比影响不大，但是对效率有最大约1%的影响。在低速区域的X方向的偏转效率下降1.13%，在高速区域效率下降大约0.49%。在低速区域的Y方向的偏转效率下降1%，在高速区域效率下降大约0.45%（见图6）。

1.3 扩压器相对位置的影响

根据扩压器的平面与压叶轮的出口上表面可能存在相对位置的差异。本研究中保持扩压器的宽度不变，使扩压器相对于转子的位置整体分别上移和下移0.1mm，分析扩压器的相对位置偏差对增压器压端性能的影响。初始模型与扩压器相对位置产生差异的模型对比如图7所示。

从CFD仿真模拟分析的结果可知（如图8），扩压器相对转子位置整体上移0.1mm会导致效率下降约1%，而扩压器相对转子整体下移0.1mm可以使效率在低速区提升大约0.5%。通过对计算结果分析可知，实际生产过程中由于考虑到漏油的可能性，一般使扩压器下平面的位置高于輪背，而理想中的扩压器位置是与压叶轮入口起始位置平行，可以减少流动过程中流动损失，因此扩压器下平面靠近轮背方向，会使产品更接近理想状态，效率达到提升。在整个压端的设计过程中遵顼的原则是平衡，既要平衡性能也要保证产品的可靠性，在扩压器和压轮位置产生相对位移时需要均衡考虑两方面带来的影响，在保证产品可靠性的基础上，将对性能的影响做到最优。

2  结论

涡轮增压器的压壳和压叶轮由于样件铸造开模过程偏差、不同供应商生产差异、及装配过程产生偏差均会导致压轮及压壳在一定程度上相对位置有所偏移。本文对可能发生相对位置差异的三种情况进行了建模及模型简化，并对产生的差异进行流体仿真得到性能差异的定量分析结果。仿真分析结果表明：压叶轮和压壳在相对位置偏心1mm及旋转轴偏转1°的情况的下，可以使效率下降，尤其是在低转速工况时更加明显，效率下降约约1%。而扩压器位置的向入口侧偏移会在一定程度上造成效率的下降，反之则效率会上升但漏油风险升高。因此实际生产过程中需要从图纸公差、加工检测要求、及添加某些控制特征的方式使压壳和压轮的相对偏心偏转量达到最低，以防止增压器的压端效率因此下降。

参考文献：

[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.

[2]任济民，梁前超，贺星，等.离心压气机优化设计与流场仿真分析[J].热力透平，2019（1）：47-52.

[3]杨策，马朝臣，王憔，等.离心压气机的初步设计及其优化方法[J].内燃机学报，2001，19（5）：454-458.

[4]XuC，Amano R S，Design System Development for a Fuel Cell Centrifugal Compressor[J].International Journal of fluid mechanics and thermal science，2019，5（4）：96-101.

[5]Abdelmadjid C，Mohased S A，Boussad B .CFD Analysis of the Volute Geometry Effect on the Turbulent Air Flos through the Turbocharger Compressor [J].Engrgy Procedia，2013，36（2）：746-755.