向心涡轮喷嘴出口气流角的数值研究

刘 莹，马国玲，葛 炜，佟 鼎，王晓春，杨 磊，黄 磊，白军爱，蒋 婧

（1.中国北方发动机研究所（天津），天津 300400；2.大同北方天力增压技术有限公司，山西 大 同 037036；3.中国人民解放军96627部队，北京 100085）

喷嘴出口气流角对涡轮流通能力有很大影响，合理的气流角能降低气流在流入涡轮叶轮过程中的攻角损失，提高涡轮效率［1］。简单涡轮箱模型中认为出口气流角在全周的分布是均匀的，然而涡轮箱内的流动非常复杂，存在流体进入叶轮、叶轮内的压力脉动影响涡轮箱内流动、涡轮箱喉口区域回流等现象［2－4］。常婉帜等［5］采用 Fluent软件对涡轮进行了整机计算，获得了在不同转速下的气流角与总压损失系数，发现气流角与膨胀比没有直接关系，在不同的膨胀比下，总压损失系数是变化的。魏希辉等［6］采用Numeca软件对H1F混流涡轮进行了整机计算，涡轮流量特性和试验结果吻合较好，确立了相对准确的工程计算模型。杜鹃等［7］采用Fluent软件对叶片通道进行了稳态模拟计算，获得了叶轮内部的压力、温度、速度等详细分布。王仁人等［8］通过IFA300热膜风速仪X型探针测量了涡轮箱内的速度场，分别测量了vx，vy，vz3个方向的速度，并对3个速度的分布进行了分析研究。利用三维CFD仿真方法对气流角的影响因素进行分析，相关报道较少，本研究对涡轮整机进行了模拟计算，研究了不同参数对气流角的影响。

1 计算模型建立及验证

本研究采用某涡轮增压器的向心涡轮作为研究对象，该涡轮采用无叶喷嘴环结构。针对该向心涡轮采用Numeca软件对其进行数值研究，网格划分模型及网格分布见图1。涡轮箱的网格为六面体网格，采用IGG模块手动划分，涡轮叶轮与出口段的网格采用Autogrid模块自动生成，最终生成相对质量较高的网格。

由于计算资源的限制，本研究采用单流道计算，计算参数选用理想气体和Turbulent Navier－stokes数学方程，湍流模型采用S－A一方程模型。固体壁面条件为不渗透、无滑移、绝热边界条件；R／S交界面采用守恒性混合面处理方法；根据试验数据和经验设置进出口等边界条件，全局残差下降到3.5个数量级，进出口流量误差不超过0.2%时，计算结果满足收敛的标准。

图2示出CFD计算与试验结果的对比。图中所用的流量为相对相似流量（此流量为实际相似流量与某一参考相似流量的比值，后面出现的效率和流量值均为相对值）。从图2可以看出，在不同转速工况下，流量的试验值均比计算值高一些，但最大误差不超过7%。产生误差的原因是在涡轮特性试验中采用发动机废气推动涡轮做功，由于条件的限制，无法标定特性试验中废气的具体成分及物理参数，因此在CFD计算中采用理想空气进行研究，导致试验值要比计算值高一些，但对于定性分析涡轮喷嘴出口气流角的分布情况，计算模型也是真实可信的。

2 性能分析

图3示出增压器涡轮效率和流量特性。由图3可以看出，在不同的转速下，效率随膨胀比的增大均呈现先增大后减小的趋势，在某一膨胀比下获得该转速下的最大效率。流量也随膨胀比的增大而增大，流量一定时，转速越高膨胀比越大。这是因为随着转速的增大，涡轮的离心力增大，克服离心力所需要的膨胀比增大，获得相同流量对应的膨胀比也增大。

图4示出不同增压器转速下的涡轮箱总压损失系数［5］对比。由图4可以看出，不同转速下，涡轮箱的总压损失系数随膨胀比的增大而增大，在相同膨胀比下，随着转速的增大总压损失系数不断减小。这主要是因为膨胀比相同时，转速越高对应的涡轮流量越低，气流在涡轮箱中的流动损失也越小。

3 喷嘴出口气流角分析

喷嘴出口气流角［9－10］对涡轮的性能有重要的影响，合适的喷嘴出口气流角能降低气流的冲角损失，有效提高涡轮效率。

3.1 膨胀比对喷嘴出口气流角的影响

图5示出膨胀比对喷嘴中间截面出口气流角的影响。由图5可以看出，不同的转速下，喷嘴出口气流角对膨胀比的变化不太敏感，与膨胀比没有明显的直接关系。可以认为随着膨胀比的变化，出口气流只是增大了速度的大小，而方向基本不变。在0°～60°周向角区域内，不同膨胀比工况下，气流角分布均存在一个明显的波谷区域，这是由喉口附近复杂的气流运动导致的，这与文献［5］得到的结论相同。

另外可以看出，在相同转速下，喷嘴出口气流角在0°～180°周向角区域内的分布随膨胀比的变化基本不变，而在180°～360°周向角区域内，膨胀比对喷嘴出口气流角分布影响稍大，并在180°～240°周向进气区域内存在相对较大的波动。图6、图7示出增压器转速为60 000r／min，膨胀比为1.6时涡轮箱喷嘴出口截面切向和径向速度分布云图。从图6可以看出，切向速度在蜗舌附近和180°～220°周向度位置附近存在明显的低速区，蜗舌附近要更低，其他周向角内切向速度分布比较均匀。从图7可以看出，径向速度在蜗舌附近存在明显的高速区，在周向角90°～150°范围内存在明显的低速区，其他周向角范围径向速度分布比较均匀。蜗舌附近切向速度较小、径向速度较大，导致蜗舌附近的气流角较小，这解释了在周向进气角0°～60°范围内出现明显波谷的原因。在周向角180°～220°范围内切向速度较小，径向速度变化不大，这导致在周向角180°～240°范围内出现一小的波谷。

3.2 喷嘴宽度对喷嘴出口气流角分布的影响

图8示出不同转速下膨胀比为1.6时，不同喷嘴宽度（喷嘴宽度的百分比是以涡轮叶轮轮背为基准，所截截面宽度与喷嘴环宽度的比值）对应的气流角分布。由图8可以看出，不同喷嘴宽度对应的周向气流角分布不同，30%和70%喷嘴宽度对应的喷嘴出口气流角分布趋势基本相同，只是前者比后者稍小。10%和90%喷嘴宽度对应的喷嘴出口气流角在0°～60°范围内有一个小的波峰，并且在全周范围内相对其他喷嘴宽度对应的气流角较小，其中90%喷嘴宽度对应的喷嘴出口气流角最小。在0°～60°范围内，气流的掺混造成50%喷嘴宽度附近产生低速区，增加了靠固壁端的气流速度，使气流角在此范围有一个小波峰。图9示出涡轮箱不同截面径向速度分布云图。由于几何结构，气流在流过靠近喷嘴环两端时迅速加速，在喷嘴环宽度范围内形成两侧速度高、中间速度低的分布，使10%和90%喷嘴宽度对应的气流角较小。

3.3 转速对喷嘴出口气流角的影响

图10示出不同喷嘴宽度、不同转速下的喷嘴出口气流角的分布。由图10可以看出，在不同的喷嘴宽度位置，喷嘴出口气流角的分布随转速的变化基本不变，与转速没有明显的直接关系。

4 结论

a）在不同转速下，涡轮箱的总压损失系数随膨胀比的增大而增大，在相同膨胀比下，随转速的增大，涡轮箱的总压损失系数不断减小；

b）不同转速下，喷嘴出口气流角随膨胀比的变化基本不变，在0°～60°周向角区域内，不同膨胀比工况下气流角分布均存在一个明显的波谷区域，这主要是因为蜗舌附近复杂的气流运动导致切向速度较小、径向速度较大，使蜗舌附近的气流角较小；

c）不同喷嘴宽度对应的周向气流角的分布不同，30%和70%喷嘴宽度对应的喷嘴出口气流角的分布基本相同，10%和90%的喷嘴宽度对应的喷嘴出口气流角在在全周范围内相对其他喷嘴宽度对应的气流角较小，其中90%喷嘴宽度对应的喷嘴出口气流角最小；

d）在不同的喷嘴宽度位置，喷嘴出口的气流角的分布与增压器转速关系不大。

［1］ 杨 策，施 新.径流式叶轮机械理论及设计［M］.北京：国防工业出版社，2004.

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

［3］ 王延生，黄佑生.车用发动机废气涡轮增压［M］.北京：国防工业出版社，1984.

［4］ 陆家祥.柴油机涡轮增压技术［M］.北京：机械工业出版社，1999.

［5］ 常婉帜，戴 韧，邢卫东，等.增压器涡轮性能试验与CFD计算方法的研究［J］.车用发动机，2007（6）：68－71.

［6］ 魏希辉，施 新，杨 策.H1F涡轮增压器混流涡轮级的CFD研究［J］.车辆与动力技术，2007（4）：43－46.

［7］ 杜 鹃，张 翼，杨 帆，等.涡轮增压器涡轮内部通道的流动特性分析［J］.小型内燃机与摩托车，2010（5）：44－46.

［8］ 王仁人，万金领，张锡朝.VGT蜗壳流道截面上速度分布的试验研究［J］.内燃机学报，2001，19（1）：88－91.

［9］ 刘 莹，朱智富，王桂华，等.向心涡轮叶轮顶切的数值研究［J］.车用发动机，2012（1）：5－9.

［10］ 王 航，刘 莹，朱智富，等.周向进气角对部分进气涡轮性能影响的数值研究［J］.车用发动机，2012（2）：70－74.