双通道蜗壳径流涡轮的设计与流动机理研究

刘云堃， 杨名洋， 邓康耀， 陈化， Ricardo Martinez-Botas

(1. 上海交通大学， 上海 200240； 2. 柴油机增压技术国家重点实验室， 天津 300400；3. 帝国理工学院， 伦敦 SW7 2AZ)

双通道蜗壳径流涡轮的设计与流动机理研究

刘云堃1， 杨名洋1， 邓康耀1， 陈化2， Ricardo Martinez-Botas3

(1. 上海交通大学， 上海 200240； 2. 柴油机增压技术国家重点实验室， 天津 300400；3. 帝国理工学院， 伦敦 SW7 2AZ)

低负荷下的扭矩对于小型发动机十分重要，其决定了汽车的驾驶性能。配有双通道蜗壳的涡轮已被证实在瞬态性能和气缸扫气方面具有极大优势。本研究通过数值方法，比较了不同部分进气条件下双通道径流涡轮的性能。设计了一个双通道径流涡轮，以达到某国外混流涡轮(带有可变喷嘴的涡轮A)的流通能力。借助软件ANSYS-CFX，采用稳态数值模拟方法来实现全部进气和部分进气条件下涡轮的性能预测。基于不同进气条件(叶根进气HI和叶尖进气SI)的性能比较结果进行流动机理分析。结果显示SI比HI具有更好的性能，且传递到叶轮的流动在通道内产生了完全不同的涡流结构。对于HI进气，产生于叶轮叶根处的涡流逐渐迁移到叶尖区域，而SI进气正好相反，这即是HI进气较SI进气具有更高流动损失和更差性能的原因。

涡轮增压； 径流涡轮； 双通道蜗壳； 部分进气； 流动分布； 仿真

随着低碳出行需求的不断增加，汽车行业必须开发出更为高效与小型化的发动机，其中最为有效的方法就是使用涡轮增压。涡轮起着回收废气能量的关键作用，因此吸引了大量的研究。由于气缸的间隔点火，发动机歧管内的废气发生显著脉动。为了使多缸机达到更好的扫气性能和加速性能，双通道蜗壳被广泛应用于涡轮当中[1-3]。在实际脉动条件下，双通道蜗壳两支进口的瞬态压力总是不同的，这些情况被认为是部分进气；而全部气流经由叶尖处或叶根处进入的极端情况也要考虑在内[4-5]。

双通道涡轮的流通特性对于发动机与涡轮增压器的匹配是至关重要的，但是目前关于配有双通道蜗壳的涡轮的研究还很少。针对单通道涡轮的一维性能预测模型已被广泛关注[6-8]，但是双通道涡轮的一维模型还没有进入人们的视野。C. F. Fredriksson，QiuXuwen和N. C. Baines[9]将单通道涡轮模型扩展应用到了双通道涡轮，用来进行配有对称及非对称蜗壳涡轮的性能预测。对于蜗壳的混合损失，加入一个新的涡旋系数，并以总压损失的形式表现混合涡旋能量的损失。通过全部进气与部分进气条件下与试验数据的对比，可发现质量流量和效率的预测是可靠的，然而在低速时效率预测偏大。A. Hajilouy等[10]修改单通道涡轮模型以分析双通道涡轮。考虑到叶根处和叶尖处流动的相互影响，蜗壳的摩擦和尾流损失结合计算，叶根处和叶尖处流动差异造成的叶轮混合损失也须加入其中。通过求解包括叶轮入口处混合过程的控制方程，可计算出熵增情况和损失系数。将五个不同部分进气条件下的效率预测值与试验数据进行了比较，二者具有很好的一致性。但是，在叶尖区域进口全封闭时，由于混合损失的不精确造成了最大偏差。因此，双通道蜗壳的模型还需要更多的验证，叶轮部分也需要建立具有更高精度的模型。

本研究通过数值方法对不同部分进气条件下配有双通道蜗壳的涡轮的性能和流动进行了研究。首先对涡轮的设计过程进行简要介绍，然后对数值方法进行讨论和验证，最后对预测的性能和流动机理进行详细的分析。

1 双通道涡轮设计

以帝国理工学院开发的带有喷嘴的混流涡轮A为基础设计一款配有双通道蜗壳的径流涡轮。当叶片角为60°时，涡轮的流通能力、设计转速以及叶片数要和混流涡轮保持一致。入口叶片是径向的，为了叶轮效率的优化，设计点处的攻角为-20°。混流涡轮的蜗壳带有喷嘴，因此蜗舌和叶片前缘之间必须留有相当长的距离。对于无喷嘴的双通道涡轮，这个距离要缩短大约5 mm，以保证紧凑性和强度的平衡。为了保证来流进入叶轮的方向一致，蜗壳A/R的值要减少到28.5 mm。同时，为了保证环形来流分布的均匀性，A/R的周向分布必须是线性的。

两个涡轮的主要几何参数见表1。

表1 涡轮主要几何参数

径流叶轮和蜗壳内表面的详细三维几何形状见图1。现阶段尚未对涡轮的应力进行分析，因此厚度和倒角也还未优化。

图1 径流叶轮和双通道蜗壳

2 数值方法

当涡轮设计好后，用三维稳态CFD方法进行性能预测和流动分析。首先，对蜗壳和整个叶轮通道进行网格划分，蜗壳采用非结构化网格，而叶轮通道采用结构化网格。每个叶轮通道有约200 000个节点，蜗壳有约500 000个节点，总共有约3 400 000个节点。第一个单元的大小被定为2×10-2mm，以保证合理且有较小的y+值。涡轮详细的网格划分见图2。

图2 涡轮三维网格划分

RAN方程由软件ANSYS-CFX求解。湍流使用SST(Sheer stress transport)模型，此模型对于涡轮性能预测来说是可靠的[12]。进口总压和总温为进口边界条件，涡轮出口静压为出口边界条件，涡轮壁面采用绝热且无滑移壁面条件。为了捕获蜗壳对叶轮性能的影响，蜗壳和叶轮间使用固结转子法，在稳态模拟中，此方法对于蜗壳和叶轮之间相互作用的预测是一个合理的选择。

对于部分进气条件，蜗壳两支的进气压力通常是不同的。为了评估涡轮在部分进气条件下的流通能力，定义了几个评价参数。

压比：

质量流量参数：

速比：

式中：Rp为压比；m为质量流量；T为温度；p为压力；Pmf为质量流量参数；Rv为速比；v为叶片转速；Cp为比热；下标in表示进口参数；下标s表示静参数；下标t表示滞止参数。

采用数值模拟方法对48 000 r/min时双通道涡轮的流通能力进行预测，图3示出预测结果与混流有叶涡轮(叶片角为60°)和混流无叶涡轮(相同的蜗壳，但是去掉喷嘴)试验数据的对比。径流涡轮在设计时要求与混流涡轮具有相同的流通能力。由图3可以看出，最大偏差在2%以内，设计目标已经达到。图3b示出径流涡轮和两个混流涡轮的效率对比。在全部进气条件下，设计的径流涡轮的最高效率大约为0.79，这与混流有叶涡轮非常接近，但是明显高于混流无叶涡轮。这个现象是两个原因造成的：第一，无叶涡轮较长的空隙会导致更高的摩擦损失；第二，无叶涡轮流动角的变化是由蜗舌控制，而非喷嘴叶片。

图3 涡轮预测性能

根据预测结果与混流涡轮试验数据的对比可知设计目标已经达到，同时可证实CFD方法对于之后的分析也是可靠的。

3 结果分析

图4示出全部进气和两种部分进气条件下双通道涡轮的预测流通能力。为了方便地比较两种情况，气流由叶根处进入的情况命名为HI，由叶尖处进入的情况命名为SI。很明显，全部进气时具有最大的流通能力，HI进气与SI进气几乎具有相同的流通能力。这表明流通能力对于部分进气的涡轮两支并不敏感。蜗壳的两支在结构上是对称的，这与文献[9]中结果是不同的，文献中两种进气条件下的流通能力是不相等的。

图4 涡轮流通能力

全部进气条件下质量流量的一半如图中虚线所示。可以注意到，HI和SI的流通能力都比全部进气的一半要高。这一现象已在文献[8]中进行过讨论，文献指出HI和SI的流通能力一般比全部进气的一半高出10%～20%[8]。出于涡轮的安全性考虑，蜗壳分隔处和叶片前缘之间需要留有适当的距离。因此，在部分进气条件下，会有一定量的气流在压差驱动下越过蜗壳分隔处进入另一支，这就是研究者发现的导致更高流量的泄漏流。对于目前常用的涡轮，HI和SI进气通常比全部进气的一半高出约8%，这主要是蜗壳分隔处与叶片前缘间距离变小导致的。

图5示出SI情况下泄漏流量和压力间的关系。可以发现，泄漏流量(简单定义为图中穿过中间平面的质量流量)随着压力差的增大不断增加。此流量趋势与图4中的流量是吻合的，且泄漏流量约占总质量流量的40%～50%。

图5 部分进气时泄漏流量的预测值

为了比较不同进气条件下涡轮性能的差异，在相同的速比(全部进气的最高效率)下进行了详细的对比分析，蜗壳入口压力相同。表2列出全部进气、HI和SI时叶轮的性能和流动参数。全部进气时，叶轮的入口流动角为60.4°，与设计值非常接近。然而，在部分进气的HI和SI情况下，流动角分别增长到68.9°和66.8°，压比从1.64分别降低到1.51和1.54。HI情况下效率降低了17.4%，SI情况则降低了10.2%。虽然两种情况下的压比非常相似，但SI的效率还是明显高于HI。值得注意的是，蜗壳两支的结构是对称的，则两种情况下蜗壳两支内的流动模式也是相似的，这可以从蜗壳出口相似的流动角看出。因此，涡轮性能的差异应该是源于叶轮内部。

表2 最高效率时的预测性能及流动参数

图6示出两种进气条件下的叶轮入口处的绝对流动角分布。周向分布是类似的，由90°时的流动畸变可以看出蜗舌的影响，另外也可以清楚地看到两种进气条件下的差异。对于HI，叶根处的流动角明显更高，大部分气流经由靠近叶根的区域流入叶轮。相反，对于SI，叶尖处的流动角更高，这是因为气流穿过靠近叶尖的区域流入叶轮。虽然两种情况位置是相反的，但平均值是相似的。

图6 叶轮进口处流动角分布

进一步比较了蜗壳截面内的二次流结构，图7清楚地展示了这种镜面对称流动结构。在HI时，叶根分支进入的气流以正常流的模式朝着蜗壳出口加速流动，在分隔处由于压差驱动转向进入叶尖分支，然后，该二次流从叶尖分支再次流出，与主气流汇合后流入叶轮。SI也有相似的情况(见图7b)，但SI时形成的涡流尺寸比HI时要小，这体现了叶轮对蜗壳内流动的影响。根据以上的讨论，部分进气的二次流可以归纳为图7c中的情况。气流在进入分支时是正常流动，由于蜗壳分隔处存在压力差，一部分泄漏流随之产生。气流在封闭分支内的回旋会产生大尺寸的涡流，最后一定量的气流从封闭分支内再次流出，并在蜗壳出口处与主气流混合。

图7 蜗壳截面的二次流结构

由于蜗壳的结构是对称的，两种部分进气条件下蜗壳两支内的流动也是镜面对称的。但是，这两种情况却导致了叶轮入口处完全不同的流动分布，从而使得其性能表现也大相径庭。

图8示出两种部分进气条件下叶轮入口处的二次流。由图8可知二者的明显区别。HI情况下，主气流是从靠近叶根的区域进入叶轮的，在靠近叶根处会产生一个马蹄形的涡流，其两支分别为F2和F4。由于攻角和压力分布的原因，吸力侧的的分支比压力侧的分支增长更快，涡流尺寸也更大。因为叶尖处附近压力较低，二次流会朝着叶尖处迁移流动。当具有一定动量的气流接近叶尖处时，气流和叶尖处的相对流动会在附近产生一个巨大的涡流F1。此外，在叶尖附近几乎没有观察到间隙泄漏。这是因为从叶尖附近流入叶轮的气流很少。

图8 叶轮入口处二次流模式

但是，SI情况下，可以清楚地观察到叶尖间隙泄漏涡(F2)。大部分气流是经过叶尖附近流入叶轮的，所以叶尖附近会形成一定的叶片负载。叶尖附近的气流会在压力差的推动下朝着叶根处迁移，大型的通道涡F1随之产生。此时叶根附近马蹄涡几乎消失，这是因为没有气流经由这里进入叶轮。

根据两种情况的比较可以明确叶轮的二次流模式。对于SI情况，主要的涡流都集中在叶尖附近，对HI情况，涡流聚集在叶根附近。在下面的分析中可以看出，这些不同的涡流在叶轮通道内的演变也是不同的。

为了方便观察，图9示出通道出口涡流结构的环形展开图。可以看出，两种进气条件下叶轮通道内涡流的演变是截然不同的。由图中HI情况可知，大部分涡流在叶轮出口处都会集中在叶尖附近的吸力侧。这些涡流结构是由两个因素造成的：第一，在离心力和压力差的驱动下，叶根附近的马蹄涡向上迁移到叶尖处；第二，通道上部的涡流沿着叶尖附近迁移。结合对图8的分析可知，涡流F1和 F2是图9叶尖处涡流形成的两个主要因素。

图9b示出SI时的涡流结构。与HI不同，涡流结构主要出现在通道的下部，在叶尖附近只有少量叶尖涡，强度与数量都无法与HI情况相比。此外，SI情况下，涡流处在分散状态，并非连结在一起。结合图8可知，叶尖泄漏涡在叶尖附近产生，而通道涡在叶轮出口处会迁移到通道下部。

图9 穿过叶轮的涡流结构(叶轮出口视角)

通道内不同的涡流结构由于发展演变会造成一定的流动损失。更高的熵对应着更高的流动损失。图10示出叶轮出口处的熵分布(与环境条件相比)。很明显，HI情况下，最高的流动损失集中在通道叶尖区域，而SI情况下，流动损失多集中在叶根区域。这些现象与上述的涡流结构分布保持一致，而且叶轮出口处的流动损失是整个叶轮流动损失的主因。另外，SI情况的高熵区域面积明显更小，这也就解释了SI进气的性能比HI要好。

图10 叶轮出口熵分布

4 结束语

配有双通道蜗壳的涡轮由于其更好的扫气和加速性能广泛应用于内燃机中。设计了一款双通道径流涡轮，其流通能力与基础的混流涡轮相当，且最高效率达到约0.8。运用数值方法对其性能和流动机理进行了详细的分析。

两种部分进气条件下，由于蜗壳结构的对称性，蜗壳分隔处的二次流模式也是对称的，由此造成了叶轮入口处镜面对称的流动分布。

两种部分进气条件下叶轮内的流动是不同的。HI条件下，在通道叶根附近会出现明显的马蹄涡和通道涡，这些涡流在离心力和压力差的驱动下在叶轮出口处迁移到叶尖区域。在SI条件下，叶尖泄漏涡和大尺寸的通道涡出现在通道叶尖处，这些涡流会逐步迁移到通道下部的叶根区域。涡流结构会造成叶轮出口处不同的流动损失，从而导致HI进气比SI进气性能更差。

[1] Baines N C,Yeo J H.Flow in a radial turbine under equal and partial admission conditions[C]．IMechE Paper 1991,C423/002.

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[编辑： 袁晓燕]

Design and Flow Mechanism Analysis of Radial Turbine with Twin-entry Volute

LIU Yunkun1, YANG Mingyang1, DENG Kangyao1, CHEN Hua2, Ricardo Martinez-Botas3

(1. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. National Laboratory of Engine Turbocharging Technology, Tianjin 300400, China;3. Imperial College London, London SW7 2AZ, UK)

The torque at low load which determines the drivability of automobile is an important performance characteristic of a downsized engine. Twin-entry volute turbine has been proved to have great advantages in terms of transient performance and cylinder scavenging. The performances of radial turbine with a twin-entry volute at different partial intake conditions were compared by the numerical method. A baseline radial turbine with a twin-entry volute was first designed to achieve the flow capacity of foreign mixed flow turbine with variable nozzle. Then the steady numerical simulation was carried out for the performance prediction of designed turbine at full and partial intake conditions with ANSYS-CFX software. Based on the performance comparison between HI and SI intake conditions, the flow mechanism was analyzed. The results show that the performance of SI is superior to that of HI. The flow fed to the rotor produces different vortex structures in the passage. The vortex generated at the root of impeller migrates gradually to the tip region for HI, but it goes an opposite direction for SI, which is the reason for the high flow loss and poor performance of HI.

turbocharging; radial turbine; twin-entry volute; partial intake; flow analysis; simulation

2016-10-25；

2017-01-26

上海市自然科学基金(STCSM)项目(16ZR1416900)

刘云堃(1991—)，女，硕士，主要研究方向为内燃机涡轮性能预测模型；caroline1991@126.com。

杨名洋(1982—)，男，讲师，博士，主要研究方向为内燃机涡轮增压技术与径流式叶轮机械；myy15@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.002

TK422.1

B

1001-2222(2017)01-0008-06