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车用混流涡轮增压器研究

2022-06-15 来源:知库网
2010年第2期 车辆与动力技术 Vehicle&Power Technology 总第118期 文章编号:1009—4687(2010)02—0058—07 车用混流涡轮增压器研究 王绍卿 , 黄 若 , 曹 林 , 杨 (1.中国航天科工集团第三研究院31所,北京100074; 2.北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;3.湖南天雁机械有限责任公司,衡阳421005) 摘要:阐述了混流涡轮的结构及其与径流涡轮区别,介绍了混流涡轮的优点.从试验角度分析了{昆流涡轮的性 能,指出混流涡轮在高转速、低速比下优越的效率特性和流量特性,并对混流涡轮在脉冲进气条件下的非稳态 试验结果进行了总结,利用容积效应分析了特性圈形成的原因;论述了当前混流涡轮CFD的研究结果;分析了 可变几何混流涡轮的技术路线,指出可变几何混流涡轮增压器(VG—MT)应成为目前增压器的研究方向. 关键词:增压器;混流涡轮; 试验研究;CFD;可变几何 中图分类号:TK421 .8 文献标识码:A Research on the Mixed Flow Turb0charger for Vehicle WANG Shao—qing ,HUANG Ruo , CAO Lin , YANG Di (1.The 3 1 st Research Academy of CASIC,Beijing 100074,China; 2.School of Mechanical and Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 1 0008 1,China; 3.Hunan Tianyan Mechanical Co.Ltd,Hengyang 421005,China) Abstract:The difference of structure between radial and mixed lfow turbine were described,and the ad- vantage of mixed—lfow turbine was introduced.The performance of mixed—flow turbine was analyzed based on the experimental study,pointing out that the advantage of efifciency performance and swallowing ca— pacity at high speed and low velocity ratio.The results of unsteady experimental study at pulsating flow condition were summarized,the reasons for the formation of loop by volume effect were analyzed,and the current result of CFD waa discussed.The technique routines of the variable geometry mixed flow turbine for turbochargers were analyzed.The study task indicates that the variable geometry mixed—flow turbo— charger(VG-MT)should be a research direction at present. Key words:turbocharger;mixed-flow turbine;experimental study;variable geometyr 涡轮增压技术在降低柴油机排放方面发挥了十 越来越高,已达到很高的数值,超过了径流涡轮最 分重要的作用。车用涡轮增压器广泛采用径流式涡 高效率的范围_2 J.试验和理论都已证明,在高比 轮,原因是径流式涡轮结构简单、成本低、可靠性 转速下,径流涡轮的效率达不到最佳值.降低比转 好,小尺寸时,具有较高的效率,其技术已经发展 速可以解决这个问题.但是,这样会增大涡轮叶轮 到很高的水平 J.随着涡轮增压器向高转速、小 直径,使涡轮增压器瞬态响应性变坏.在此情况 型化、宽工作范围方向发展,径流式涡轮的比转速 下,对}昆流式涡轮的研究也就应运而生了. 收稿日期:2009—12—16 作者简介:王绍卿(1985一),男,硕士,研究方向:内燃机增压技术 第2期 王绍卿等:车用混流涡轮增压器研究 ・59・ 30。和40。的倾斜角分别进行了CFD研究,计算结 1混流涡轮的结构 混流式涡轮也称斜流式涡轮,是一种介于径流 式涡轮和轴流式涡轮的一种中间形式.图1为混流 涡轮与径流涡轮子午流道对比的原理图. 径流 果表明,叶轮进口倾斜角为30。的绝热效率最高, 并且叶轮进口倾斜角为20。和40。的混流叶轮内部 熵增及流动损失较大,表明30。的进口倾斜角是比 较理想的角度. 涡轮=}…. 簪豢 图1 混流涡轮与径流涡轮的比较 混流涡轮的特性主要体现在3个“角”上, 即叶片结构角、倾斜角和叶片前弯角,如图2所 示.涡轮的三维模型如图3所示. 。 时 弯 l (\ 。 叶片结构角 图 混流涡轮的叶片构造示意图 相对于混流涡轮,径流涡轮的倾斜角为0,倾 斜角的大小直接与叶片前弯角和叶片结构角相关, 并影响着混流涡轮的效率以及流通能力.因此,国 内外较为积极地开展了倾斜角大小对涡轮性能影响 的研究,Yamaguchi 、Chou 、Abidat 等人分 别对倾斜角为30。、35。和40。的混流涡轮进行了试 验.施新 等人则在前人研究的基础上对20。、 图3混流涡轮的三维模型 同径流涡轮相比,其倾斜的流道设计减小了流 道的曲率,有效地减弱了二次流的强度 ,如图 4、图5所示,这是径流涡轮所不能比拟的. 满轮 涡轮 子 线弧长/arm 图4径流和混流涡轮的流通速度 二次流 (a)径流涡轮 (h)混流涡轮 图5 径流涡轮和混流涡轮子午流道的二次流比较 2 混流涡轮的优点 混流涡轮引起人们注意,与其特点是分不开 的.与径流涡轮相比,在高比转速下,混流涡轮具 有以下优点: 1)高比转速下获得高的涡轮效率 这是混流式涡轮与径流式涡轮相比最明显的优 点,各国涡轮增压器研究机构和生产厂家在这方面 车辆与动力技术 2010焦 的研究中取得了成功.当比转速很高的情况下,径 高,对发动机的低速性能也有改善.从涡轮增压发 流式涡轮进口和出口的直径相接近,叶轮外缘的曲 展方向来看,目前它越来越向高压比、小型化方向 发展,这就要求在低U /c。点得到高的涡轮效率. 这种要求反映在叶轮结构上,就是要叶轮进口角度 为正,如图8所示使叶轮进口段前弯(前弯定义为 叶片逆叶轮旋转方向弯曲).但这样会使叶轮在旋 率大小变化剧烈,径向流入的气流由于不能适应叶 型的急剧变化而无法平缓地过渡到轴向,气流偏向 轮毂部分,于是在轮缘部分产生气流的分离,涡轮 的性能急剧下降,如图6所示,造成高比转速下径 流涡轮的效率达不到最大值. 图6径流涡轮轮缘分离示意图 与径流涡轮相比,混流涡轮叶轮出口外径有所 增大,使得由于哥氏力做功部分的比例相应减小而 对效率有所损失,但是由于混流涡轮叶轮进口倾斜 使得来流与径向成一定角度,如图7所示,通道内 气流能平缓地过渡到出口,叶轮内部流场大为改 善,气流在通道内的拐弯损失大大减少,结果在高 比转速下仍能保持高的涡轮效率. 图7混流涡轮示意图 2)降低最高效率点的u /c。值 降低最高效率点的U /c。值,这一点对车用涡 轮增压器来说意义重大.因为车用涡轮增压器多为 脉冲进气,在脉冲峰值区发动机的可用能最大,相 应的涡轮膨胀功最大.而在一般情况下,只要发动 机的工况一定,排气脉冲引起的涡轮转速变化很 小,这样对于排气脉冲峰值的u /c。较小.因此, 若使涡轮最高效率的“,/c。小于传统的径流涡轮稳 态设计值(一般为0.7),则可以更为有效的利用发 动机的排气能量.而且,发动机排气的脉冲幅值随 其转速的降低而增大,涡轮在低“ /c。点的效率 转时带来附加弯矩,从叶轮强度方面来说,这是不 利的.因此在车用增压器领域一般不会采用.另一 个可行办法就是采用混流式涡轮.因为混流式涡轮 叶轮进口段速度有轴向和径向两个分量,如果叶片 设计为轴向后弯形式,就可以在保持叶片纤维径向 的同时使得叶轮进口角度为正,使得在低“。/c。时 得到高的涡轮效率成为可能. C 图8前弯和后弯叶轮 3)混流涡轮的载荷系数较径流涡轮高 混流式涡轮叶轮进口速度三角形不同于径流式 涡轮,使得混流式涡轮叶轮载荷系数较径流式涡轮 高.叶轮载荷系数可以写成 . △ o C 1 式中:Ah。为涡轮的焓降;C 。为涡轮进口气流切 向速度分量;U 为涡轮进口叶片圆周速度. 径流涡轮在负攻角时效率有最高值,由速度三 角形可知,此时载荷系数较低,通常认为径流涡轮 载荷系数在0.8—0.9之间为宜.若要采用较高的 载荷系数,就要使叶轮进口攻角为正.但是,正的 攻角将使气流从叶片吸力面分离而使叶轮性能下 降.为此,需要如前所述使叶轮前弯才能达到更高 的载荷系数,但这样会降低叶轮的强度而不被采 用,可行的措施依然是采用混流涡轮. 3混流涡轮的试验研究 尽管混流涡轮的概念早在上世纪5O年代就已 经提出,但是对其进行试验研究却是在二三十年 后.针对混流涡轮的部分试验研究是在涡轮增压器 试验台架上对其进行冷吹,但也有部分混流涡轮增 压器装配在发动机上进行了匹配试验.总起来讲, 第2期 王绍卿等:车用混流涡轮增压器研究 ・61・ 主要是在稳态和非稳态两种情况下对混流涡轮进行 试验研究. 3.1稳态试验研究 对混流涡轮在稳态下的试验研究主要集中在两 个方面:混流涡轮的流通能力和在低速比下的总静 效率的研究l9 ,如图9所示. 图9混流涡轮效率特性曲线 分别采用径流、混流涡轮增压器和发动机进行 配机试验.结果表明,采用混流涡轮增压器的发动 机,其低转速下的扭矩有了较为明显的提高,而 且,燃油消耗则较径流增压器有所降低,如图10 所示 . 言 Z \ 图lO径流、混流涡轮增压器配机试验对比 值得注意的是,装有混流涡轮增压器的发动机 在低速区具有较大的扭矩,这无疑对发动机低速性 能的提高有较大帮助,这也说明混流涡轮增压器在 低转速下(发动机转速)具有较高的压比及较大的 流通能力,从而提高了增压发动机的瞬态响应性. 3.2非稳态试验研究 由于发动机排气为脉冲排气,即在涡轮进口前 的发动机排气管内的压力及流量不是恒定的,图 11即为频率为40 Hz时,涡轮前压力及质量流量 的脉冲变化曲线.因此,有必要通过试验来研究发 动机排气脉冲行为对涡轮性能的影响. ∞ ¨ 0 , 列 图11 脉冲进气条件下压力及质量流量的变化示意图 Dale和Watson_】 首次就涡轮在脉冲进气条件 下的性能进行了研究,试验结果表明,涡轮的脉冲 特性与稳态特性有很大的偏离,在不同的涡轮转速 和脉冲频率下进行试验,得到了类似的试验结果: 涡轮的脉冲特性围绕着稳态特性形成了一个 “环”. Karamanis_1 对混流涡轮进行脉冲进气试验时 也得出了这种“特性环”,但Karamanis得到的结 果与Dale有所不同,表现在当压比较小时,涡轮 的效率超过了1,如图l2所示,Karamanis对此的 解释是此时涡轮入口的压力和流量都非常小,还不 足以驱动涡轮,涡轮轴在惯性的作用下继续旋转, 因此此时测到的效率大于1,此时的效率是一个 “虚”效率,直到压力又增大到一定的程度,涡轮 的效率才回到了正常水平. 车辆与动力技术 2010正 速比u/c (a)进气脉冲频率40Hz 速比ut/c (b)进气脉冲频率6OHz 图12 70%设计转速下的涡轮效率特性图 对于这种“特性环”,可以用“容积效应”来 解释 :涡轮内有一定容积,这一容积会产生容积 效应,即当有大量流体流入涡轮时,这部分流体不 能及时排除而在涡轮内产生了堆积,当流入涡轮的 流体流量减少时,这部分堆积的流体才逐渐释放, 流体的堆积和释放过程会对流动起到阻碍作用.在 脉冲流动情况下,涡轮内的流动始终都处于堆积和 释放的状态,导致涡轮流量下降,表现为低于稳态 流量;随着膨胀比的提高和转速的下降,涡轮的流 通能力增强,因此,表现为非稳态循环平均流量和 稳态流量之间的差值减小.随着脉冲频率的提高, 每个脉冲持续时间缩短,容积效应增强,表现为涡 轮非稳态循环平均流量与稳态流量之间的差值增大. 4混流涡轮的数值模拟分析 同国外研究内容类似,国内魏希辉¨ 等人针 对自主设计的H1F车用混流涡轮增压器,运用 CFD软件NUMECA对其在稳态流动条件下进行了 数值计算,并针对涡轮最高效率点工况,对涡轮内 部熵分布、静压分布、速度矢量、壁面极限流线、 相对马赫数等进行了分析,研究了混流涡轮在稳态 时内部的三维流动情况. 由于计算机性能和计算量等方面因素的限制, 很少有人采取CFD技术对涡轮在进气脉冲条件下 的流动进行研究,2005年Palfreyman¨ 等人利用 商用CFD计算软件STAR—CD对单通道无叶混流涡 轮在脉冲进气条件下的流动进行了非稳态计算.计 算模型中,整个流道划分了1 752 838个六面体网 格,其中,叶轮通道的网格数为954 112个,时间步 长取4 x 10。s,采用RNG k-e湍流模型,在计算了 叶轮实际旋转3O周后,获取了超过一个脉冲周期的 流动情况,图13为计算结果与试验结果的对比 4 3 2 碍1 。 耋一、 2 —3 —4 -5 膨胀比 (a)涡轮效率特征 膨胀比 (b)涡轮流量特 图l3涡轮特性图 从对比结果上可以看出,CFD计算的结果已 经基本上捕获了混流涡轮在脉冲进气情况下的特 点,表现出了CFD方法在计算脉冲流动方面的巨 大潜力.而CFD方法可以较好的捕捉到叶轮内部 的流动情况,这对探索叶轮内部的流动特点以及对 叶轮的优化设计都起到了重要的作用. 5可变几何混流涡轮增压器研究 为满足日益严格的排放法规,同时保证车用发 动机的动力性和提高其经济性,采用可变几何涡轮 增压器(VGT)是最佳选择之一,并对VGT进行了 第2期 王绍卿等:车用混流涡轮增压器研究 ・63・ 大量的研究工作.事实证明:使用VGT后能够明 显降低发动机的HC、CO和PM排放,提高燃油经 济性及发动机扭矩,如果控制得当,还可以降低 NOx排放.而混流涡轮增压器则在高转速、小型化、 大容量的发展方向下较径流式涡轮有着较为显著的 优点,且其瞬态响应性也较为优秀,因此,将可变 几何与混流涡轮结合,设计出可变几何混流涡轮增 压器(VG.MT)则成为目前增压器的研究方向之一. 目前,VGT主要基于径流涡轮,使用对称叶 型的喷嘴环(图14(a)),最简单的改造方法即将 径流涡轮换成混流涡轮,并增大出口直径(图l4 (b)),文献[16]即采用了这种形式,如图15所 示.但这种形式的增压器其喷嘴环尾缘会产生较大 的流动损失,导致涡轮效率下降.图l4(c)的布置 形式在各方面优点较为明显,但执行机构相当复 杂,可靠性较差.图14(d)的布置形式弥补了(c) 的不足,执行机构较为简单,Srithar Rajoo【171即采 用了这种形式,如图16所示,并重新设计了适用 于混流涡轮的喷嘴环,对喷嘴环叶片在4O。、50。、 60。,65。和70。的安装角以及无叶涡轮进行试验, 结果表明,喷嘴环叶片安装角在60。,65。和70。 时,在较大的速比范围内,其效率较无叶涡轮有所 提高,并且在65。时达到峰值.在大开度下(40。安 装角),涡轮的流通能力较无叶涡轮提高了8%. V-] V-1 图14 可变截面涡轮的布置形式 ‘ 图15一种混流可变截面涡轮增压器 图16可变几何混流涡轮增压器 6 结 论 1)随着涡轮增压器向高转速、小型化、宽工 作范围、高瞬态响应性方向发展,混流涡轮是一个 重要的研究方向. 2)鉴于混流涡轮在涡轮特性上具有的优势, 并考虑到其实际的工作环境(脉冲进气条件),应 对混流涡轮作进一步的非稳态研究分析. 3)随着计算机技术的发展,CFD分析已经成 为研究混流涡轮的重要方法. 4)考虑到未来严格的排放法规,应加快对可 变几何混流涡轮增压器的研究,特别是执行机构以 及喷嘴环的设计. 参考文献: [1]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. [2] 施新,马朝臣,王延生.车用涡轮增压器混流式涡 轮的发展[J].柴油机,2000(6):l4—17. [3]Yamaguehi H,Nishiyama T,Horiai K,et a1.High Per— formance Komatsu KTR150 Turbocharger[C].SAE 840019,1984. [4] Chou C C,Gibbs C A.The Design and Testing of a Mixed Flow Turbine for Turboehargers[C].SAE890644, 1989. [5] Abidat M,Chen H,et a1.Design of a Highly Loaded Mixed Flow Turbine[J].Proc.Inst.Mech.Eng.,Part A,206,95-107. [6] 施新,刘荣,鲍捷,等.增压器混流涡轮的设 计和试验研究[J].车用发动机,2008(2):90—92. [7] Rodgers C.Review of Mixed Flow and Radial Turbine Options[J].AIAA 90—2414,1990. [8]Palfreyman D,Martinez—Botas,R.F.Numerical Study of the Internal Flow Field Characteristics in Mixed Flow Turbines『J].ASME,GT-2002.30372. 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