进口旋流条件下径流涡轮性能异化机制研究.pdf

Chinese Journal of TurbomachineryStudy on Performance Deviation of Radial Turbine UnderInlet Swirl Condition*Shi-lue Zhou1Qing-ming Ni1Ming-yang Yang1,*Kang-yao Deng1Zhan-ming Ding2（1.Shanghai Jiao Tong University；2.China North Engine Research Institute）Abstract：The low-pressure stage turbine in the adjustable two-stage turbocharging system is affected by the high-pressurestage turbine and the upstream pipeline,and its inlet flow field has a strong swirl flow,which leads to a significant alienationphenomenon on the performance of the turbine comparing with uniform and direct current intake condition.In order to solve thisproblem,this paper studies the influence mechanism of inlet swirl conditions on the performance of radial turbine based on swirlgenerator.The results show that the swirl flow changes the flow field distribution at the inlet of the turbine,and producescircumferential distortion in the volute channel,thus changing the air distribution at the inlet of each impeller in the circumferentialdirection,resulting in significant flow loss alienation in the volute and impeller.With the increase of swirl intensity,the greater thedecrease of turbine efficiency is,the maximum decrease is about 4.1%.This study explores the alienation mechanism of radialturbine performance under different inlet swirl conditions,and provides a theoretical reference for the design of high efficiencyturbine of two-stage adjustable turbocharging system.Keywords：Two-stage Adjustable Turbocharger;Inlet Swirl Flow;Radial Turbine;Performance Alienation摘要：可调两级增压系统中的低压级涡轮受高压级涡轮及上游管道的影响，其进口流场存在较强的旋流，进而该涡轮性能较均匀直流进气条件时呈显著异化现象。针对该问题，本文基于旋流发生器手段，开展进口旋流条件对径流涡轮性能影响的机制研究。结果表明，旋流改变了涡轮进口处的流场分布形态，并在蜗壳通道内产生周向畸变，从而改变周向上各叶轮进口的气流分布，造成蜗壳和叶轮内的显著流动损失异化。随着旋流强度的增大，涡轮效率的下降幅度越大，最大下降约4.1%。该研究探明了不同进口旋流条件下径流涡轮性能的异化机制，为两级可调增压系统高效涡轮设计提供了理论参考。关键词：两级可调增压；进口旋流；径流涡轮；性能异化中图分类号：TH453文章编号：1006-8155-（2023）03-0008-06文献标志码：ADOI：10.16492/j.fjjs.2023.03.0002周识略1倪庆明1杨名洋1,*邓康耀1丁占铭2（1.上海交通大学；2.北方发动机研究所）进口旋流条件下径流涡轮性能异化机制研究*基金项目：中国北方发动机研究所稳定支持经费项目（52076130）*通讯作者：杨名洋，0引言随着排放法规的愈加严格和节能减排理念的进一步深入，发动机向高效节能和清洁低碳的方向持续发展1。可调两级增压通过弯管和开度可调的旁通阀将两个增压器连接起来，实现负荷的优化分配，具有高增压、宽流量范围、强调节能力和高效率等优势2-4，且能与电动增压技术5及机械增压技术2高度融合，满足宽域范围内的发动机变进口旋流条件下径流涡轮性能异化机制研究 8Chinese Journal of Turbomachinery第65卷，2023年第3期Http:/turbo- Vol.65，2023,No.3工况增压需要，已经成为一种广泛应用于新一代动力装置的先进涡轮增压技术。受发动机小型化6的影响，可调两级增压系统具有高度结构紧凑性，两个涡轮之间具有高度扭曲、剧烈转向的弯管以及旁通支管等复杂管路结构，整个管路系统内部流动相较于传统单级涡轮增压更加复杂，流场的复杂化会造成涡轮气动性能的改变，进一步影响涡轮增压系统乃至整个发动机的性能7。清华大学8针对两级涡轮系统流场耦合机理及规律的研究表明，高压级涡轮出口旋流会导致低压级涡轮效率降低，且旋流强度越大，影响程度越大。瑞典皇家工学院的Kalpakli等人9研究了弯管产生的迪恩涡等二次流结构对涡轮性能的影响，发现脉冲来流条件会使涡轮进口二次流结构复杂化，其影响也会更为复杂。在弯管二次流的影响下，涡轮在脉冲进气条件下的流通能力显著下降。赵荣超10针对机械式复合涡轮增压系统中上游增压器涡轮出口旋流导致动力涡轮性能恶化的问题，提出动力涡轮-增压涡轮对转的新概念，有效提升了动力涡轮效率近3.8%。上述研究表明，两级可调增压系统中存在不同形式的耦合效应，这种耦合作用会造成两级涡轮性能异化，表现形式之一为高压级涡轮出口旋流对低压级涡轮性能产生影响。本研究基于高压级出口旋流这一两级耦合作用中的关键因素，利用旋流发生器手段产生等效高压级出口的旋流，通过实验和三维数值仿真的方法，开展了不同进口旋流条件下径流式涡轮性能异化机制的研究，探明了进口旋流对径流式涡轮的影响机理，为两级可调增压系统高效涡轮设计提供了理论参考。1研究方法1.1 涡轮进口旋流试验平台本文研究不同旋流进气条件下径流涡轮的性能变化，旋流和涡轮性能均在柴油机高增压国家重点实验室标准涡轮增压台架上进行测量。如图1所示，在进气管道上游安装旋流发生器装置，为涡轮创造旋流进气条件。旋流通过具有高频瞬时响应性的X型恒温热线风速仪进行测量，同时搭配双向全自动步进测量装置，可以实现旋流在管道截面上的多点连续测量。旋流发生器进口为60恒温均匀直流，气流通过旋流发生器强制偏转后发展为旋流，旋流经过步进测量装置测量后流入下游的径流涡轮，涡轮转速固定为35000r/min。步进测量装置通过软管与涡轮进口管道连接，以保证周向旋转步进，并通过垫圈、密封胶等进行密封处理保证测量管段的气密性。测试管段进行隔热棉包覆以减小传热导致的测量误差。增压器与旋流发生器均由柴油机高增压国家重点实验室研制，径流式涡轮的叶轮与蜗壳如图2所示。1.2数值仿真方法试验方法只能测量旋流在涡轮进口管道处的分布特征，无法获取旋流在涡轮内部流动的具体信息。通过三维数值仿真方法可获取全面的流场信息和详细的流动细节，进而研究不同旋流进气条件对径流式涡轮内部流动和性能的影响规律。仿真方法的流体计算域和真实试验台架结构一致，包括旋流发生器、径流式涡轮和级间管道等部件。其中，蜗壳采用非结构化网格以保证较高的网格质量，网格数约为80万。旋流发生器和叶轮通道均采用结构化网格，单通道网格数分别约为20万和32万。系统计算域网格总数约为 700 万（图 3）。数值仿真计算基于ANSYS-CFX仿真程序开展，采用Reynolds平均N-S方程模型作为控制方程，湍流模型为SST，采用试验获取的涡前总压和总温为进口边界条件，采用环境压力用作出口静压边界，固壁面设置绝热与无滑移边界条件。蜗壳与叶轮交界面采用冻结转子面法进行处理，该方法可考虑蜗壳与叶轮之间的气动干涉作用。图4对比了仿真计算和试验测量所得直流和旋流两种进气条件下涡轮的流通能力和温降效率（如式（1）、（2）所示）。MFP=m Tt-inPt-in（1）=Tt-in-Tt-out(Tt-in+273.15)(1-(Ps-outPt-in)-1)（2）可以看出，仿真计算与试验测量所得的涡轮流通能力和效率的变化趋势具有高度一致性，数据吻合度较高，平均差异在2%以内，验证了该预测模型的准确性和可信度，可基于该模型展开涡轮内部流动研究，探明造成涡轮性能变化的流动机理。图1旋流测量实验平台Fig.1Swirl measurement test rig(a)蜗壳(b)叶轮图2径流涡轮的主要部件Fig.2Main components of radial turbine 9Chinese Journal of Turbomachinery图3径流涡轮三维网格划分Fig.33D mesh of radial turbine(a)计算域(b)蜗壳网格图(c)叶轮网格2结果分析2.1 性能异化涡轮进口前的旋流强度可以用旋流角11来衡量，旋流角定义为截面上的旋流切向速度分量和轴向速度分量之比，如式（3）所示。旋流角可通过安装在旋流发生器后的X型恒温热线风速仪进行测量12，如图5（a）所示。=arctanCtCa（3）式中，Ct和Ca分别是当地速度在截面上的切向分量和轴向分量。试验参照文献13中的方法，采用截面上87%半径对应圆周上的平均旋流角来衡量旋流强度，如式（4）所示。所测35旋流发生器产生的旋流角分布曲线如图5（b）所示。87=-arctan(Ct,0.87RCa,0.87R)（4）所测35旋流发生器在不同膨胀比下产生的平均旋流角分布曲线如5（b）所示，87的变化范围在3536.5之间，该角度变化范围符合旋流发生器叶片的偏转角度，可以根据该结果展开不同旋流强度下涡轮性能异化规律的研究。图6显示了无旋流发生器、25旋流发生器及35旋流发生器三种条件下，涡轮的流通能力和效率曲线。由图可知，相较于无旋流发生器的均匀直流进气条件，进口旋流造成了涡轮流通能力和效率的降低，且旋流发生器角度越大，即旋流强度越高，涡轮性能降低越显著。在三种均匀进气、弱旋流进气及强旋流条件下，涡轮性能依次降低。其中，25旋流发生器所引起的较弱的进口旋流使涡轮的流通能力最大降低约1.5%，效率最大下降约2.1%；35旋流发生器所引起的较强的进口旋流使涡轮的流通能力最大降低约2.4%，效率最大下降约4.1%。根据旋流在涡轮进口的旋转方向和叶轮的旋转方向(a)旋流进气(b)直流进气图4径流涡轮CFD验证Fig.4CFD validation for radial turbine图5旋流测量方法及结果Fig.5Test method and results of swirl flow(a)旋流角测量示意图(b)旋流强度分布进口旋流条件下径流涡轮性能异化机制研究 10Chinese Journal of Turbomachinery第65卷，2023年第3期Http:/turbo- Vol.65，2023,No.3将旋流分为正旋流和负旋流。在该试验中，根据叶轮的旋转方向，涡轮进口处产生的逆时针旋流（沿着气流方向）为正旋流。图7对比了无旋流、35旋流发生器产生的正、负旋流进口条件下涡轮性能的变化规律。由图可知，正负旋流均会造成涡轮性能的降低，且引起性能降低的程度相近。其中，正旋流使涡轮效率平均降低约3.2%，负旋流使涡轮效率平均降低约2.9%。(a)流通能力(b)效率图6不同旋流强度下的涡轮性能差异Fig.6Turbine performance at different swirl flow conditions(a)流通能力(b)效率图7不同旋流方向下的涡轮性能差异Fig.7Turbine performance at different swirl flow directions旋流进气造成的涡轮性能差异源于该进气条件引起的涡轮内部流动损失差异。为了更详细地分析旋流效应带来的涡轮效率损失，定义蜗壳部分效率损失（式（5）和叶轮部分效率损失（式（6）。LV=WIdeal,VoluteInlet-WIdeal,RotorInletWIdeal,VoluteInlet（5）LR=WIdeal,RotorInlet-WRealWIdeal,VoluteInlet（6）WIdeal=mCpTt-in1-(Pt-inps-out)-1（7）WReal=（8）图8为某工况点下正、负旋流引起的效率损失差异对比。由图可知，相比于均匀直流进气条件，正、负旋流进气均会使蜗壳和叶轮的效率损失增加，两部分的效率损失共同造成了旋流进气条件下的涡轮效率的降低。不同方向的进口旋流对蜗壳和叶轮的效率损失影响不同。负旋流对蜗壳效率损失影响更大，而正旋流对叶轮效率损失影响更大。若直流进气条件下两部分的相对效率损失为0，则正旋流进气条件下的蜗壳相对效率损失提高约9.7%，叶轮相对效率损失提高约20%；负旋流进气条件下的蜗壳相对效率损失提高约25%，叶轮相对效率损失提高约5.7%。2.2流动机理图9为均匀直流和正、负旋流三种不同进气条件下叶轮90%弦长位置处的熵增分布。从熵增强度的分布情况来看，叶轮高熵增区主要集中于叶尖近吸力面附近，该区域可观察到较强的二次流分布，表明该处的流动损失较大。这是由于叶轮进口处的通道涡随着向下游的运输演图8两种进气条件下涡轮流通部件造成的效率损失对比Fig.8Efficiency lost of volute and rotor under 2 differentinlet conditions 11Chinese Journal of Turbomachinery图9不同进气条件下叶轮出口熵增分布Fig.9Entropy distribution of rotor outlet under different inlet conditions（a）均匀直流（b）正旋流（c）负旋流化逐渐偏向吸力面侧。直流进气和负旋进气条件下，除蜗舌附近的部分叶轮通道，其余通道内二次流分布相对均匀且形态基本相同，相比之下，正旋进气条件下各叶轮通道内二次流分布具有强烈的周向不均匀性，且熵增强度更大，相较于直流进气，正、负旋流进气条件下叶轮通道内熵增强度均增大，且正旋进气时的熵增强度更大，会产生更大的叶轮流动损失。表明了不同进气条件下叶轮内部二次流分布形态和强度在周向上具有差异性，且旋流进气时二次流的熵增强度增大，叶轮内部流动损失增强。图10清晰的显示了直流和旋流两种进气条件涡轮进口截面的马赫数分布。均匀直流进气条件下，蜗壳进口马赫数相对较小，且分布较均匀，呈现出典型的管道内流动分布形态，表明此时进口流场畸变程度较小。当涡轮处于旋流进气条件时，旋流发生器产生的旋流沿着管道延续发展，且旋流分布特征会一直保持到蜗壳进口处，最终在蜗壳进口处产生不同于均匀来流条件下的流动畸变。涡轮进口的流动分布形态在不同进气条件下存在差异，并会在蜗壳周向通道输运时进一步产生不同的演变方式和分布特征。图11选取了7个不同的蜗壳周向截面，对比了三种进气条件下蜗壳通道内部二次流的演变情况。可以明显看出，均匀进气条件下（图11（a），各周向位置的二次流没有明显的旋涡特征，均匀地沿径向朝叶轮进口迁移，截面流场分布较为均匀。当涡轮处于旋流进气条件时，蜗壳通道内的二次流分布呈现出强烈的周向不均匀性（图11（b）、图11（c）。旋流进气时蜗壳进口截面A存在明显的旋涡结构，该涡结构在沿蜗壳通道输运的过程中逐渐偏向至一侧（截面B），并在原涡偏向的一侧“诱导”产生了另一个涡结构（截面C）。随着该流动结构在蜗壳通道内的进一步发展，原涡逐渐向另一侧偏移，且诱导涡的强度逐渐增大，直到发展至与原涡强度基本一致。此时两个涡强度相当，旋向相反，呈现出对称的“双肾”结构（截面E）。随着周向上的进一步运动和演化，两个涡在相互作用下彼此抵消，最终形成相对均匀的二次流分布形态（截面G）。相较于均匀气流，旋流在蜗壳内部存在多种演变形态，这种演变方式的复杂化会使旋流与蜗壳壁面产生更多的摩擦损失及内部流动损失。由图11可知，正旋流和负旋流进气条件下，涡轮进口的旋涡结构在蜗壳内部的演化形式类似，即进口涡向一侧偏移并在该侧产生诱导涡，随后进口涡向另一侧偏移，诱导涡强度逐渐增大至与原涡强度相当，旋向相反，最终两个涡在相互作用下彼此抵消，使流动趋于相对均匀。但是，不同旋向的旋流在蜗壳进口的偏移方向相反，正旋流的进口涡进入蜗壳后向右（轮毂侧）横向偏移，负旋流的进口涡进入蜗壳后向左（轮盖侧）横向偏移，如图12截面B所示。进口旋流的涡核受旋流本身运动规律的影响，产生自诱导运动，从而引起进口涡偏移侧壁面发生边界层分离，且该侧流体是逆着压力梯度向上运动，最终形成与进口涡反旋向的诱导涡，此时诱导涡的强度很小。随着进口涡在蜗壳内部的进一步运动，由于蜗壳几何结构发生弯曲，进口涡的自诱导运动方向发生改变，使进口涡向另一侧横向运动，即正旋流向左（轮盖侧）横向偏移，负旋流向右（轮毂盖）横向偏移，该过程伴随着诱导涡的增强，最终使诱导涡与原涡形成旋向相反、强度相当的对称涡结构，如图12截面E所示。综上所示，不同旋向的进口旋流均会在蜗壳周向通道内产生流动畸变，只是畸变程度不同，造成的二次流分布形态有所差异。因此，正、负旋流进气条件下的蜗壳内部熵增强度不同，即效率损失程度不同。综上所述，在本文所研究的涡轮运行范围内，旋流发生器产生的旋流进气条件均会使下游径流涡轮的性能发生恶化。因此在两级涡轮增压系统的涡轮匹配过程中需要充分考虑高压级涡轮出口旋流对低压级涡轮性能产生的影响，即两级涡轮的级间耦合作用。通过本文的研究内容可以进一步展开基于抑制进口旋流强度的涡轮增效方图10不同进气条件下涡轮进口流场分布Fig.10Flow fields distribution of turbine inlet underdifferent inlet conditions进口旋流条件下径流涡轮性能异化机制研究 12Chinese Journal of Turbomachinery第65卷，2023年第3期Http:/turbo- Vol.65，2023,No.3图11不同进气条件下蜗壳内部二次流发展Fig.11Secondary flow in turbine volute under different inlet conditions（a）均匀直流（b）正旋流（c）负旋流图12不同旋流方向下蜗壳截面C和截面E处的二次流分布Fig.12Secondary flow distribution of sectionCand sectionEat different swirl flow directions（a）正旋进气（b）负旋进气法，通过高、低压级涡轮间以弯管的方式连接，或在低压级涡轮进口处设置旁通管道引入旁通直流来削弱或者抑制低压级涡轮进口的旋流强度，从而达到涡轮增效的目的。3结论本文基于旋流发生器手段和X型恒温热线风速仪的测量方法，开展了径流涡轮进口旋流测量试验研究，并通过三维数值仿真计算方法进行了不同进气条件下径流涡轮性能异化机制研究，得到的主要结论如下：1）相较于均匀直流的涡轮进口进气条件，旋流进气会使涡轮性能降低。旋流强度不同，对涡轮性能的影响程度不同。随着旋流强度的增强，旋流进气造成的涡轮性能下降程度越大。2）正负旋流均会造成涡轮性能的降低，且引起性能降低的程度相近。负旋流对蜗壳部分效率损失影响更大，正旋流对叶轮部分效率损失影响更大。3）相较于均匀进气和负旋进气，正旋进气条件下各叶轮通道内二次流分布具有更加强烈的周向不均匀性，熵增强度更大。不同旋向的旋流在蜗壳内部的演化形式类似，但偏移方式不同。参考文献1刘系暠,魏名山,马朝臣,等.不同海拔下单级和二级增压柴油机的仿真J.内燃机学报,2010,28（5）:447-452.2Rongchao Zhao,Weilin Zhuge,Mingyang Yang,et al.Study of two-stage turbine characteristic and its influence on turbo-compoundengine 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