脉冲进气条件下弹性约束导叶可变几何涡轮性能研究

王智慧，马朝臣，祝飞

(1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081； 2.晋中学院 机械系，山西,晋中 030619)

提 要： 文中基于可调涡轮弹性约束导叶的概念,采用流固耦合方法研究了在脉冲进气条件下，弹性约束导叶涡轮的非稳态特性以及脉冲幅值和频率对其性能的影响，通过与传统可调涡轮对比，分析了弹性约束导叶可调涡轮性能发生变化的原因.结果表明，脉冲进气幅值越小，频率越低，弹性约束导叶可调涡轮相对传统可调涡轮流量提升率越大，输出功率提升率越大，效率下降率越低.通过对转静子进口气流角以及导叶出口压力损失分布的分析，论证了弹性约束导叶涡轮性能对脉冲幅值和频率发生变化的原因.

涡轮增压器广泛应用于汽车、轮船、航空等领域以增加发动机进气密度，提高发动机比功率.对于固定几何形状的涡轮增压器，最常见的问题是涡轮迟滞效应以及不能在整个发动机工况实现良好匹配[1].VNT(或VGT)在一定程度上可以解决这个问题[2].

由于发动机排出的废气呈现脉动形式，导致涡轮进口气流也呈现脉动形式，因此这与涡轮设计的准稳态假设不符.研究表明，脉冲进气条件下涡轮性能和稳态进气条件下的涡轮性能存在显著差别[3-5].同时，研究也表明发动机排气超过60%的废气能量不能回收利用[6].当涡轮工作在非设计点时，额外的入射损失出现，导致涡轮增压器涡轮性能恶化.关于发动机废气脉冲能量的利用研究很少.Apostolos等[7]提出了主动控制涡轮概念，它通过调节涡轮进口的质量流量来适应脉动废气的瞬时压力,为改善涡轮增压器与发动机的匹配提供了一种新思路.近年来，Cao等[8-9]提出了“旋转喷嘴环”机制.该系统的绝对气流角随涡轮内非定常气流的变化而变化，从而减小了涡轮进口与设计点的入射角偏差.CFD结果表明，涡轮工况点从效率较低的范围转移到效率较高的范围.施新等[10]研制了可变喷嘴涡轮的喷嘴叶片脉动调节和控制系统.试验结果表明，相对于常规可调涡轮，伴随涡轮进口脉冲来流，喷嘴叶片采用适当幅值的脉动调节可以提高涡轮输出功率.

传统的VGT的导叶开度是根据发动机的工况进行调节，在这个调节过程中没有体现发动机排气的脉冲特性.基于此，Wang 等[11]提出了一种涡轮增压器涡轮的弹性约束导叶涡轮进口流量调节方案.此方案中，新型涡轮的弹性约束导叶流量调节装置由安装在支承盘上的弹性环、从动拨叉和导叶叶片以及一些附件组成，如图1所示.其原理是在气流作用下，叶片绕轴转动，从而带动导叶轴的从动拨叉旋转，安装在从动拨叉上的弹性环发生弹性变形，进而产生弹性力，当叶片的所受的气动力矩和弹性环产生的弹性力矩达到平衡时，叶片停止转动到达平衡位置，既旋转到一定开度，从而起到调节涡轮进口流量的作用.

图1 弹性约束导叶喷嘴环及涡轮几何模型Fig.1 VNT model with elastic restrained guide vanes

Wang 等[11]通过CFD数值模拟的方法验证了该方案的可行性，在某一振幅和频率脉冲进气条件下，通过与传统VNT对比，发现弹性约束导叶VNT可以提高涡轮的流通能力并提高输出功率.为了解弹性约束导叶涡轮在不同脉冲进气条件下的非稳态特性以及与传统VNT的不同，文中针对不同脉冲进气条件对弹性约束导叶和传统VNT 进行了数值模拟，旨在了解不同脉冲进气频率和幅值对弹性约束导叶VNT性能以及两种VNT的性能差别的影响.

1 数值方法及模型验证

1.1 数值方法及边界条件

文中以国内某可调涡轮增压器为研究模型，此可调增压器涡轮为原VNT,以此为基础设计的弹性约束导叶涡轮为新VNT.发动机以及涡轮增压器涡轮的详细参数信息请参照文献[12].采用商用CFD软件ANSYS CFX软件对非定常流场进行了数值模拟.计算中采用了剪切应力传递(SST)模型.采用流-固耦合方法，利用动网格技术模拟弹性约束导叶的运动情况，为了减少计算时间和计算量并得到精确的仿真结果，文中将“相移法”应用于瞬态气动气流的计算.利用Turbogrid预处理软件生成计算域网格.对靠近壁面的网格进行细化获取边界层内参数的梯度.用于傅里叶变换方法的双通道网格如图2所示.网格的详细信息以及相关设置请参考文献[12].涡轮入口边界条件为总压、总温及速度方向，出口为涡轮出口平均静压.采用绝热无滑移固壁条件结合壁函数方法.143 000 r/min的恒定涡轮转速，涡轮进气脉冲频率为40 Hz、60 Hz，振幅为25 kPa、10 kPa.以发动机最大扭矩点的涡轮进口条件作为涡轮平均进口总压，其值为97.8 kPa，平均总温为857 K.弹性约束装置的弹簧刚度为0.05 N·m/rad，弹簧刚度的选取原则可参见文献[13].

图2 双通道网格及导叶前缘和尾缘网格分布Fig.2 Double -passage fluid grid and grid distributions at the leading and trailing edges of the guide vane

Cerdoun等[13]通过非稳态试验得到车用增压器径流涡轮的进口参数变化情况，试验表明，涡轮前废气压力和温度均随时间变化，其波动近似正弦波.因此文中把涡轮进口压力和温度简化成正弦波来处理.涡轮入口边界条件如图3所示.

图3 涡轮进口不同脉冲总压和总温边界条件Fig.3 Total pressure and total temperature boundary conditions at the turbine inlet

1.2 CFD数值方法实验验证

利用原涡轮性能试验的测量数据，对CFD数值方法进行了验证.图4出示了CFX数值计算的涡轮质量流量和等熵效率与实验结果的对比情况.可以看出，该模型的数值结果与实验结果吻合较好，差异小于5%，因此，该数值模型是可信的.

图4 原涡轮的实验与数值计算性能对比Fig.4 Experimental and simulation results of original turbine

2 结果分析

2.1 不同脉冲条件下新VNT非稳态性能

在涡轮非稳态数值计算中，涡轮总-静的瞬态效率和质量流量参数(mass flow parameter,MFP)可以通过下式进行定义：

(1)

(2)

图5给出了原、新VNT的MFP对比结果.可以发现，不同脉冲进气条件下，原、新VNT的对比结果是相似的.在低膨胀比区域内，新VNT的MFP低于原VNT，而在高膨胀区域内高于原VNT.并且，新VNT的迟滞环面积都大于原涡轮，说明弹性约束导叶VNT使涡轮内部脉动增强.具体地，对比图5(a)和(b)可以发现相同振幅，不同频率下，原、新VNT的特性曲线相交的位置基本一致，这是由于进气振幅相同，弹性约束导叶VNT的导叶旋转角度基本相同，如图6给出了不同脉冲进气条件原、新VNT导叶开度变化.由于发动机工况没有发生变化，因此，原VNT导叶是静止不动的，而在新VNT中导叶自适应流场变化而发生旋转.在图5(b)中，可以发现脉冲频率较高时，两型涡轮的在低脉冲压力区域迟滞环面积更大，且在新VNT中这种现象更明显，这是由于在大振幅和高频率的情况下脉动更强.为了对一个脉冲周期内的原、新涡轮的MFP进行综合评价，计算了一个脉冲周期内原、新涡轮性能参数的平均值，如图5(d)所示.不同条件下，新VNT的MFP相对于与原VNT都有所提高，具体的，可以发现脉冲进气振幅越小，频率越低(10 kPa，40 Hz)，MFP提升越多.

图5 原、新VNT不同脉冲进气条件下MFP对比Fig.5 Instantaneous turbine MFP against expansion ratio for the new and original turbine arrangements

图6 原、新VNT在不同脉冲进气条件下的导叶开度变化Fig.6 Guide vane opening for the original and new VNTs at different conditions

图7和图8出示了原、新VNT在不同脉冲进气条件下瞬态功率和效率的对比结果.从图中可以看出，在低膨胀比区，新涡轮的输出功率和等熵效率相对原涡轮对应值减小，而在高膨胀比区，新涡轮的输出功率和效率都大于原涡轮的对应值.从图7(d)和图8(d)可以看出，对于功率而言，新VNT与原VNT相比功率在3种脉冲进气条件下分别提升了3.67%、3.15%和2.19%，可见，弹性约束导叶的调节形式增加了涡轮的功率输出.对于效率而言，相同条件下，新VNT相对于原VNT的涡轮效率都有所下降.对于弹性约束导叶涡轮来说，由于涡轮流通能力提高，在不改变发动机平均背压的情况下，可以在管道系统内能够建立更强的压力脉动，所以，最后的涡轮功率势必进一步增加.脉冲进气振幅越大，功率提升率越高，这是由于振幅越大，弹性约束导叶涡轮的流通能力越高，质量流量越大.脉冲频率越低，功率提升率越高，这是由于高频脉冲导致涡轮内部脉动增强，内部损失增加，涡轮效率下降较大造成的.综上可得出：涡轮进口脉冲振幅越大，频率越低，弹性约束导叶VNT功率提升率越高.

图7 原、新VNT不同脉冲进气条件下功率对比Fig.7 Instantaneous turbine power output against expansion ratio for the new and original turbine arrangements

图8 原、新VNT不同脉冲进气条件下等熵效率对比Fig.8 Instantaneous turbine efficiency against expansion ratio for the new and original turbine arrangements

2.2 气流角分析

在一个脉冲周期内，涡轮进口压力和流量波动很大，从而使得进入转子叶片的速度方向经常偏离最佳流动方向.在此种流动情况下，转子入射角损失是涡轮效率下降的主要原因.入射角βi可以定义为

βi=βr-βb

(3)

式中:βr为涡轮进口处的相对气流角;βb为涡轮前缘叶片角,最佳入射角取值范围在-20°～-40°.由于涡轮进口流动呈现脉动形式，导致涡轮进口绝对气流角和相对气流角都呈现脉动形式，入射角偏离最佳入射角范围[14].

图9出示了不同脉冲进气条件下一个脉冲周期内原、新VNT的导叶、转子进口气流角变化规律.可以看出，新VNT导叶进口气流角的变化范围比原VNT的对应值大，并且振幅越大，导叶进口气流角变化也越大.同时可以发现，在大振幅条件下，涡轮转子进口入射角波动范围更大，在脉冲低压区，与原VNT相比，新VNT的涡轮进口入射角的负值更大，偏离最佳入射角范围更远；在高压脉冲周期区，新VNT转子进口入射角值比原VNT更靠近最佳入射角范围.在小振幅条件下，脉冲低压区，原、新涡轮转子入射角都在最佳入射范围，并且相差很小，这是由于文中所选工况为设计点工况；在脉冲高压区，新VNT转子进口入射角更靠近最佳入射区域，并且与原涡轮相差较大.

可以得出结论：当涡轮进口脉冲振幅较大时，在低压脉冲周期内，弹性约束导叶的开度比原涡轮导叶开度小，使得负入射角过大，偏离最佳入射区，因此，其入射损失增大；而在高压脉冲周期内，弹性约束导叶的开度比原涡轮导叶开度大，入射角更接近最佳入射角范围，其入射损失更小.当涡轮进口脉冲振幅较小时，在高压脉冲周期内，新涡轮进口入射角更靠近最佳入射区；而在低压周期内，两型涡轮的入射角相差不大，这解释了小振幅脉冲进气条件新VNT效率下降的少的原因.

图9 不同脉冲进气条件下原、新涡轮气流角对比Fig.9 Instantaneous flow angles at the stator and rotor inlet for the two models in a pulsating cycle

2.3 导叶出口压力损失

由于涡轮包括静子和转子部分，涡轮的损失需由这两部分的损失进行综合评价.对于静子部分，通过引入气体总压损失系数Cp来评估原、新VNT中气体在导叶内造成的流动损失.其中，总压损失系数的定义为

(4)

图10对比了不同脉冲进气条件下原、新VNT导叶出口总压损失系数.可以发现，对于原VNT，总压损失系数规律与脉冲压力变化规律相同，这是由于间隙泄露损失是静子中压力损失的主要来源，并且压力越高，间隙泄露损失越大.对于新VNT，导叶出口总压损失系数的变化规律与脉冲压力、导叶开度变化规律(图6)呈反向变化.基于上述分析可知，在脉冲低压周期内，导叶开度较小，因此流动阻力大，流动损失大，且有研究表明，同一膨胀比，导叶开度越小间隙泄漏流量越大，间隙泄漏损失越大[15]，因此，新VNT导叶出口总压损失系数较大；在脉冲高压周期内，新VNT导叶开度大，流动阻力越小，且导叶开度越大间隙泄露量越小，间隙泄露引起的损失越小，总损失也越小.因此，在两种不同脉冲振幅下，导叶出口总压系数变化呈现与导叶开度变化的相反趋势.同时，可以发现，振幅越大，导叶旋转角度大，所以大振幅条件下的导叶出口总压损失系数越大，新VNT静子内部能量损失越大.这与传统VNT有显然的不同，此时原VNT的静子内部损失主要由脉冲压力决定，而新VNT静子内的损失主要由导叶开度决定.

图10 不同脉冲进气条件下原、新VNT导叶出口总压损失系数 Fig.10. Total pressure loss coefficient at the stator outlet for the two models in a pulsating cycle at different conditions

3 结 论

基于弹性约束导叶可调涡轮的概念，文中进一步研究了不同脉冲进气条件下弹性约束导叶涡轮的非稳态特性，以及进气脉冲幅值和频率对新VNT与原VNT性能差别的影响，具体可以得到如下结论：

① 脉冲进气25 kPa、40 Hz，25 kPa、60 Hz和10 kPa、40 Hz三种条件下的原、新涡轮的非稳态特性.3种脉冲进气条件所对应的新VNT对于原VNT的平均MFP分别提高了1.75%、1.47%和1.83%，并且振幅越小，频率越低，新VNT相对原VNT流量提升越大；新VNT平均效率降低了1.65%、1.99%和0.18%，但新VNT的平均功率输出分别提高了3.66%、3.15%和2.19%，得出结论：脉冲振幅越大，频率越低，新VNT输出功率越大，效率下降越低.

② 一个脉冲周期内新VNT的气流角参数变化大于原VNT的对应值，涡轮进口脉冲振幅较小时，在高压脉冲周期内，新涡轮进口入射角更靠近最佳入射区；而在低压周期内，两型涡轮的入射角相差不大.可得出结论，振幅越小，新VNT的入射损失越小.

③ 新VNT导叶出口压力损失系数大于原VNT对应值，且在一个周期内的变化规律与进口压力和导叶开度变化呈反向规律.同时，振幅越大，导叶出口总压损失系数越大，即新VNT静子内部能量损失越大.这与传统VNT不同，传统VNT的静子内部损失主要由脉冲压力决定，而新VNT静子内的损失则主要由导叶开度决定.