雙通道蝸殼徑流渦輪的設計與流動機理研究

劉云堃， 楊名洋， 鄧康耀， 陳化， Ricardo Martinez-Botas

(1. 上海交通大學， 上海 200240； 2. 柴油機增壓技術國家重點實驗室， 天津 300400；3. 帝國理工學院， 倫敦 SW7 2AZ)

雙通道蝸殼徑流渦輪的設計與流動機理研究

劉云堃1， 楊名洋1， 鄧康耀1， 陳化2， Ricardo Martinez-Botas3

(1. 上海交通大學， 上海 200240； 2. 柴油機增壓技術國家重點實驗室， 天津 300400；3. 帝國理工學院， 倫敦 SW7 2AZ)

低負荷下的扭矩對于小型發動機十分重要，其決定了汽車的駕駛性能。配有雙通道蝸殼的渦輪已被證實在瞬態性能和氣缸掃氣方面具有極大優勢。本研究通過數值方法，比較了不同部分進氣條件下雙通道徑流渦輪的性能。設計了一個雙通道徑流渦輪，以達到某國外混流渦輪(帶有可變噴嘴的渦輪A)的流通能力。借助軟件ANSYS-CFX，采用穩態數值模擬方法來實現全部進氣和部分進氣條件下渦輪的性能預測。基于不同進氣條件(葉根進氣HI和葉尖進氣SI)的性能比較結果進行流動機理分析。結果顯示SI比HI具有更好的性能，且傳遞到葉輪的流動在通道內產生了完全不同的渦流結構。對于HI進氣，產生于葉輪葉根處的渦流逐漸遷移到葉尖區域，而SI進氣正好相反，這即是HI進氣較SI進氣具有更高流動損失和更差性能的原因。

渦輪增壓； 徑流渦輪； 雙通道蝸殼； 部分進氣； 流動分布； 仿真

隨著低碳出行需求的不斷增加，汽車行業必須開發出更為高效與小型化的發動機，其中最為有效的方法就是使用渦輪增壓。渦輪起著回收廢氣能量的關鍵作用，因此吸引了大量的研究。由于氣缸的間隔點火，發動機歧管內的廢氣發生顯著脈動。為了使多缸機達到更好的掃氣性能和加速性能，雙通道蝸殼被廣泛應用于渦輪當中[1-3]。在實際脈動條件下，雙通道蝸殼兩支進口的瞬態壓力總是不同的，這些情況被認為是部分進氣；而全部氣流經由葉尖處或葉根處進入的極端情況也要考慮在內[4-5]。

雙通道渦輪的流通特性對于發動機與渦輪增壓器的匹配是至關重要的，但是目前關于配有雙通道蝸殼的渦輪的研究還很少。針對單通道渦輪的一維性能預測模型已被廣泛關注[6-8]，但是雙通道渦輪的一維模型還沒有進入人們的視野。C. F. Fredriksson，QiuXuwen和N. C. Baines[9]將單通道渦輪模型擴展應用到了雙通道渦輪，用來進行配有對稱及非對稱蝸殼渦輪的性能預測。對于蝸殼的混合損失，加入一個新的渦旋系數，并以總壓損失的形式表現混合渦旋能量的損失。通過全部進氣與部分進氣條件下與試驗數據的對比，可發現質量流量和效率的預測是可靠的，然而在低速時效率預測偏大。A. Hajilouy等[10]修改單通道渦輪模型以分析雙通道渦輪?？紤]到葉根處和葉尖處流動的相互影響，蝸殼的摩擦和尾流損失結合計算，葉根處和葉尖處流動差異造成的葉輪混合損失也須加入其中。通過求解包括葉輪入口處混合過程的控制方程，可計算出熵增情況和損失系數。將五個不同部分進氣條件下的效率預測值與試驗數據進行了比較，二者具有很好的一致性。但是，在葉尖區域進口全封閉時，由于混合損失的不精確造成了最大偏差。因此，雙通道蝸殼的模型還需要更多的驗證，葉輪部分也需要建立具有更高精度的模型。

本研究通過數值方法對不同部分進氣條件下配有雙通道蝸殼的渦輪的性能和流動進行了研究。首先對渦輪的設計過程進行簡要介紹，然后對數值方法進行討論和驗證，最后對預測的性能和流動機理進行詳細的分析。

1 雙通道渦輪設計

以帝國理工學院開發的帶有噴嘴的混流渦輪A為基礎設計一款配有雙通道蝸殼的徑流渦輪。當葉片角為60°時，渦輪的流通能力、設計轉速以及葉片數要和混流渦輪保持一致。入口葉片是徑向的，為了葉輪效率的優化，設計點處的攻角為-20°。混流渦輪的蝸殼帶有噴嘴，因此蝸舌和葉片前緣之間必須留有相當長的距離。對于無噴嘴的雙通道渦輪，這個距離要縮短大約5 mm，以保證緊湊性和強度的平衡。為了保證來流進入葉輪的方向一致，蝸殼A/R的值要減少到28.5 mm。同時，為了保證環形來流分布的均勻性，A/R的周向分布必須是線性的。

兩個渦輪的主要幾何參數見表1。

表1 渦輪主要幾何參數

徑流葉輪和蝸殼內表面的詳細三維幾何形狀見圖1?，F階段尚未對渦輪的應力進行分析，因此厚度和倒角也還未優化。

圖1 徑流葉輪和雙通道蝸殼

2 數值方法

當渦輪設計好后，用三維穩態CFD方法進行性能預測和流動分析。首先，對蝸殼和整個葉輪通道進行網格劃分，蝸殼采用非結構化網格，而葉輪通道采用結構化網格。每個葉輪通道有約200 000個節點，蝸殼有約500 000個節點，總共有約3 400 000個節點。第一個單元的大小被定為2×10-2mm，以保證合理且有較小的y+值。渦輪詳細的網格劃分見圖2。

圖2 渦輪三維網格劃分

RAN方程由軟件ANSYS-CFX求解。湍流使用SST(Sheer stress transport)模型，此模型對于渦輪性能預測來說是可靠的[12]。進口總壓和總溫為進口邊界條件，渦輪出口靜壓為出口邊界條件，渦輪壁面采用絕熱且無滑移壁面條件。為了捕獲蝸殼對葉輪性能的影響，蝸殼和葉輪間使用固結轉子法，在穩態模擬中，此方法對于蝸殼和葉輪之間相互作用的預測是一個合理的選擇。

對于部分進氣條件，蝸殼兩支的進氣壓力通常是不同的。為了評估渦輪在部分進氣條件下的流通能力，定義了幾個評價參數。

壓比：

質量流量參數：

速比：

式中：Rp為壓比；m為質量流量；T為溫度；p為壓力；Pmf為質量流量參數；Rv為速比；v為葉片轉速；Cp為比熱；下標in表示進口參數；下標s表示靜參數；下標t表示滯止參數。

采用數值模擬方法對48 000 r/min時雙通道渦輪的流通能力進行預測，圖3示出預測結果與混流有葉渦輪(葉片角為60°)和混流無葉渦輪(相同的蝸殼，但是去掉噴嘴)試驗數據的對比。徑流渦輪在設計時要求與混流渦輪具有相同的流通能力。由圖3可以看出，最大偏差在2%以內，設計目標已經達到。圖3b示出徑流渦輪和兩個混流渦輪的效率對比。在全部進氣條件下，設計的徑流渦輪的最高效率大約為0.79，這與混流有葉渦輪非常接近，但是明顯高于混流無葉渦輪。這個現象是兩個原因造成的：第一，無葉渦輪較長的空隙會導致更高的摩擦損失；第二，無葉渦輪流動角的變化是由蝸舌控制，而非噴嘴葉片。

圖3 渦輪預測性能

根據預測結果與混流渦輪試驗數據的對比可知設計目標已經達到，同時可證實CFD方法對于之后的分析也是可靠的。

3 結果分析

圖4示出全部進氣和兩種部分進氣條件下雙通道渦輪的預測流通能力。為了方便地比較兩種情況，氣流由葉根處進入的情況命名為HI，由葉尖處進入的情況命名為SI。很明顯，全部進氣時具有最大的流通能力，HI進氣與SI進氣幾乎具有相同的流通能力。這表明流通能力對于部分進氣的渦輪兩支并不敏感。蝸殼的兩支在結構上是對稱的，這與文獻[9]中結果是不同的，文獻中兩種進氣條件下的流通能力是不相等的。

圖4 渦輪流通能力

全部進氣條件下質量流量的一半如圖中虛線所示?？梢宰⒁獾?，HI和SI的流通能力都比全部進氣的一半要高。這一現象已在文獻[8]中進行過討論，文獻指出HI和SI的流通能力一般比全部進氣的一半高出10%～20%[8]。出于渦輪的安全性考慮，蝸殼分隔處和葉片前緣之間需要留有適當的距離。因此，在部分進氣條件下，會有一定量的氣流在壓差驅動下越過蝸殼分隔處進入另一支，這就是研究者發現的導致更高流量的泄漏流。對于目前常用的渦輪，HI和SI進氣通常比全部進氣的一半高出約8%，這主要是蝸殼分隔處與葉片前緣間距離變小導致的。

圖5示出SI情況下泄漏流量和壓力間的關系?？梢园l現，泄漏流量(簡單定義為圖中穿過中間平面的質量流量)隨著壓力差的增大不斷增加。此流量趨勢與圖4中的流量是吻合的，且泄漏流量約占總質量流量的40%～50%。

圖5 部分進氣時泄漏流量的預測值

為了比較不同進氣條件下渦輪性能的差異，在相同的速比(全部進氣的最高效率)下進行了詳細的對比分析，蝸殼入口壓力相同。表2列出全部進氣、HI和SI時葉輪的性能和流動參數。全部進氣時，葉輪的入口流動角為60.4°，與設計值非常接近。然而，在部分進氣的HI和SI情況下，流動角分別增長到68.9°和66.8°，壓比從1.64分別降低到1.51和1.54。HI情況下效率降低了17.4%，SI情況則降低了10.2%。雖然兩種情況下的壓比非常相似，但SI的效率還是明顯高于HI。值得注意的是，蝸殼兩支的結構是對稱的，則兩種情況下蝸殼兩支內的流動模式也是相似的，這可以從蝸殼出口相似的流動角看出。因此，渦輪性能的差異應該是源于葉輪內部。

表2 最高效率時的預測性能及流動參數

圖6示出兩種進氣條件下的葉輪入口處的絕對流動角分布。周向分布是類似的，由90°時的流動畸變可以看出蝸舌的影響，另外也可以清楚地看到兩種進氣條件下的差異。對于HI，葉根處的流動角明顯更高，大部分氣流經由靠近葉根的區域流入葉輪。相反，對于SI，葉尖處的流動角更高，這是因為氣流穿過靠近葉尖的區域流入葉輪。雖然兩種情況位置是相反的，但平均值是相似的。

圖6 葉輪進口處流動角分布

進一步比較了蝸殼截面內的二次流結構，圖7清楚地展示了這種鏡面對稱流動結構。在HI時，葉根分支進入的氣流以正常流的模式朝著蝸殼出口加速流動，在分隔處由于壓差驅動轉向進入葉尖分支，然后，該二次流從葉尖分支再次流出，與主氣流匯合后流入葉輪。SI也有相似的情況(見圖7b)，但SI時形成的渦流尺寸比HI時要小，這體現了葉輪對蝸殼內流動的影響。根據以上的討論，部分進氣的二次流可以歸納為圖7c中的情況。氣流在進入分支時是正常流動，由于蝸殼分隔處存在壓力差，一部分泄漏流隨之產生。氣流在封閉分支內的回旋會產生大尺寸的渦流，最后一定量的氣流從封閉分支內再次流出，并在蝸殼出口處與主氣流混合。

圖7 蝸殼截面的二次流結構

由于蝸殼的結構是對稱的，兩種部分進氣條件下蝸殼兩支內的流動也是鏡面對稱的。但是，這兩種情況卻導致了葉輪入口處完全不同的流動分布，從而使得其性能表現也大相徑庭。

圖8示出兩種部分進氣條件下葉輪入口處的二次流。由圖8可知二者的明顯區別。HI情況下，主氣流是從靠近葉根的區域進入葉輪的，在靠近葉根處會產生一個馬蹄形的渦流，其兩支分別為F2和F4。由于攻角和壓力分布的原因，吸力側的的分支比壓力側的分支增長更快，渦流尺寸也更大。因為葉尖處附近壓力較低，二次流會朝著葉尖處遷移流動。當具有一定動量的氣流接近葉尖處時，氣流和葉尖處的相對流動會在附近產生一個巨大的渦流F1。此外，在葉尖附近幾乎沒有觀察到間隙泄漏。這是因為從葉尖附近流入葉輪的氣流很少。

圖8 葉輪入口處二次流模式

但是，SI情況下，可以清楚地觀察到葉尖間隙泄漏渦(F2)。大部分氣流是經過葉尖附近流入葉輪的，所以葉尖附近會形成一定的葉片負載。葉尖附近的氣流會在壓力差的推動下朝著葉根處遷移，大型的通道渦F1隨之產生。此時葉根附近馬蹄渦幾乎消失，這是因為沒有氣流經由這里進入葉輪。

根據兩種情況的比較可以明確葉輪的二次流模式。對于SI情況，主要的渦流都集中在葉尖附近，對HI情況，渦流聚集在葉根附近。在下面的分析中可以看出，這些不同的渦流在葉輪通道內的演變也是不同的。

為了方便觀察，圖9示出通道出口渦流結構的環形展開圖。可以看出，兩種進氣條件下葉輪通道內渦流的演變是截然不同的。由圖中HI情況可知，大部分渦流在葉輪出口處都會集中在葉尖附近的吸力側。這些渦流結構是由兩個因素造成的：第一，在離心力和壓力差的驅動下，葉根附近的馬蹄渦向上遷移到葉尖處；第二，通道上部的渦流沿著葉尖附近遷移。結合對圖8的分析可知，渦流F1和 F2是圖9葉尖處渦流形成的兩個主要因素。

圖9b示出SI時的渦流結構。與HI不同，渦流結構主要出現在通道的下部，在葉尖附近只有少量葉尖渦，強度與數量都無法與HI情況相比。此外，SI情況下，渦流處在分散狀態，并非連結在一起。結合圖8可知，葉尖泄漏渦在葉尖附近產生，而通道渦在葉輪出口處會遷移到通道下部。

圖9 穿過葉輪的渦流結構(葉輪出口視角)

通道內不同的渦流結構由于發展演變會造成一定的流動損失。更高的熵對應著更高的流動損失。圖10示出葉輪出口處的熵分布(與環境條件相比)。很明顯，HI情況下，最高的流動損失集中在通道葉尖區域，而SI情況下，流動損失多集中在葉根區域。這些現象與上述的渦流結構分布保持一致，而且葉輪出口處的流動損失是整個葉輪流動損失的主因。另外，SI情況的高熵區域面積明顯更小，這也就解釋了SI進氣的性能比HI要好。

圖10 葉輪出口熵分布

4 結束語

配有雙通道蝸殼的渦輪由于其更好的掃氣和加速性能廣泛應用于內燃機中。設計了一款雙通道徑流渦輪，其流通能力與基礎的混流渦輪相當，且最高效率達到約0.8。運用數值方法對其性能和流動機理進行了詳細的分析。

兩種部分進氣條件下，由于蝸殼結構的對稱性，蝸殼分隔處的二次流模式也是對稱的，由此造成了葉輪入口處鏡面對稱的流動分布。

兩種部分進氣條件下葉輪內的流動是不同的。HI條件下，在通道葉根附近會出現明顯的馬蹄渦和通道渦，這些渦流在離心力和壓力差的驅動下在葉輪出口處遷移到葉尖區域。在SI條件下，葉尖泄漏渦和大尺寸的通道渦出現在通道葉尖處，這些渦流會逐步遷移到通道下部的葉根區域。渦流結構會造成葉輪出口處不同的流動損失，從而導致HI進氣比SI進氣性能更差。

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[編輯： 袁曉燕]

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

上海市自然科學基金(STCSM)項目(16ZR1416900)

劉云堃(1991—)，女，碩士，主要研究方向為內燃機渦輪性能預測模型；caroline1991@126.com。

楊名洋(1982—)，男，講師，博士，主要研究方向為內燃機渦輪增壓技術與徑流式葉輪機械；myy15@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.002

TK422.1

B

1001-2222(2017)01-0008-06