脈沖進氣條件下彈性約束導葉可調(diào)渦輪流場分析

王智慧,王宏波,畢金光

(1.寧波威孚天力增壓技術(shù)股份有限公司,浙江 寧波 315000;2.天津大學機械工程學院,天津 300072)

可變幾何渦輪(Variable Geometry Turbine,VGT)可以在整個發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍實現(xiàn)增壓器和發(fā)動機的良好匹配,已經(jīng)得到大量的工程應(yīng)用[1-2]。然而,調(diào)節(jié)機構(gòu)和控制系統(tǒng)的高復雜性和高成本限制了可變幾何渦輪技術(shù)的應(yīng)用普及[3-4];此外,發(fā)動機氣缸的往復運動導致其輸出的廢氣是脈動形式的,在脈沖增壓系統(tǒng)中的渦輪性能和穩(wěn)態(tài)進氣條件下的渦輪性能存在顯著差別[5-7],目前可調(diào)渦輪的調(diào)節(jié)方式不能主動適應(yīng)廢氣的脈動變化,導致廢氣能量不能被充分利用[8-9]。

基于以上原因,作者提出了一種全新的渦輪流量調(diào)節(jié)機構(gòu)——彈性約束導葉(ERGV)[10],該方案是基于ERGV受到的彈性力矩與氣動力矩相互作用致使導葉自適應(yīng)轉(zhuǎn)動的原理,與常規(guī)可變幾何渦輪系統(tǒng)不同的是,ERGV的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)不是通過主動控制系統(tǒng)(某種執(zhí)行器)實現(xiàn)的,而是一種被動調(diào)節(jié)機構(gòu)——自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

文獻[10]分析了脈沖進氣條件下ERGV渦輪的脈沖適應(yīng)性及不同脈沖進氣參數(shù)下的非穩(wěn)態(tài)性能,結(jié)果表明,ERGV渦輪的輸出功率更高,能夠更好地利用脈沖能量。為了更全面地了解ERGV渦輪在脈沖進氣條件下的內(nèi)部流動情況,以更好地揭示渦輪性能變化的根本原因,本研究對脈沖進氣條件下ERGV渦輪和傳統(tǒng)VGT進行了數(shù)值模擬,旨在了解微觀形態(tài)下EGRV渦輪的內(nèi)部流動機理。

1 數(shù)值方法及模型驗證

1.1 物理模型

ERGV渦輪是在原始渦輪(見表1)基礎(chǔ)上增加彈性約束導葉結(jié)構(gòu)設(shè)計而成的,其流量調(diào)節(jié)裝置由安裝在支承盤上的彈性環(huán)、從動撥叉、導葉葉片以及一些附件組成,三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過申報績效目標，跟蹤項目運行，監(jiān)控資金使用來改進項目管理，最終形成項目績效目標——項目經(jīng)費決策——項目績效評價的良性循環(huán)機制。因此科研項目績效評價并非一種靜態(tài)評價，而是從預算編制、預算執(zhí)行到項目驗收的全過程動態(tài)評價。

表1 原始渦輪主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 彈性約束導葉噴嘴環(huán)及轉(zhuǎn)子幾何模型

對于靜子部分,通過引入氣體總壓損失系數(shù)Cp來評估兩種渦輪中氣體在導葉內(nèi)造成的流動損失,總壓損失系數(shù)定義為

他狼狽地從空中落下，在節(jié)足的支撐下重新穩(wěn)住身體，只覺腳后跟一陣火辣辣地疼痛。他知道，自己左腳的后跟被削掉了一大塊肉，甚至已經(jīng)傷到了骨頭，但他不能去看，因為那會削弱他的意志。

1.2 CFD模型及校核

采用商用CFD軟件ANSYS CFX對非定常流場進行了數(shù)值模擬,并采用流固耦合方法模擬導葉隨氣流的擺動情況。網(wǎng)格模型如圖2所示。數(shù)值模型建立方法及驗證參考文獻[7]。渦輪入口邊界條件為總壓、總溫及速度方向,出口為渦輪出口平均靜壓。渦輪進口條件如圖3所示,其中,渦輪轉(zhuǎn)速為143 000 r/min,渦輪進氣脈沖頻率為40 Hz,振幅為25 kPa。

圖4示出兩型渦輪導葉的旋轉(zhuǎn)角對比。由圖4知,原始渦輪導葉開度不變,而ERGV渦輪導葉在彈性約束裝置的作用下隨著進氣脈沖的脈動而旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)角范圍為6.28°,并且可以發(fā)現(xiàn),ERGV具有很好的跟隨性,體現(xiàn)了其脈沖適應(yīng)性。

圖5示出兩種渦輪在不同時刻導葉出口熵值分布。圖5a中,脈沖相角90°位置,即脈沖壓力最低位置,ERGV轉(zhuǎn)動到最小開度,氣流流動阻力最大,所以可以看到ERGV渦輪導葉出口熵值水平大于原渦輪的對應(yīng)值,并且可以看出,無論是原始模型還是ERGV模型,間隙泄漏損失是導葉通道的主要損失來源。在圖5b中,脈沖相角270°位置,即最高壓力位置,由于壓力大,所以間隙泄漏損失也大,因此,此時刻兩種渦輪的熵值大于90°低壓位置的熵值水平。對比兩型渦輪可以發(fā)現(xiàn),ERGV出口熵值水平低于原渦輪的對應(yīng)值,這是由于ERGV開度大于原始渦輪,氣流流動阻力減小,間隙泄漏損失小,導致此時刻的ERGV渦輪導葉出口熵值水平小于原渦輪的對應(yīng)值。

圖2 雙通道網(wǎng)格及導葉前緣和尾緣網(wǎng)格分布

圖3 幅值25 kPa,頻率40 Hz條件下渦輪進口總壓總溫正弦變化模擬值

2 結(jié)果分析

2.1 渦輪導葉通道(靜子)流場分析

2.學業(yè)成績測量。經(jīng)查閱大量文獻[1][2][3]，可知學生學業(yè)成績的測量都以月考、期中、期末等大型考試中的語文、數(shù)學、英語三科的總分加權(quán)平均，即可當做學生的學業(yè)成績。本調(diào)查中也采取相同的學業(yè)成績認定方法，以七、八、高一、高二四個年段于同一時間測試的第一次月考成績?yōu)閰⒄諛藴省?/p>

圖4 兩型渦輪的導葉旋轉(zhuǎn)角對比

水中自救與水上救助能力是使學生安全成長并全面發(fā)展的重要培養(yǎng)手段，以核心素養(yǎng)觀之，游泳自救與水上救助能力具有三維目標的立體結(jié)構(gòu)。其外在表現(xiàn)為十字漂、水母漂、踩水、著裝游泳、潛泳、游泳技能、人工呼吸、安全運送等游泳安全能力；其內(nèi)核結(jié)構(gòu)則是學生沉著冷靜處理危機情況的自主能力與生命安全意識，強調(diào)如何有效地管理情緒、保持體力、思考和應(yīng)對復雜多變的環(huán)境，從而擺脫險境；其中間聯(lián)系層則是良好的溝通機制和社會參與，強調(diào)學生處理好自救和救助他人的關(guān)系，成為具有安全意識和社會擔當?shù)娜恕?/p>

圖5 兩種渦輪導葉出口熵值分布

圖6示出不同時刻的導葉通道的速度流線圖。在圖6a中,ERGV進口附近氣流的偏轉(zhuǎn)角度升高,導葉的導流效果變差,在導葉出口,氣流速度流線的曲率也增大,氣體流出方向與導葉出口方向的偏離程度增強,結(jié)合圖4導葉旋轉(zhuǎn)角度可以發(fā)現(xiàn),在90°相角位置,ERGV相對于原渦輪導葉調(diào)小3.25°,而導葉出口氣流角變化僅有2.2°(如圖7),可以說明1.05°是由于流線的偏轉(zhuǎn)造成的。在圖6b中,ERGV進口附近氣流的偏轉(zhuǎn)基本與原渦輪相似,此時刻ERGV出口氣流角相對于原渦輪變化了2.98°(見圖7),而從圖4可以發(fā)現(xiàn),此時刻ERGV渦輪相對于原渦輪調(diào)大了2.98°,說明導葉出口氣流角的變化是來自于導葉擺動的變化。這主要是計算工況選擇的是設(shè)計點工況,原渦輪角度處于最佳開度位置的原因。

圖6 兩種渦輪導葉通道流線分布

在氣流作用下,葉片繞軸轉(zhuǎn)動,從而帶動導葉軸的從動撥叉旋轉(zhuǎn),安裝在從動撥叉上的彈性環(huán)發(fā)生彈性變形,進而產(chǎn)生彈性力,當葉片所受的氣動力矩和彈性環(huán)產(chǎn)生的彈性力矩達到平衡時,葉片停止轉(zhuǎn)動到達平衡位置,即旋轉(zhuǎn)到一定開度,從而起到調(diào)節(jié)渦輪進口流量的作用。

(1)

在90°相角位置,兩型渦輪轉(zhuǎn)子內(nèi)部流場分布相似,但是ERGV渦輪中,轉(zhuǎn)子前緣更大的負入射角使得轉(zhuǎn)子前緣流動分離渦強度升高,轉(zhuǎn)子內(nèi)部低速區(qū)域面積更大,因此ERGV渦輪的轉(zhuǎn)子通道能量損失更大。圖11示出兩種渦輪轉(zhuǎn)子出口絕對氣流角沿葉高變化曲線。徑流渦輪在設(shè)計時考慮的轉(zhuǎn)子出口理想流動是絕對氣流角約為0°。可以認為90°相角位置兩型渦輪轉(zhuǎn)子出口氣流過度偏轉(zhuǎn),且靠近輪轂側(cè)30%葉高附近和靠近輪緣側(cè)90%葉高附近的氣流偏轉(zhuǎn)嚴重,其中,輪緣側(cè)氣流過度偏轉(zhuǎn)正是由轉(zhuǎn)子葉尖泄漏流和流動分離的摻混造成的,并且與原渦輪相比,ERGV渦輪轉(zhuǎn)子出口絕對氣流角沿葉高方向變化規(guī)律相似且更靠右側(cè),因此ERGV渦輪轉(zhuǎn)子出口氣流的余速損失更大。

基于上述分析可知:在脈沖低壓周期內(nèi),導葉自適應(yīng)向小開度方向旋轉(zhuǎn),導葉開度越小,流動阻力越大,流動損失越大,且有研究表明,同一膨脹比下,導葉開度越小間隙泄漏流量越大,間隙泄漏損失越大[11],因此導葉總壓損失系數(shù)越高;在脈沖高壓周期內(nèi),導葉自適應(yīng)向大開度方向旋轉(zhuǎn),導葉自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)到較大開度,導葉開度越大,流動阻力越小,且導葉開度越大間隙泄漏量越小,損失越小。總體上,在低壓脈沖周期內(nèi),ERGV導葉出口總壓損失系數(shù)(平均值)相對于原始渦輪的增大了19.6%,高壓脈沖周期內(nèi),ERGV導葉出口總壓損失系數(shù)相對于原始渦輪降低了10.6%。

圖8示出兩型渦輪導葉出口總壓損失系數(shù)對比。由圖8可以發(fā)現(xiàn),原渦輪總壓損失系數(shù)規(guī)律與脈沖壓力變化趨勢相同,這是由于間隙泄漏損失是壓力損失的主要來源,且壓力越高,間隙泄漏損失越大。由于所選工況為設(shè)計點工況,原渦輪導葉開度處于中等開度,噴嘴環(huán)內(nèi)部流動基本處于理想狀態(tài),所以原渦輪導葉總壓損失系數(shù)較小。對于ERGV渦輪,總壓損失系數(shù)的變化規(guī)律與脈沖壓力變化趨勢、導葉開度變化趨勢呈反向變化。

村長差點暈死，一邊扇自己的巴掌一邊大罵鎮(zhèn)長，當然不是當面罵。他罵鎮(zhèn)長吃屎的，這樣的消息居然不知道，還把茶場給了牛皮糖。他罵鎮(zhèn)長是禍兜子，本來不同意把茶場送出去，他硬插手要給人家，弄出個天大麻煩。茶場不要回來，上面會惱火。要回吧，起碼脫身皮。

圖8 兩種渦輪導葉出口總壓損失系數(shù)對比

2.2 渦輪轉(zhuǎn)子通道流場分析

圖9示出相角90°位置轉(zhuǎn)子通道不同弦長截面位置速度云圖,SS表示吸力面,PS表示壓力面,上下兩側(cè)分別為輪緣和輪轂。由于渦輪進口的總壓力低,因此,在轉(zhuǎn)子進口處產(chǎn)生了極大負入射角,轉(zhuǎn)子平均進口入射角都不在理想入射角(-20°～-40°)范圍內(nèi)。在轉(zhuǎn)子通道內(nèi)部,由于輪緣側(cè)的相對速度比輪轂側(cè)大,并且SS側(cè)氣體流速高于PS側(cè),所以在輪緣和SS相交的A處形成了高速度區(qū)。從轉(zhuǎn)子通道4個位置的速度云圖可以看出,兩型渦輪的轉(zhuǎn)子通道速度變化規(guī)律基本相似。圖10示出相角90°位置兩型渦輪轉(zhuǎn)子通道轉(zhuǎn)子前緣分離流線及轉(zhuǎn)子出口熵值分布。結(jié)合圖9可以發(fā)現(xiàn),在轉(zhuǎn)子前緣由于較大負入射角引起兩型渦輪轉(zhuǎn)子前緣附近PS和SS側(cè)都出現(xiàn)了明顯的流動分離現(xiàn)象,因此,在圖9出現(xiàn)了明顯的低速區(qū)B,且ERGV渦輪中的低速區(qū)域大于原渦輪。在圖10中還可以發(fā)現(xiàn),在PS靠近輪轂一側(cè)流動分離更嚴重,如圖A’和B’區(qū)域所示,并且ERGV渦輪分離渦的強度明顯高于原渦輪,在此時刻存在一個特殊的現(xiàn)象,在相鄰轉(zhuǎn)子通道內(nèi)部的PS分離渦團穿過轉(zhuǎn)子葉片的葉尖間隙,構(gòu)成轉(zhuǎn)子葉尖泄漏流的一部分,使流動變得更加復雜(圖10的C’和D’區(qū)域)。這些因素綜合在一起,共同導致在SS和輪緣相交位置出現(xiàn)更低氣流速度和更大旋渦區(qū)域(圖9中D和E區(qū)域),最終造成轉(zhuǎn)子出口輪緣側(cè)靠近SS的高熵區(qū)。在轉(zhuǎn)子出口靠近輪轂處存在低速區(qū)F,這部分損失產(chǎn)生的原因在于在輪轂側(cè)氣體流通面積縮小快,PS、SS以及輪轂端壁與氣體之間的摩擦對氣流影響增強[12]。

圖9 相角90°位置兩型渦輪轉(zhuǎn)子通道相對速度云圖

圖10 相角90°位置兩型渦輪轉(zhuǎn)子前緣分離流線及轉(zhuǎn)子出口靜熵分布

式中:p0*為導葉進口總壓;p1*和p1分別為導葉出口總壓和靜壓。

設(shè)計意圖： 通過小結(jié)，完善知識體系、鞏固所學知識，也為后續(xù)知識的學習埋下伏筆；并通過問題“是不是所有生物的細胞都要通過內(nèi)環(huán)境發(fā)生物質(zhì)交換呢？”，明確單細胞動物與多細胞動物進行物質(zhì)交換的區(qū)別。

圖11 不同相角位置兩型渦輪轉(zhuǎn)子出口絕對氣流角隨葉高變化

圖12示出相角270°位置兩型渦輪轉(zhuǎn)子通道相對速度云圖。圖13示出相角270°位置兩型渦輪轉(zhuǎn)子通道流線及轉(zhuǎn)子出口熵值分布。從圖12可以看出,在原渦輪中,轉(zhuǎn)子前緣PS側(cè)開始出現(xiàn)了流動分離,造成低速區(qū)A,隨著氣流向轉(zhuǎn)子葉片通道下游傳播,氣體加速,到達轉(zhuǎn)子進口導流段出現(xiàn)明顯的分離渦團,造成低速區(qū)域B,同時在靠近PS輪緣一側(cè)出現(xiàn)了由于輪緣側(cè)葉片間隙引起的泄漏流,造成低速區(qū)C。到達轉(zhuǎn)子出口導流段,分離渦團造成的低速區(qū)消失,只有SS側(cè)葉片前緣附近的低速區(qū),由圖13可見,這是由分離渦團和間隙泄漏流摻混造成的,此部分低能氣體最終造成轉(zhuǎn)子通道出口的高熵區(qū)A’和B’。比較兩型渦輪可以發(fā)現(xiàn),ERGV渦輪的轉(zhuǎn)子通道流場情況與原渦輪相似,但其分離渦團強度更低,低速區(qū)域面積更小,轉(zhuǎn)子出口出的高熵區(qū)面積更小,因此,其氣流能量損失更小。結(jié)合圖11可知,轉(zhuǎn)子出口氣流從輪轂到80%葉高附近沒有出現(xiàn)過度偏轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)不足,在90%葉高附近出現(xiàn)嚴重的過度偏轉(zhuǎn),這是由于前面所分析的間隙泄漏流造成的,同時,ERGV渦輪與原渦輪相比,轉(zhuǎn)子出口氣流角曲線靠近左側(cè),轉(zhuǎn)子出口氣流過度偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象較弱,因此,在相角270°位置,ERGV渦輪轉(zhuǎn)子通道內(nèi)的流場損失更小。從圖13也可以看出,ERGV渦輪的出口熵值明顯低于原渦輪,可見ERGV優(yōu)化了高脈沖壓力進氣時的流場分布,提高了渦輪效率。

圖12 相角270°位置兩型渦輪轉(zhuǎn)子通道相對速度云圖

圖13 相角270°位置兩型渦輪轉(zhuǎn)子前緣分離流線及轉(zhuǎn)子出口靜熵分布

圖14示出相角270°兩型渦輪出口沿葉高方向靜壓和總溫的分布規(guī)律。從圖14a可以看出,在70%葉高處出現(xiàn)壓力波谷,這是流動分離以及間隙泄漏摻混引起的轉(zhuǎn)子出口葉片前緣損失造成的,轉(zhuǎn)子PS側(cè)的流動分離導致氣體中的動能不斷轉(zhuǎn)化成為熱能,因此,在圖14b中,可以看出以70%葉高為拐點,高于70%葉高的總溫逐漸增大;而靠近輪轂附近轉(zhuǎn)子出口氣體溫度較高,正如上面所分析的,由于在輪轂側(cè)氣體流通面積縮小快,PS、SS以及輪轂端壁與氣體之間的摩擦對氣流影響增強,氣體溫度較高。

由文獻[1]可知,在一個脈沖周期內(nèi),ERGV渦輪相對于原始渦輪的平均流量和功率分別提升了1.75%和3.67%,效率下降了1.6%。通過上面的分析可知,在脈沖低壓區(qū),ERGV渦輪的導葉、轉(zhuǎn)子的通道損失更高,在脈沖高壓區(qū),ERGV渦輪導葉、轉(zhuǎn)子通道的損失更低,最終導致在一個脈沖周期內(nèi)ERGV渦輪平均效率和原渦輪相比略有下降。由于ERGV渦輪增加了渦輪的流通能力,在效率降低很小的情況下,輸出功率勢必增加,這是ERGV調(diào)節(jié)方式脈沖能量利用的優(yōu)勢所在。

圖14 相角270°位置轉(zhuǎn)子出口沿葉高方向參數(shù)

3 結(jié)論

a) ERGV導葉的脈沖適應(yīng)性導致其導葉旋轉(zhuǎn)角度和氣流角度均發(fā)生變化,一個脈沖周期內(nèi),原始渦輪導葉沒有發(fā)生旋轉(zhuǎn),ERGV旋轉(zhuǎn)了6.28°,ERGV的導葉出口氣流角變化了6.5°,原始渦輪導葉出口氣流角變化了1.43°,并且,在低壓脈沖周期內(nèi),ERGV渦輪的導葉出口熵值以及總壓損失系數(shù)高于原渦輪的對應(yīng)值,ERGV導葉通道損失更大,在高壓脈沖周期內(nèi),ERGV渦輪導葉出口熵值及總壓損失系數(shù)低于原渦輪對應(yīng)值,ERGV渦輪導葉通道損失更小;

b) 相角90°位置,轉(zhuǎn)子進口大的負入射角導致轉(zhuǎn)子葉片PS和SS側(cè)都出現(xiàn)嚴重的分離流動,在轉(zhuǎn)子內(nèi)部氣流偏轉(zhuǎn)嚴重不足,從轉(zhuǎn)子葉片出口導流段到轉(zhuǎn)子尾緣,在PS側(cè)在流動分離渦越過葉頂間隙隨后與轉(zhuǎn)子葉尖泄漏流、SS流動分離渦摻混,最終造成轉(zhuǎn)子出口葉片前緣靠近SS的高熵區(qū);ERGV渦輪轉(zhuǎn)子進口負入射角過大,入射角損失更大,轉(zhuǎn)子渦流強度更高,高熵區(qū)水平更高;相角270°位置,轉(zhuǎn)子葉片SS側(cè)的流動分離與間隙泄漏造成轉(zhuǎn)子出口的高熵區(qū),并在90%葉高轉(zhuǎn)子出口附近氣流出現(xiàn)嚴重的過度偏轉(zhuǎn),ERGV渦輪內(nèi)部流場損失更小。