进口旋流条件下径流涡轮性能异化机制研究.pdf
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1、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
2、 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 con
3、dition.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 dist
4、ortion 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 dec
5、rease 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;I
6、nlet 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
7、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
8、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
9、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%
10、。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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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、2
16、5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 validatio
17、n 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
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