可变截面涡轮增压器蜗壳流场分析

Analysis of Flow Field of Volute of Variable Geometry Turbocharger

Lu Chengying；Zhao Yongsheng

（Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China）

摘要：目前涡轮增压器是车用内燃机中的增压器，可变截面涡轮增压器是涡轮增压器，其流场也会伴随蜗壳形状、叶轮、旁通阀等变化而发生变化，本文对于这些可能存在的状况进行了模拟分析，在实验中得出数据，从而推出结论。

Abstract： At present, turbocharger is used as supercharger ofinternal combustion engine for vehicle. Flow field of variable geometry turbocharger is changed with volute shape, impeller and bypass-valve. This paper simulates and analyzes the possible condition, obtains experimental data, and then draws a conclusion.

关键词：可变截面涡轮增压器 蜗壳 叶轮

Key words： variable geometry turbocharger；volute；impeller

中图分类号：U464文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）19-0040-01

0引言

涡轮增压技术在20世纪初期问世，涡轮增压促进了内燃机的发展也改变了内燃机的发展轨迹。优势是在涡轮增压在车用发动机上的使用使得涡轮增压技术有了飞速的发展，可谓是内燃机技术上的又一次革命。目前，国际经济过热，高速发展的经济与日益严重的生态危机同步而来，不可再生资源如石油、煤等的高度应用使得未来的机械发展极不乐观。涡轮增压技术改变了内燃机的原始形态，更加能净化排气可谓是未来发展的主流。可变截面涡轮增压器是涡轮增压器中的一大种类，其中可变截面指的是在涡轮增压系统的中心是可调涡流截面的导流叶片。这些导流叶片可根据转速与排气量的高低自动采取开启或关闭，在低转速时自动关闭可以增大发动机的压力，这样不仅大大改善了低速时的响应时间同时也提高了其加速能力。这样的涡轮增压器运用在汽车发动机上是汽车的一大提高。可变截面是指增压器的截面根据不同需求是可变的，如可变喉口增压器、舌形变截面结构、可变喷嘴环增压器等。

1蜗壳形状及装置的不同对蜗轮流场的影响

在可变截面涡轮增压器的涡轮流场分析中，由于蜗壳形状以及装置的不同，其流场也不同，由于涡舌附近的气流稳定性差流场会出现一定波动。笔者将正常装置的可变喉口增压器蜗壳改装成为涡舌形状更加突出的一种蜗壳，并且把原来的增压中的前后交错进气改成了同时进气一边分析。同时本文采用热线风速仪时一径流涡轮增压器涡轮无叶蜗壳出口流场的测试与分析。得出数据如表1。

从表1中我们可以分析得出经过改进的蜗壳形状使得新的蜗壳的速度、温度、压力都更加均匀，因此在1000r/min和1600r/min工况的等熵效率要比改造前的蜗壳要高。蜗壳在1600r/min工况下的速度、压力分布等情况我们可以看出改造后的的蜗壳在喷嘴侧面0°到60°区域没有出现像原蜗壳一样的速度和压力分布不均匀，这就减少了流动损失，使得流场中的气体压力变的更大，达到了增压的效果，提高了蜗轮效率。

2叶轮流场对蜗壳流场的影响

于此同时，我们也对叶轮流场对蜗壳流场的影响做了研究分析，带叶轮的蜗壳流场与不带叶轮的蜗壳流场呈现出不同的现象，见表2。从表2中我们可以看出在同等状况之下的涡轮带叶轮的与不带叶轮的差距不大，但是同样也可以在不大的差距中发现不带叶轮的蜗壳流场要比带叶轮的蜗壳的流场趋于一致，无论是从速度、压力还是温度分布等情况来看。同样的蜗壳我们可以选择不带叶轮的。但是在喷嘴看周围的速度分布差异较大，这同样是因为带叶轮的蜗壳在喷嘴口的转动使得喷嘴口的流场分布不均。这样的流场分布不均对于增压无实际影响。研究同样表明在靠近蜗壳壁的方位由于壁面的影响速度会比其他地区略低。可见，是否拥有叶轮对于蜗壳流场以至于增压效果影响不大，在研究中对于叶轮的影响也可以忽略不计，实际中的可变截面增压器对于叶轮的要求同样无需苛刻。

3喷嘴宽度对流场的影响

由表3可以得出中同样针对不同宽度的喷嘴做了同样的实验分析，得出的数据表明在同样的涡轮可以看出随着喷嘴宽度的增加，喷嘴出口的温度逐渐增加，同样喷嘴出口的宽度减少，喷嘴出口的温度也相应减小，蜗壳中的焓降增加。当喷嘴宽度继续减小时温度减小的幅度随之变小，流量也随之减小。可以看出蜗壳喷嘴宽度减小可以使得流场向小流量方向偏移。

4旁通阀开关对流场的影响

研究数据得出这样的结论，对于双通道的蜗壳来说，旁通阀对外侧流场的影响远比内侧流场的影响大，可在很大程度上降低其入口压力，有利于连接外侧通道的发动机气缸的排气；旁通阀开启能降低蜗壳喷嘴的平均速度，但使喷嘴的速度分布很不均匀，这也有可能会造成蜗轮叶片的损伤。

参考文献：

[1]房克信.蜗壳型线对喷嘴出口速度分布的影响[D].济南：山东工业大学，1999.

[2]田永祥.涡轮增压器喷嘴叶片低流损翼形型线设计计算方法研究[D].济南：山东大学，2004.

[3]周建华，顾宏中.三维上风法[J].工程热物理学报，1998,19(6).

[4]李莉.径流式涡轮蜗壳内气体流动数值计算[D].济南.