涡轮增压器涡轮叶片的流场分析

摘 要：为了对长期工作在高温高压环境里的涡轮增压器进行定性分析，以明确涡轮的工作状态，本文利用三维建模软件Unigraphics NX建立涡轮模型，并通过CFD软件STAR-CCM+对涡轮增压器涡轮的流场进行计算，研究了涡轮的温度和压力场分布，因为涡轮在高温高压作用时，压力和温度分布对涡轮叶片的强度有一定的影响，为后续的涡轮应力分析工作提供理论依据。

关键词：涡轮增压器；CFD；温度；压力

中图分类号：U464.115 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）03-0054-01

涡轮增压器是利用废气能量来压缩空气的一种经济有效的装置，通过高温高压的废气带动涡轮转动，从而带动同轴的压气机工作[1-2]，本文通过流体软件计算，分析涡轮的压力和温度分布情况以及对涡轮产生的影响。

1 模型的建立

1.1 几何模型

本文利用三维建模软件Unigraphics NX来建立涡轮模型，考虑到涡轮叶片的曲面结构复杂，在不影响计算精度的情况下，对模型进行了简化处理，得到涡轮叶片的三维几何模型如图1所示。

1.2 网格模型

对涡轮叶片进行网格划分的同时，需提取出流体通道，因此本文将流场划分为三段，分别是进气通道、出气通道和涡轮叶片。本文采用非结构化网格，其中通道区域生成494166个网格，涡轮叶片生成238336个网格，网格质量均满足精度要求，得到的网格模型如图2和图3所示。

2 边界条件

涡轮增压器长期处在高速高压下工作，增压器的转子转速高达数万r/min，本文选定工作转速为80000r/min，并对涡轮的内部流场做以下假设：

（1）工作介质为连续、可压缩气体，其他特性参数采用系统默认的数值；

（2）流体流量从涡轮入口流入、从出口流出，忽略涡轮叶片在高速运转下产生的形变对流场的影响。

选择模型：由于流体流动较不稳定，流速的微小变化容易引起能量的交换[3]，因此本文选择k-ε湍流模型。

入口边界条件：入口边界条件一般有质量、压力和速度入口三种，其中压力入口是通用的边界条件，对于不可压缩的流动，选取速度入口，而对于可压缩的流动，则选择质量入口边界条件[4]。本文选定初始边界条件为质量入口，指定入口处的质量流速为0.1kg/s，进口温度为900℃。

出口边界条件：采用压力出口，出口压力为0.134MPa。

固体属性：固体壁面为滑移壁面，传热方式设置成绝热的边界条件，涡轮结构材料为K418高温合金钢，弹性模量为210GPa，屈服极限为780MPa。

3 计算结果及分析

本文利用流体分析软件STAR-CCM+，计算涡轮在80000r/min的情况下的流场分布情况，得到涡轮的温度和压力场分布，并分析通道内的流速分布情况。

3.1 压力和温度场结果

从图4可以看出，整个温度分布呈现规律性。在进口温度900℃的情况下，高温废气经进气通道直接与涡轮叶片接触，热量直接传递给涡轮叶片，最高温度发生在叶片与废气直接接触的凹面部分，高达878℃，温度接近于入口处温度，降低幅度较弱，因为废气沿着通道传递的过程中，热量有一部分散失。

根据涡轮增压器的工作原理可知，废气经过进气通道作用在叶片上，废气的流动方向从径向冲击变成轴向传递，冲击会造成能量的损失[5]，因此轴向方向，温度明显低于纵向叶片上的温度。

图5为涡轮的压力场分布情况，从图中可以看出，沿着气w的流动方向，压力逐渐降低，纵向压力最高，轴向压力较低，最高压力发生在叶尖处，同时叶根处压力也普遍较高，由于燃烧后的废气带有巨大的能量，给叶片很大的冲击，如果叶片强度不够，随着时间推移，在叶尖处会出现裂纹等隐患，给涡轮增压器的正常工作带来不良的后果，因此足够的结构强度是提高保证增压器涡轮正常工作的关键因素之一。目前使用的涡轮材料是高强度铝合金和高温铸造合金，仍有一定的延性范围（约3%～5%）[6]，随着材料技术的发展，目前的新型高强度铝合金材料都有较好的延性，一般可以达到约10%，在破坏前产生大量的塑性变形。

3.2 流速分布结果

速度场分布如图6所示，废气从进气道进入，流速均匀分布，随着涡轮结构的变化，在涡轮叶片拐角处，流速增大，这是因为蜗壳的特殊形状，有引流的效果，在此处将能量转换成动能，并带动与涡轮同轴的压气机旋转，压缩空气，实现将废气的能量有效利用的目的。

4 结语

（1）最高温度和最大压力发生在涡轮叶片与废气直接接触的区域，沿着气体流动方向，温度和压力逐渐降低。

（2）流速分布图和压力温度图结果吻合，有效的反应了压力和温度最高区域的发生原因。

（3）本文只计算转速80000r/min，入口质量0.1kg/s，进口温度为900℃情况下的温度和压力分布，存在一定的局限性，后续仍需要对不同入口质量和入口温度以及不同的转速进行研究，对比分析三者对涡轮的温度和压力分布的影响。

参考文献

[1]朱磊.考虑浮环支承的涡轮增压器转子系统动力学特性研究[D].合肥工业大学，2013.

[2]党启柏.车用双涡圈涡旋增压器的设计研究[D].兰州理工大学，2008.

[3]周G.柴油机冷却液流动及流固耦合传热的仿真研究[D].大连理工大学，2013.

[4]张新.车用可变涡轮增压器涡轮流场CFD分析[D].昆明理工大学，2012.

[5]李元颖，冯耀南，杨晓琴. CFD在涡轮排气管增压器流场分析中的应用[J].内燃机与配件，2014，11：11-13.

[6]赵俊生，马朝臣，胡辽平.车用涡轮增压器叶轮破裂转速的弹塑性数值分析[J].机械科学与技术，2008，01：45-49.