车用涡轮增压器混流涡轮的设计

第２３卷第ｌ期２００２年１月

工程热物珥！学报

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ＶｏＩ２３Ｎｏｌ

Ｊａｎ．．２００２车用涡轮增压器混流涡轮的设计

施新马朝臣

北京理丁人学车辆与交通工程学院，北京１０００８１）

摘要为ｒ改善高比转速下增压器的涡轮性能．本文为匹配Ｊ６ｌｌｏｚ柴油机的ＨｌＦ增压器设计了混流涡轮．世计中采用ｒ结台叶轮准三元流动分析的涡轮陛能预测新方法．混流涡轮的性能试验结果显币，与径流涡轮相比，混流涡轮流通能力更大，并且能在更低的速度比Ⅱ／ｃｏ下得到更高的涡轮峰值敛率．

关键词混流涡轮；涡轮增压器；涡轮性能预测

中图分类号一ＴＫ４２３．５文献标识码：Ａ文章编号０２５３２３１ｘ（２００２）ｏｌ加０３５＿０４

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ｌ前言

径流涡轮结构简单、成本低、可靠性好，并且在小尺寸时具有较高的效率，但足高比转速下其出口损失增加导致涡轮效率下降【“。而混流涡轮由丁其叶轮结构能很好地适应气流的转折，凶而其流场速度分布比径流涡轮理想，使得混流涡轮住高比转速Ｆ能保持高的涡轮效率。另外，混流涡轮由于叶轮进口速度具有轴向分量，因此可以存保持释向直叶片的同时得到正的口｜轮进广ｌ角，使涡轮峰值效率点的ｕ／ｃｏ低于传统径流涡轮的设计点值，这一点适应了现代车用涡轮增压技术高Ⅱ三比、小型化的发展方向，并且可以更有效地利用发动机排气能量。

由十上述优点，混流涡轮的研究越来越受到广泛关注，但在，Ｆ用涡轮增压领域，日前仅有ＩＨＩ（日本石川岛播磨）的ＲＨＥ型投入使用．本文针对Ｊ６ｌｌｏｚ型车用柴油机，在其原配Ｈ１Ｆ增压器基础上进行混流涡轮设计，目的是改善高比转速下涡轮的性能。２设计过程

小文府用ｒ改进的涡轮设计方法，它的主要特点是把涡轮性能预测和叶轮流动分析这两个设计体系中重要的分析手段结合起来，从而使叶片形状对涡轮整体性能的影响在设计阶段得以体现。整个设计流程罔如图ｌ所示。

２．１一元设计

一兀设计采用传统径流涡轮的设计准则，它包括损失模型、叶轮进口冲角的选择、出口零涡等．不同之处在于：由于混流涡轮叶轮进口速度具有轴向分量，因此叶轮进口处速度三角形的计算不同于径流涡轮。所设计的混流涡轮叶轮子午面形状如图２所示．由图可以看出，混流涡轮叶轮的斜流角为３０。，这主要是根据初步的流动分析所选定的．２．２叶轮设计

叶轮形状足由子午面轮缘、轮毂曲线和叶片造型所确定的。由于增压器涡轮叶轮采用的是径向直

收穑日期：２００１一∞一０１：修订日期：２００ｌ一１０一１３

作者简介：施新（１９７４一），男，河南洛阡ｊ人，博十．主要从事内燃机增压技术的研究ｒ作万方数据

３６ｊ二程热物理学报２３卷

叶片，因此叶片形状主要是确定某造型圆柱展开面上的叶型曲线。在增压器涡轮叶片设计中．叶型曲线通常采用抛物线，它是由叶片轴向后弯角、叶轮宽度和出口气流角三个参数来确定。在确定了叶型曲线后，本文根据文献［２］提出的曲线犁叶片造型方法确定叶片截面形状，这种叶片端部厚度减小，根部厚度增加，从而提高了叶片的自振频率，减小了叶片的转动惯量。

图１混流涡轮殴计流程图

图２混流涡轮叶轮子午面形状

２．３叶轮模态分析

根据所设计混流涡轮叶轮的叶型数据建立了叶轮的ｉ维实体模型，利用有限元分析软件Ｉ—Ｄｅａｓ对叶轮进行了模态分析。计算出的叶轮一阶振频为１２０００Ｈｚ，由于ＨｌＦ增压器最高工作转速为１０００００ｒ／ｍｉｎ，因此模态分析结果满足车用涡轮增压器涡轮叶轮的强度要求：丘≥５ｎｃ。【…，式中，ｃ为叶轮一阶振频（Ｈｚ），ｎ。。为增压器转速（ｒ／ｓ）。

２．４叶轮流动分析

利用准二元计算程序对混流涡轮叶轮进行了流动分析，并与原径流涡轮叶轮流动计算结果进行ｒ比较（图３）。轮缘流线所在跨叶面计算结果显示，径流时轮在进口吸力面的气流加速比混流叶轮剧烈，并且伴随此加速过程有一减速流动区，这表明径流叶轮轮缘吸力面可能出现分离，由于轮缘处叶片负倚最大，混流叶轮速度分布上的合理性将会使涡轮效率提高。轮毂流线跨叶面速度分布情况也显示出混流叶轮较好的流场分市特件，其沿叶片表面的加速远较径流叶轮平缓。

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图３混流和径流涡轮叶轮跨叶面速度分布

２．５涡轮性能预测

传统径流涡轮设计方法中在完成一元设计后，要进行涡轮性能预测，以检验一元设计方案是否合理，并且通过性能预测能对不同的设计方案进行比较。由ｒ二兀分析方法的复杂性，通常采用一元分析方法来预测涡轮性能。但是一元分析方法不能反映叶片形状对涡轮性能的影响，而具有相同整体尺寸但叶片形状不同的涡轮性能是不同的。为此，本文采用ｒ文献【４】中提出的结合叶轮准三元流动分析的涡轮性能预测方法．

２．５．１影响涡轮叶轮边界层稳定性的因素在文献［４】中，根据旋转系统边界层理论，通过分析减速流动、旋转和叶片曲率对涡轮叶轮边界层稳定性的影响，得出ｒ以下结论：（１）边界层的分离是发生

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