溫華兵, 王家昊, 於克良, 郭俊華, 劉紅丹, 劉 揚

(1.江蘇科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212100; 2.重慶江增船舶重工有限公司,重慶 402263)

隨著人類社會的發(fā)展,能源危機與環(huán)境污染的問題日益加劇,綠色、環(huán)保和低碳已成為了當今世界社會發(fā)展和經(jīng)濟增長的主流,導(dǎo)致排放法規(guī)日益嚴格,對內(nèi)燃機的運行和排放提出了更高的要求,因此渦輪增壓技術(shù)在內(nèi)燃機中得到了廣泛的應(yīng)用,尤其是船用柴油機能效法規(guī)日益嚴格的船舶行業(yè)[1-3]。但由于船用柴油機運行時燃料燃燒產(chǎn)生的固體顆粒隨高溫高壓的尾氣一同進入渦輪,在尾氣的攜帶下加速并撞擊噴嘴環(huán)和葉輪,對表面造成沖蝕磨損,導(dǎo)致葉片和噴嘴環(huán)表面材質(zhì)剝落,表面粗糙度增加,不僅會縮短葉片的使用壽命,同時也會造成可變幾何渦輪增壓器(variable geometry turbocharger,VGT)和柴油機運行效率的下降。因此探究船用柴油機尾氣顆粒對可變渦輪增壓器沖蝕磨損的影響規(guī)律,分析其對增壓器運行效率的影響具有較大的實際意義。

Shanov等[4]研究了顆粒對涂層金屬的侵蝕行為,分析了顆粒撞擊角度、顆粒質(zhì)量以及溫度和顆粒速度對磨損速率的影響。Hamed等[5]在風(fēng)洞中進行了渦輪葉片有無涂層時在不同沖擊條件下的沖蝕試驗,結(jié)果表明,隨著粒子撞擊角度和尺寸的增大,沖蝕率和表面粗糙度均隨之增大。Evstifeev等[6]在改進的風(fēng)洞中對某壓氣機葉片進行固體顆粒侵蝕試驗,評估葉片材料的抗沖蝕性能,并對試驗數(shù)據(jù)進行擬合,得到了臨界顆粒速度與顆粒粒徑的關(guān)系。Panakarajupally等[7]的研究表明,沖蝕速率隨顆粒速度、粒徑和溫度的增加而增大,而且在小沖擊角度下,材料表現(xiàn)出塑性材料的沖蝕模式。Azimian等[8]研究了燃燒產(chǎn)生的顆粒對徑向渦輪的磨損,發(fā)現(xiàn)靜葉尾緣和動葉壓力面的中心區(qū)域磨損最嚴重。Xiao等[9]通過數(shù)值模擬研究了燃氣輪機中固體顆粒對熱障涂層的沖蝕,發(fā)現(xiàn)渦輪出口壓力、涂層厚度和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是影響涂層可靠性的關(guān)鍵參數(shù)。Biglarian等[10]研究發(fā)現(xiàn)葉輪眼和葉根處的沖蝕速率較高,與試驗?zāi)Ｐ臀呛陷^好,同時表明Finnie模型對于類似工況的壓縮機的磨損區(qū)域預(yù)測具有良好的一致性。Finnie[11]通過試驗研究了剛體磨料顆粒撞擊塑性材料的沖蝕磨損機理,對磨損率與顆粒撞擊材料時的速度與角度之間的關(guān)系給出了數(shù)學(xué)表達式,提出了微切削磨損理論。張鶴等[12]通過數(shù)值模擬研究分析了直徑大顆粒與壁面碰撞。趙睿杰等[13]采用計算流體力學(xué)與離散單元法相結(jié)合的方法對粗顆粒磨損的特性進行了數(shù)值模擬。閆樂等[14]基于ANSYS CFX軟件,結(jié)合歐拉-拉格朗日方法探究了顆粒對離心泵葉片造成的磨損情況。關(guān)海達等[15]研究了支撐結(jié)構(gòu)(角度)和管長對薄壁管沖擊微動損傷行為的影響,并對其界面響應(yīng)和磨損機制進行分析。杜明超等[16]針對顆粒的沖蝕磨損過程建立了基于拉格朗日法的耦合數(shù)值計算模型,分析了顆粒沖擊延性材料的運動學(xué)行為和凹坑輪廓形態(tài)。但目前對于固體顆粒沖蝕磨損的研究主要集中在固體顆粒對發(fā)電廠汽輪機、航空發(fā)動機、各類引風(fēng)機和壓氣機的運行效率和安全性的影響,以及各種不同涂層的抗沖蝕性能研究,對船舶柴油機尾氣顆粒對可變渦輪沖蝕磨損影響特性的分析研究很少涉及。

本文基于Finnie數(shù)學(xué)模型和歐拉-拉格朗日法,建立可變混流增壓器葉輪葉片沖蝕磨損模型,以提高仿真試驗與真實情況的吻合度。然后根據(jù)數(shù)值仿真所得的噴嘴環(huán)和葉輪葉片的磨損率,計算得到不同運行時間下的表面粗糙度,從而探究表面粗糙度對渦輪增壓器噴嘴環(huán)氣動特性的影響。對渦輪增壓器的優(yōu)化設(shè)計起到了指導(dǎo)作用。

1 理論模型與分析方法

1.1 顆粒的基本假設(shè)和運動方程

由于船用柴油機運行過程中產(chǎn)生的尾氣中所含顆粒較少,且顆粒體積分數(shù)遠低于10%,屬于稀相流,故采用歐拉-拉格朗日法來模擬顆粒運行情況。為了簡化計算,引入以下幾點合理的假設(shè):①由于固體顆粒含量較少,屬于稀相流,故顆粒對流場的作用可以忽略不計,采用單相耦合;②忽略顆粒的旋轉(zhuǎn)、團聚和破裂以及顆粒間的相互碰撞;③將顆粒視作球形顆粒,并且不考慮壁面因顆粒撞擊造成的幾何形狀的變化,即模擬為穩(wěn)態(tài)模擬。

顆粒的運動方程[17]為

(1)

式中:vp和vf分別為顆粒、氣體速度;ρp,ρf分別為顆粒、氣體密度;CD為黏性阻力系數(shù);g為重力加速度;右式第一項為單位質(zhì)量顆粒所受到的阻力,第二項為單位質(zhì)量顆粒所受重力與浮力之差;Fx為顆粒所受其他力之和,包括Saffman升力、布朗力和其他附加力。由于本文中氣流所含顆粒較少,且氣流與顆粒的密度相差較大,氣流中這些力對顆粒相的影響很小,可以忽略不計。

1.2 磨損模型

固體顆粒對壁面的沖蝕磨損機理非常復(fù)雜。一方面,沖蝕率與顆粒的撞擊速度、角度、顆粒的物理性質(zhì)有關(guān);另一方面,它與壁面材料的剛度、延性和粗糙度有關(guān)。本文選用Finnie模型[18]研究顆粒對葉片的沖蝕磨損,該模型反映了顆粒的撞擊速度和角度與葉片表面沖蝕率的關(guān)系,其表達式為

(2)

式中:E為無量綱質(zhì)量;k為常數(shù);vp為顆粒撞擊速度;γ為撞擊角;f(γ)為撞擊角的無量綱函數(shù)

(3)

磨損量由式(4)計算

me=ENpmp

(4)

式中:mp為顆粒質(zhì)量流量;Np為撞擊壁面的顆粒數(shù)目。

1.3 表面粗糙度的數(shù)值分析方法

表面粗糙度一般是指由于加工或其他因素導(dǎo)致的表面幾何不平整。本節(jié)對噴嘴環(huán)和葉輪葉片表面粗糙度的處理采用CFX軟件、壁面函數(shù)法和等效沙粒粗糙度模型,其中壁面函數(shù)法是在Launder和Spalding的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[19]。近壁速度的對數(shù)關(guān)系為

(5)

其中,

(6)

(7)

式中:u+為近壁速度;uτ為摩擦速度;Uτ為已知的距離壁面Δy處的切向速度;y+為距離壁面的無量綱距離;τw為壁面剪切應(yīng)力,κ為von Karman常數(shù);C為對數(shù)層常數(shù),取決于壁面粗糙度;ρ為密度。

由于壁面的表面粗糙度會顯著增加近壁湍流產(chǎn)生項,而且又會反過來造成壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和切應(yīng)力的增加。因此,為了使表面粗糙度的影響與試驗結(jié)果吻合的更好,CFX中使用式(8)考慮粗糙度的影響

(8)

式中,B=5.2,偏移量ΔB可以表示為

(9)

式中,等效沙粒粗糙度ks與修正沙粒粗糙度ks的關(guān)系可以寫成

(10)

式中,ν為流體的運動黏度。

式(11)給出了等效沙粒粗糙度ks與幾何平均粗糙度Ra的關(guān)系,其關(guān)系由Morini等和Koch等[20]提出

ks=6.2Ra

(11)

由于渦輪噴嘴環(huán)和葉輪葉片涉及表面邊界層分離和轉(zhuǎn)捩等流動,故使用剪切應(yīng)力傳輸(shear-stress transport,SST)湍流模型和γ-θ轉(zhuǎn)捩模型。其中求解間歇因子的方程和動量厚度雷諾數(shù)方程為

(12)

考慮到粗糙度對轉(zhuǎn)捩的影響,需對動量厚度雷諾數(shù)進行修正

Reθt,rough=Reθt·f(k)

(14)

1.4 渦輪氣動性能分析方法

由1.1節(jié)～1.3節(jié)分析可知,噴嘴環(huán)和葉輪葉片的表面粗糙度增大后,噴嘴環(huán)和葉輪葉片尾緣的分離損失增大,吸力面和壓力面的流動邊界層厚度、靜熵和湍流動能也隨之增大,導(dǎo)致渦輪的運行性能下降,因此本節(jié)主要分析表面粗糙度對渦輪效率的影響。通常使用總壓損失系數(shù)來表征葉柵損失,分析表面粗糙度對級內(nèi)損失的影響,總壓損失系數(shù)越高,總壓損失越大?？倝簱p失系數(shù)的定義如下

(15)

式中:P1t為入口總壓;P2t和P2分別為出口總壓和出口靜壓。需注意進出口的總壓力取質(zhì)量加權(quán)平均,因為在渦輪內(nèi)部的流動時是可壓縮的。下面對不同開度下的噴嘴環(huán)在不同粗糙度下的總壓損失系數(shù)進行對比分析。

2 數(shù)值模擬設(shè)置

2.1 仿真模型與計算條件

本文對某型號的可變混流渦輪增壓器的渦輪端進行數(shù)值模擬分析,其幾何模型如圖1所示,包括進氣道、渦殼、葉輪、噴嘴環(huán)葉片(按照順時針方向命名為b1～b24),其主要幾何參數(shù)如表1所示?？勺儨u輪的開度范圍依次為0,25%,50%,75%和100%。其中:0代表噴嘴環(huán)喉口面積最小的情況,即喉口之間的距離最短;100%代表噴嘴環(huán)處于喉口面積最大時的情況。噴嘴環(huán)開度隨著柴油機運行負荷增加而增大,匹配不同運行工況下的發(fā)動機。

表1 渦輪主要幾何參數(shù)

圖1 渦輪幾何模型Fig.1 Geometric model of turbine

渦輪的工作介質(zhì)為連續(xù)高速的可壓縮空氣,其中包含燃油燃燒產(chǎn)生的廢氣和顆粒物,其內(nèi)部的流場為典型的湍流流動,擬采用雷諾時均N-S方程和SST湍流模型,其中SST模型考慮了湍流切應(yīng)力,適用于含有逆壓梯度的流動[21]。

根據(jù)渦輪增壓器實際工作情況,設(shè)置如下邊界條件:

顆粒相——在渦輪入口處,顆粒的滑移速度為零,即顆粒的入射速度與氣流的入口速度一致,顆粒垂直于渦輪入口進入,位置隨機。顆粒為船用柴油機燃燒產(chǎn)生的煙灰顆粒,密度為2 000 kg/m3,直徑分布范圍為1～10 μm,顆粒的入口質(zhì)量流量為1×10-3g/kg,指定顆粒的數(shù)目為5 000個。這里需要注意的是,5 000并不是顆粒的實際數(shù)量,只是顆粒在空間分布的細化程度。

2.2 網(wǎng)格劃分及其無關(guān)性驗證

網(wǎng)格類型主要有結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格兩種,對于渦輪的進氣道和渦殼,由于其結(jié)構(gòu)不規(guī)則,沿周向曲率變化較大,因非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有較好的適應(yīng)性,故采用四面體網(wǎng)格對其進行網(wǎng)格劃分;對于噴嘴環(huán)和葉輪,使用專業(yè)的渦輪葉片通道網(wǎng)格劃分軟件Turbogrid對其進行六面體網(wǎng)格劃分,并對葉片表面和葉頂間隙進行加密處理。噴嘴環(huán)及葉輪網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 噴嘴環(huán)和葉輪網(wǎng)格Fig.2 Nozzle ring and impeller mesh

通常來說,網(wǎng)格質(zhì)量越高數(shù)量越多,模型的計算結(jié)果就會越精確,但是相應(yīng)的需要的計算資源就越多,為了在保證計算結(jié)果精確性的同時又可以避免需要過多的計算資源,同時排除網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響,對網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證。以渦輪在開度25%下,轉(zhuǎn)速為30 000 r/min為例,分別模擬網(wǎng)格數(shù)量為146萬、194萬、240萬和305萬時的單通道模型,計算結(jié)果如表2所示。

由表2可知,當網(wǎng)格數(shù)量達到240萬以后,各參數(shù)計算結(jié)果基本趨于穩(wěn)定,考慮到計算精度與計算量,選擇240萬左右的網(wǎng)格數(shù)量進行數(shù)值計算。

2.3 表面粗糙度的設(shè)置

在經(jīng)過一段時間后,噴嘴環(huán)和葉輪葉片的磨損量就是各個開度下磨損量的總和。然而在渦輪實際運行情況下,渦輪在一段時間內(nèi)處于不同開度下的運行時間占比并不是固定的,會隨實際情況變化。因此參照中國船級社出版的《船用柴油機氮氧化物排放試驗及檢驗指南》(2011版)中的用于恒速船用主機的試驗循環(huán)(如表3所示)的加權(quán)系數(shù),對本章渦輪不同開度的占比比例進行設(shè)定,如表4所示。

為了分析比較不同表面粗糙度對不同開度下渦輪運行的影響,分別考慮了渦輪運行時間達到1 000 h,2 000 h,3 000 h,4 000 h和5 000 h時的表面粗糙度對渦輪運行的影響。通過數(shù)值仿真所得的噴嘴環(huán)和葉輪葉片的磨損率,計算得到不同運行時間下的表面粗糙度,由于各噴嘴環(huán)和各葉輪葉片的磨損情況不同,計算得到的表面粗糙度也不同,所以通過總磨損量與噴嘴環(huán)、葉輪葉片的總表面積的商值來設(shè)置幾何平均粗糙度Ra,如表5所示。需指出的是,相同時間段,不同開度下設(shè)置的幾何平均粗糙度Ra是一樣的。CFX中是通過設(shè)置等效沙粒粗糙度ks和幾何平均粗糙度Ra來模擬表面粗糙度的影響。

目前信息技術(shù)突飛猛進，要想推動農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的長效、穩(wěn)健發(fā)展，應(yīng)當緊緊抓住網(wǎng)絡(luò)這個有效工具，應(yīng)當依托信息技術(shù)全面整合農(nóng)業(yè)資源，應(yīng)當力爭把可持續(xù)發(fā)展思想滲透到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運營中。應(yīng)當依據(jù)地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實狀況，編制部分科學(xué)合理的發(fā)展方略。比如，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以對農(nóng)業(yè)種植有關(guān)的土壤、水文等要素加以剖析，能夠?qū)r(nóng)業(yè)發(fā)展有關(guān)信息進行深入發(fā)掘，另外給出有效的解決方案。

表5 不同運行時間下的表面粗糙度Tab.5 Surface roughness at different running times

3 計算結(jié)果與分析

3.1 流場模型驗證

在進行渦輪氣固兩相流模擬之前,需要對所建模型的準確性和所選湍流模型的合理性進行驗證。結(jié)合可變渦輪的臺架試驗數(shù)據(jù),以25%開度時的情況為例,對所建模型進行驗證。從圖3中可以看出,模擬與試驗的整體吻合度較好,等熵效率的最大相對誤差為3.93%,相似流量的最大相對誤差為4.63%。誤差的原因主要是幾何建模時對實體模型有一定的簡化,而且模擬計算時假定壁面是絕熱的,實際情況是渦輪與周圍環(huán)境一直存在換熱,但是誤差整體小于5%,說明所建模型和所選方法可行。

圖3 25%開度下試驗與模擬的相似流量和效率對比Fig.3 Comparison of similar flow rate and efficiency between test and simulation at 25% opening

3.2 磨損模型驗證

為了驗證所采用磨損模型的準確性,以文獻[22]中沖蝕磨損試驗所用90°彎管為幾何模型,采用Finnie模型對其進行氣固兩相流計算。彎管幾何模型如圖4所示,模擬條件與文獻試驗條件一致。為了更好地將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比分析,將兩者分別進行歸一化處理,結(jié)果如圖5所示。所選取的位置為圖4中圓圈標注的XZ平面與彎管段壁面的相交線,α為彎管角度(0°～90°),可以看出模擬結(jié)果與試驗結(jié)果整體吻合度較高,說明所采用的磨損模型的計算結(jié)果是準確可信的。

圖4 彎管幾何模型Fig.4 Geometric model of elbow

3.3 表面粗糙度對噴嘴環(huán)流場的影響

圖6和圖7分別為開度0和100%在不同粗糙度下噴嘴環(huán)流場的速度分布云圖,以噴嘴環(huán)b10在50%葉高處速度分布云圖為例,因為噴嘴環(huán)b10為磨損最為嚴重,即粗糙度最大。

圖6 0開度下不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在50%葉高處速度云圖Fig.6 Velocity cloud of nozzle ring b10 at 50% blade height with 0 opening and different roughness

圖7 100%開度下不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在50%葉高處速度云圖Fig.7 Velocity cloud of nozzle ring b10 at 50% blade height with 100% opening and different roughness

對比光滑表面和粗糙表面可以發(fā)現(xiàn),當噴嘴環(huán)表面變得粗糙時,噴嘴環(huán)吸力面和壓力面兩側(cè)的流動邊界層厚度均有所增加,這是因為噴嘴環(huán)表面在受到顆粒沖蝕磨損后變得粗糙,使得表面摩擦阻力的阻滯作用增大,靠近表面附近的流體流速降低,需要更大的邊界層厚度近壁面處才能達到主流速度,而且吸力面的邊界層厚度大于壓力面。另外噴嘴環(huán)尾緣處可以觀察到氣流的減速與輕微的分離,這與流動邊界層厚度一樣,均隨粗糙度的增加而增大,而且也均會造成流動損失的增大。對比圖6和圖8可知,上述現(xiàn)象在不同開度下隨粗糙度增大的變化趨勢相似。

圖8 0開度下不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在50%葉高處靜熵云圖Fig.8 Static entropy cloud of nozzle ring b10 at 50% blade height with 0 opening and different roughness

圖8和圖9分別為開度0和100%在不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10沿50%葉高處的靜熵分布云圖。同一開度下,不同粗糙度下進口處的靜熵大致相同,出口處隨粗糙度的增大有所增大,而且噴嘴環(huán)吸力面和壓力面兩側(cè)的靜熵也隨之增大,吸力面的變化更明顯,另外尾緣處的熵增也較為明顯,說明由于噴嘴環(huán)表面粗糙度的增加導(dǎo)致氣體內(nèi)能的增加,致使噴嘴環(huán)出口處氣體溫度上升,造成了渦輪效率的下降。靜熵分布與流場流速分布情況基本一致,且不同開度下區(qū)別也不大。

圖9 100%開度下不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在50%葉高處靜熵云圖Fig.9 Static entropy cloud of nozzle ring b10 at 50% blade height with 100% opening and different roughness

圖10為開度0,50%和100%在不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10沿50%葉高處表面摩擦因數(shù)分布圖?？梢园l(fā)現(xiàn),在同一開度下,隨著表面粗糙度的增加,表面摩擦因數(shù)隨之增大,導(dǎo)致流動邊界層厚度增加,流動損失增大,而且吸力面的摩擦因數(shù)整體上大于壓力面,導(dǎo)致吸力面的的流動邊界層厚度大于壓力面。另外當表面由光滑變?yōu)榇植跁r,表面摩擦因數(shù)增幅較大,隨著粗糙度的增大,摩擦因數(shù)增幅逐漸減小。這主要是因為當粗糙度較小時,噴嘴環(huán)表面的氣流的水力狀態(tài)處于湍流過渡區(qū),此時壁面摩擦阻力與雷諾數(shù)和粗糙度有關(guān),所以此時表面粗糙系數(shù)的增幅較大;當粗糙度進一步增大時,噴嘴環(huán)表面變?yōu)橥牧鞔植趨^(qū),此時摩擦阻力只與粗糙度有關(guān),與雷諾數(shù)無關(guān),導(dǎo)致表面粗糙系數(shù)的增速隨粗糙度的增大而減小。

圖10 0,50%和100%開度在不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在50%葉高處表面摩擦因數(shù)分布圖Fig.10 Surface friction coefficient distribution diagram of nozzle ring b10 at 50% blade height under different roughness

另外從圖8可以發(fā)現(xiàn),處于0開度下,當粗糙度Ra=51 μm時,在噴嘴環(huán)吸力面前緣處的靜熵大于其他粗糙度下同一位置處的靜熵。這一點可以從圖10(a)中解釋,因為在吸力面相對氣流方向的0.1～0.4這段距離內(nèi),粗糙度Ra=51 μm的表面摩擦因數(shù)最大,而且開度50%下也存在這種情況。在不同開度下,噴嘴環(huán)吸力面的表面摩擦因數(shù)分布趨勢類似,只是數(shù)值隨著開度的增大有所增大,但是壓力面的情況變化較大。對于開度低于50%時,壓力面的摩擦因數(shù)先是單調(diào)遞增,約在0.95處達到峰值,然后急劇降低,隨著開度的增大,壓力面的整體變化趨勢變得平緩,但依然在0.95處達到最大值。而且噴嘴環(huán)在不同粗糙度下吸力面和壓力面的整體表面摩擦因數(shù)差值隨開度的增大有所減小,這是由于噴嘴環(huán)開度增大,流道橫截面面積增大,使得表面粗糙度對流動的影響有所減小。

圖11和圖12分別為開度0在不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在50%葉高處的湍流動能分布云圖和變化曲線圖,湍流動能是衡量湍流發(fā)展和衰退的重要指標。從圖中可以看到,噴嘴環(huán)表面粗糙度增大使得吸力面和壓力面的湍流動能增大,吸力面的湍流動能峰值向噴嘴環(huán)后緣有所偏移,壓力面則是單調(diào)遞增,在尾緣處達到最大值,隨后急劇降低,而且吸力面的湍流動能整體上大于壓力面。表面從光滑到粗糙度Ra=51 μm的過程中,湍流動能大幅增加,而且噴嘴環(huán)尾部的湍流動能區(qū)域的面積最大,意味著流動邊界層內(nèi)的能量耗散有所增加,流動損失增大,導(dǎo)致渦輪效率下降。另外不同開度下噴嘴環(huán)表面的湍流動能變化情況類似。

圖11 0開度在不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在50%葉高處湍流動能云圖Fig.11 Turbulent kinetic energy cloud of nozzle ring b10 at 50% blade height with 0 opening and different roughness

圖12 0開度在不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在 50%葉高處湍流動能分布圖Fig.12 Turbulent kinetic energy distribution diagram of nozzle ring b10 at 50% blade height with 0 opening and different roughness

3.4 表面粗糙度對噴嘴環(huán)靜壓分布的影響

圖13 為開度0,50%和100%在不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在50%葉高處的靜壓分布圖,表示了噴嘴環(huán)負載能力隨粗糙度的變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn),在同一開度下,隨著粗糙度的增大,噴嘴環(huán)吸力面靜壓值隨之減小,壓力面靜壓值隨之增大,但是幅值變化均較小。隨著開度的增大,噴嘴環(huán)吸力面與壓力面的靜壓差值在逐漸減小。圖中靜壓曲線所圍成的面積表示噴嘴環(huán)所承受的結(jié)構(gòu)載荷的大小。同一開度下,隨著粗糙度的增大,靜壓曲線圍成的面積有所增大,說明吸力面和壓力面兩側(cè)的靜壓差增大,意味著作用在噴嘴環(huán)上的結(jié)構(gòu)載荷也隨之增大,可能會縮短噴嘴環(huán)的使用壽命。

圖13 開度在不同粗糙度下噴嘴環(huán)b10在50%葉高處靜壓分布圖Fig.13 Static pressure distribution diagram of nozzle ring b10 at 50% blade height under different roughness

3.5 表面粗糙度對渦輪氣動性能的影響

圖14分別為開度0,50%和100%在不同開度下不同噴嘴環(huán)總壓損失系數(shù)隨粗糙度的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn),隨著開度的增大,噴嘴環(huán)的總壓損失系數(shù)逐漸降低,這是因為開度增大,噴嘴環(huán)的流道面積增大,氣流分布更加均勻,葉柵損失有所減小。不同開度下,不同位置的噴嘴環(huán)的總壓損失系數(shù)均隨粗糙度增大而增大,但是增加的速率卻隨之減小,趨于平緩。在同一開度下,不同位置的噴嘴環(huán)的總壓損失系數(shù)隨粗糙度的變化趨勢一致,但數(shù)值卻有所不同。這主要是因為渦輪進氣渦殼結(jié)構(gòu)的周向不對稱性,使得噴嘴環(huán)內(nèi)的流場沿周向分布不均勻,而且不同的噴嘴環(huán)的磨損情況不同,導(dǎo)致粗糙度不同,最終造成噴嘴環(huán)之間的總壓損失系數(shù)的不同。

圖14 0,50%和100%開度在不同粗糙度下噴嘴環(huán)總壓損失系數(shù)隨粗糙度的變化曲線圖Fig.14 Curves showing the variation of total pressure loss coefficient of nozzle ring with roughness of 0, 50% and 100% openings

圖15為不同開度下渦輪在不同運行時間下的效率值,圖16為不同開度下渦輪在不同運行時間下的效率下降值。因為粗糙度隨運行時間而增大,而且粗糙度的設(shè)置也是根據(jù)運行時間計算得到,所以以運行時間表示渦輪效率的變化情況更為直觀,更符合實際需求。

圖15 不同開度下渦輪效率隨運行時間的變化曲線圖Fig.15 Curve of turbine efficiency changing with running time at different opening degrees

圖16 不同開度下渦輪效率下降值隨運行時間的變化曲線圖Fig.16 Curve of variation of turbine efficiency decline value with running time at different opening degrees

從圖中可以看出,不同的開度下,渦輪的運行效率隨粗糙度的變化趨勢是一致的,都隨粗糙度的增大而減小,但是效率下降的速率卻在不斷減小,趨勢逐漸平緩,這與噴嘴環(huán)的總壓損失系數(shù)隨粗糙度的變化情況是一樣的。而且粗糙度對不同開度的影響程度也有所區(qū)別,0開度下的效率下降范圍在2.03%～3.32%,100%開度下為1.43%～2.72%,整體來看,開度越大粗糙度的影響越小。因為開度導(dǎo)致噴嘴環(huán)內(nèi)流道面積不同,流道面積越大,粗糙度的影響越小,氣流流動越均勻,而且開度越大,葉輪內(nèi)的氣流分布也更加均勻。但開度25%下下降的效率值卻小于開度50%與75%,這可能是由于開度50%和75%下的渦輪效率高于開度25%的情況,導(dǎo)致粗糙度對其的影響較為明顯,效率下降得更多。

當運行時間達到1 000 h時,渦輪運行效率的下降可達1.4%以上,當運行時間為5 000 h時,減少的效率值可達2.7%以上。雖然隨著運行時間的增加,渦輪效率降低的速率逐漸減緩,但是減小的幅值依然值得重視。說明尾氣顆粒沖蝕磨損造成的噴嘴環(huán)和葉輪葉片表面的幾何不平整,對渦輪的運行效率的影響較為顯著,從而也會造成柴油機運行效果的下降。

4 結(jié) 論

本文基于Finnie磨損模型,采用數(shù)值模擬方法分析了尾氣顆粒對可變混流渦輪噴嘴環(huán)的沖蝕磨損特性。在此基礎(chǔ)上,通過噴嘴環(huán)和葉輪葉片磨損率的計算結(jié)果,引入渦輪運行時間,分析表面粗糙度對渦輪內(nèi)部流場和氣動性能的影響規(guī)律,主要結(jié)論如下:

(1)噴嘴環(huán)吸力面和壓力面兩側(cè)的流動邊界層厚度、靜熵、湍流動能和表面摩擦系數(shù)均隨粗糙度的增大而增大,導(dǎo)致邊界層附近的流動損失增大、氣體內(nèi)能增加、能量耗散增大,但是上述參數(shù)增大的速率卻隨表面粗糙度的增大有所降低。

(2)噴嘴環(huán)兩側(cè)的靜壓差隨粗糙度的增大而增大,使得噴嘴環(huán)的結(jié)構(gòu)載荷增大,可能會降低噴嘴環(huán)的使用壽命。

(3)隨著運行時間(表面粗糙度)的增大,渦輪效率隨之降低,但降低速率卻有所減小。運行時間為1 000 h時,渦輪運行效率的下降可達1.4%以上,當運行時間為5 000 h時,效率下降可達2.7%以上。對不同開度的影響程度也不同,整體上是開度越大,表面粗糙度對效率的影響越小。0開度下的效率下降范圍在2.03%～3.32%,100%開度下為1.43%～2.72%。

(4)針對尾氣顆粒沖擊造成的磨損,應(yīng)采取針對性措施,達到延長渦輪增壓器壽命和提高效率的目的。為渦輪增壓器配備先進的除塵設(shè)備,減少沖擊部件情況的產(chǎn)生。提高部件耐磨性,如使用陶瓷耐磨材料。