CN113503262A - 一种两级增压系统高低压级涡轮的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两级增压系统高低压级涡轮的仿真方法，其中，该方法的步骤较为简便，设置条件合理；可准确模拟耦合畸变效应对低压级涡轮性能的影响，并实现对该影响的定量和定性分析，基于分析结果可指导改进如何消除该影响。即：得出上游高压级涡轮出口非均匀旋流带来的下游低压级涡轮进口旋涡特性及涡轮级间耦合畸变对低压级涡轮性能的影响，从而指导设计出削弱此种影响的结构，进一步提高匹配了两级增压系统的发动机性能。

Description

一种两级增压系统高低压级涡轮的仿真方法

技术领域

本发明属于叶轮机械增压技术仿真领域，特别涉及一种两级增压系统高低压级涡轮的仿真方法。

背景技术

相比单级增压系统，两级增压系统不但同样具备提升发动机性能的优点，还可以弥补单级增压系统的不足，具有很好的应用价值。但是两级增压系统也存在着不可忽视的问题：

两级增压系统布置较为紧凑，两级增压系统中的涡轮级间存在着复杂的耦合畸变效应，高压级涡轮出口非均匀流动是一个普遍现象，对于低压级涡轮内流动必然会存在影响。

当前阶段，对两级增压系统高低压级涡轮间耦合流动效应的研究较少，如果能够对耦合流动深入研究，就可以在现有的基础上进一步提升涡轮性能。因此，需要考虑涡轮级间耦合畸变效应对低压级涡轮性能的影响，并削弱此影响；但如何对该影响进行定量和定性分析，进而指导实现削弱该影响，成为同行从业人员亟待解决的问题。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明提供一种两级增压系统高低压级涡轮的仿真方法，可解决级间耦合畸变效应对低压级涡轮性能的影响无法进行定量和定性分析的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明实施例提供一种两级增压系统高低压级涡轮的仿真方法，包括：

S10、构建两级增压系统中高压级涡轮和低压级涡轮的仿真模型，并设置边界条件；

S20、将低压级涡轮进口设置总温、总压，出口设置均匀静压，利用CFD软件对低压级涡轮进行数值计算，得到均匀进气条件下低压级涡轮的仿真计算结果及低压级涡轮流量；

S30、按照预设规则选取高压级涡轮计算工况，对高压级涡轮进口设置总温、总压，出口设置步骤S20中的低压级涡轮流量，再利用CFD软件对高压级涡轮进行数值计算，得到高压级涡轮的出口的流场分布数据，包括：高压级涡轮出口非均匀的总压、速度场；

S40、将低压级涡轮的进口设置步骤S30中高压级涡轮出口非均匀的总压、速度场；低压级涡轮的出口设置步骤S20中的低压级涡轮流量，利用CFD软件对低压级涡轮进行数值计算，得到非均匀进气条件下低压级涡轮的仿真计算结果；

S50、将步骤S40得到的非均匀进气条件下低压级涡轮的仿真计算结果和步骤S20得到的均匀进气条件下低压级涡轮的仿真计算结果进行对比分析，得到均匀进气和非均匀进气条件下对低压级涡轮性能的影响规律并指导削弱此影响。

进一步地，所述步骤S10中，构建两级增压系统中高压级涡轮和低压级涡轮仿真模型，包括：

高、低压级涡轮分段建模，首先完成蜗壳网格的划分，其次对叶轮进行网格划分，最后整合涡轮级网格；其中包括：计算域的划分；

所述计算域的划分包括：高压级涡轮入口与排气管出口管径相同，高压级涡轮出口的圆台形状延长段与低压级涡轮入口相接，圆台底部半径与低压级入口相同；在低压级转子出口处设有圆柱形延长段，延长到低压级涡轮箱出口处。

进一步地，所述步骤S10中，设置边界条件，包括：

选择Perfectair、S-A湍流模型，交界面采用完全非匹配混合平面法；

对于高低压级涡轮出入口面边界条件设置如下：

(1)均匀进气条件下低压级涡轮进口设置总温、总压，出口设置均匀静压；

(2)高压级涡轮进口设置总温、总压，出口设置低压级涡轮流量；

(3)非均匀进气条件的低压级涡轮进口设置高压级涡轮出口的非均匀总压、速度场，出口设置高压级涡轮流量。

进一步地，所述步骤S50中涉及步骤S20和步骤S40的仿真结果的对比分析包括：

均匀进气条件和非均匀进气条件下低压级涡轮效率特性变化数据；

均匀进气条件和非均匀进气条件下低压级涡轮流量特性变化数据；

均匀进气条件和非均匀进气条件下低压级涡轮箱内部总压损失系数的变化数据；

均匀进气条件和非均匀进气条件下低压级涡轮叶轮入口相对气流角沿叶高方向的分布变化数据；

均匀进气条件和非均匀进气条件下低压级涡轮叶轮入口相对气流角周向分布变化数据。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明实施例提供的两级增压系统高低压级涡轮的仿真方法，步骤较为简便，设置条件合理；可准确模拟耦合畸变效应对低压级涡轮性能的影响，并可对该影响进行定量和定性分析，基于分析结果可指导如何削弱该影响。即：得出上游高压级涡轮出口非均匀旋流带来的下游低压级涡轮进口旋涡特性及涡轮级间耦合畸变对低压级涡轮性能的影响，从而指导设计出削弱此种影响的结构，进一步提高匹配了两级增压系统的发动机性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的两级涡轮增压系统高低压级涡轮的仿真方法流程图；

图2为本发明实施例提供的某V型发动机的两级增压系统三维几何模型示意图；

图3a为图2中的A侧两级增压系统中高压级涡轮计算域划分示意图；

图3b为图2中的A侧两级增压系统中低压级涡轮计算域划分示意图；

图4为本发明实施例中提供的低压级涡轮网格示意图；

图5为本发明实施例提供的高压级涡轮出口不均匀流场示意图；

图6为本发明实施例提供的均匀进气和非均匀进气条件下低压级涡轮效率特性曲线对比图；

图7为本发明实施例提供的均匀进气条件和非均匀进气条件下低压级涡轮箱内部总压损失系数对比图；

图8为本发明实施例提供的均匀进气条件和非均匀进气条件下低压级涡轮叶轮入口相对气流角沿叶高方向分布对比图；

图9为本发明实施例提供的均匀进气条件和非均匀进气条件下低压级涡轮叶轮入口相对气流角周向分布对比图；

图10为本发明实施例提供的整流栅结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供的一种两级增压系统高低压级涡轮的仿真方法，参照图1，包括：

S10、构建两级增压系统中高压级涡轮和低压级涡轮的仿真模型，并设置边界条件；

S20、将低压级涡轮进口设置总温、总压，出口设置均匀静压，利用CFD软件对低压级涡轮进行数值计算，得到均匀进气条件下低压级涡轮的仿真计算结果及低压级涡轮流量；

S30、按照预设规则选取高压级涡轮计算工况，对高压级涡轮进口设置总温、总压，出口设置步骤S20中的低压级涡轮流量，再利用CFD软件对高压级涡轮进行数值计算，得到高压级涡轮的出口的流场分布数据，包括：高压级涡轮出口非均匀的总压、速度场；

S40、将低压级涡轮的进口设置步骤S30中高压级涡轮出口非均匀的总压、速度场；低压级涡轮的出口设置步骤S20中的低压级涡轮流量，利用CFD软件对低压级涡轮进行数值计算，得到非均匀进气条件下低压级涡轮的仿真计算结果；

S50、将步骤S40得到的非均匀进气条件下低压级涡轮的仿真计算结果和步骤S20得到的均匀进气条件下低压级涡轮的仿真计算结果进行对比分析，得到均匀进气和非均匀进气条件下对低压级涡轮性能的影响规律并指导削弱此影响。

本实施例中，该仿真方法步骤较为简便，设置条件合理；可模拟耦合畸变效应对低压级涡轮性能的影响，并实现对该影响进行定量和定性分析，基于分析结果可指导改进如何消除该影响。即：得出上游高压级涡轮出口非均匀旋流带来的下游低压级涡轮进口旋涡特性及涡轮级间耦合畸变对低压级涡轮性能的影响，从而指导设计出削弱此种影响的结构。

下面分别对上述各个步骤进行详细的说明：

上述步骤S10中，本发明实施例针对某款V型发动机匹配的两级增压系统，如图2所示，建立三维几何模型。每侧气缸各连接一套两级增压系统，左侧两级增压系统命名为A侧，右侧两级增压系统命名为B侧。以A侧作为实施例进行后续分析。

随后基于高低压级涡轮的几何模型，利用CFD软件建立仿真模型。高低压级涡轮采用分段建模的方法，实施例中首先对蜗壳网格划分，其次对叶轮进行网格划分，最后整合涡轮级网格。包括：计算域的划分、模型网格的建立；

本实施例的计算域的划分如图3a-3b所示：高压级涡轮入口与排气管出口管径相同，高压级涡轮出口有圆台形状延长段与低压级涡轮入口相接，圆台底部半径与低压级入口相同。由于涡轮进、出口的边界条件对于流动会产生不同情况的反射，为了减小这种情况带来的影响，在低压级转子出口处做了适当的圆柱形延长段，延长到低压级涡轮箱出口处。

图4为本发明实施例中A侧低压级涡轮网格示意图。在涡轮箱入口段，出口段均增加了蝶形网格结构，有利于提升固壁面处附近的网格质量。

设置边界条件：本发明实施例中选择Perfectair、S-A湍流模型，交界面采用完全非匹配混合平面法。对于进出口及固壁面条件：均匀进气条件下低压级涡轮进口设置总温、总压，出口设置均匀静压。高压级涡轮进口总温、总压，出口面设置低压级涡轮流量。非均匀进气条件的低压级涡轮进口设置高压级涡轮出口的非均匀总压、速度场，出口设置高压级涡轮流通流量。固壁面给定绝热无滑移边界，且给定转子叶片和轮毂的相应转速，其余壁面为静止壁面。

上述步骤S20中，由于在对高低压级涡轮进行数值仿真计算时，受到仿真软件的限制，高、低压级涡轮分开单独计算。首先将低压级涡轮进口设置总温、总压，出口设置均匀静压，利用CFD软件对低压级涡轮进行数值计算，得到均匀进气条件下低压级涡轮的仿真计算结果及低压级涡轮流量；

本发明实施例中进出口设置的条件及提取的低压级涡轮流量如表1所示：

表1低压级涡轮流量及进出口设置条件

上述步骤S30中，按照预设规则选取高压级涡轮计算工况，对高压级涡轮进口设置总温、总压，出口设置步骤S20中的低压级涡轮流量，再利用CFD软件对高压级涡轮进行数值计算，得到高压级涡轮的出口的流场分布数据，包括：高压级涡轮出口非均匀的总压、速度场。

本发明实施例中选取的高压级涡轮的计算工况预选规则是：随着总膨胀比和流量的变化，高压级涡轮膨胀比按与设计点相同的分配比例。如表2所示。

表2高压级涡轮计算工况

实施例中得到的高压级涡轮出口非均匀的总压、速度场如图5所示。

上述步骤S40中，将低压级涡轮的进口设置步骤S30中高压级涡轮出口非均匀的总压、速度场；低压级涡轮的出口设置步骤S20中的低压级涡轮流量，利用CFD软件再对低压级涡轮进行数值计算，得到非均匀进气条件下低压级涡轮的仿真计算结果。

上述步骤S50中，将步骤S40得到的非均匀进气条件下低压级涡轮的仿真计算结果和步骤S20得到的均匀进气条件下低压级涡轮的仿真计算结果进行对比分析，得到均匀进气和非均匀进气条件下对低压级涡轮性能的影响规律并指导削弱此影响。

本发明实施例中得到的均匀进气和非均匀进气条件下低压级涡轮仿真结果对比分析：

图6为均匀进气和非均匀进气条件下低压级涡轮效率特性曲线，由仿真结果可以看出，非均匀进气条件下，A侧低压级涡轮在较低速比时，效率下降程度较大，最大降低了3％，高速比时，效率下降程度较小。随着速比变大，效率下降程度呈现先减小后增大的趋势。此外，非均匀的进进气条件使得最高效率点向大速比方向发生偏移。

另外，实施例还对涡轮箱内部流动进行了分析：图7为均匀进气条件和非均匀进气条件下低压级涡轮箱内部总压损失系数变化图。可以看出，非均匀入流条件会引起涡轮箱内的总压损失大幅度增加。具体来讲，在均匀进气条件下，两者总压损失与速比正相关；在非均匀进气条件下，总压损失系数波动变化，在速比为0.69左右达到损失最大。

实施例还对叶轮内部流动进行了分析：

图8所示为均匀进气条件和非均匀进气条件下低压级涡轮周向平均相对气流角沿叶高方向的分布。由涡轮叶轮的设计参数可知，叶轮的进口叶片角为0°，所以进口攻角大小等于其相对气流角。从图中可以看出，相对气流角沿涡轮叶高分布不均匀。相对来说，非均匀进气条件对A侧叶轮入口攻角的影响更大，使其负攻角变大。

图9为均匀进气条件和非均匀进气条件下低压级涡轮叶轮入口相对气流角沿50％叶高周向的分布图。从图中可以看出，涡舌的存在使得一号叶片处气流角大幅变化，随着方位角的变化，受涡舌影响程度变小，负攻角也逐渐减小。由图也可以明显看出，非均匀入流条件下，A侧涡轮叶轮攻角出现较大程度改变，这是造成A侧涡轮效率变化的又一个重要原因。

针对上述实施例的仿真分析结果，以此消除涡轮级间耦合畸变效应对低压级涡轮性能的影响，考虑在高压级涡轮出口添加相应的结构，从而改善其出口流场的不均匀性。

本发明实施例提供一种整流栅结构，参照图10所示，在高压级涡轮出口的高压力畸变区域添加整流栅，消除级间耦合畸变效应对低压级涡轮性能的影响，提升低压级涡轮性能，使其出口流场实现均匀。

该整流栅外部为圆管状，内部沿管体轴向方向设置横截面为十字形的叶片，将管内空间分割为均匀的4个区域；其中相邻的两个区域内，在管内壁与叶片之间等间距再设置两个叶片；在另外两个区域内，各设置一个叶片，进一步分割成扇形，设置的叶片与上述十字形叶片夹角为45°。

上述内部焊接交错叶片作为导流结构。高压级涡轮出口加装整流栅后，流体通过弯管的流态分布趋于均匀，横向环流的大幅减少，流体基本沿管程方向直线流动，流态得到改善，从而起到整流作用。通过减小气流流通截面积，使气流流速增加、压力下降，流场变得更加均匀，从而有效减少高压畸变区域范围，提高下游低压级涡轮性能。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种两级增压系统高低压级涡轮的仿真方法，其特征在于，包括：

S10、构建两级增压系统中高压级涡轮和低压级涡轮的仿真模型，并设置边界条件；

S20、将低压级涡轮进口设置总温、总压，出口设置均匀静压，利用CFD软件对低压级涡轮进行数值计算，得到均匀进气条件下低压级涡轮的仿真计算结果及低压级涡轮流量；

S30、按照预设规则选取高压级涡轮计算工况，对高压级涡轮进口设置总温、总压，出口设置步骤S20中的低压级涡轮流量，再利用CFD软件对高压级涡轮进行数值计算，得到高压级涡轮的出口的流场分布数据，包括：高压级涡轮出口非均匀的总压、速度场；

S40、将低压级涡轮的进口设置步骤S30中高压级涡轮出口非均匀的总压、速度场；低压级涡轮的出口设置步骤S20中的低压级涡轮流量，利用CFD软件对低压级涡轮进行数值计算，得到非均匀进气条件下低压级涡轮的仿真计算结果；

S50、将步骤S40得到的非均匀进气条件下低压级涡轮的仿真计算结果和步骤S20得到的均匀进气条件下低压级涡轮的仿真计算结果进行对比分析，得到均匀进气和非均匀进气条件下对低压级涡轮性能的影响规律并指导削弱此影响。

2.根据权利要求1所述的一种两级增压系统高低压级涡轮的仿真方法，其特征在于，所述步骤S10中，构建两级增压系统中高压级涡轮和低压级涡轮仿真模型，包括：

高、低压级涡轮分段建模，首先完成蜗壳网格的划分，其次对叶轮进行网格划分，最后整合涡轮级网格；其中包括：计算域的划分；

所述计算域的划分包括：高压级涡轮入口与排气管出口管径相同，高压级涡轮出口的圆台形状延长段与低压级涡轮入口相接，圆台底部半径与低压级入口相同；在低压级转子出口处设有圆柱形延长段，延长到低压级涡轮箱出口处。

3.根据权利要求1所述的一种两级增压系统高低压级涡轮的仿真方法，其特征在于，所述步骤S50中涉及步骤S20和步骤S40的仿真结果的对比分析包括：

均匀进气条件和非均匀进气条件下低压级涡轮效率特性变化数据；

均匀进气条件和非均匀进气条件下低压级涡轮流量特性变化数据；

均匀进气条件和非均匀进气条件下低压级涡轮箱内部总压损失系数的变化数据；

均匀进气条件和非均匀进气条件下低压级涡轮叶轮入口相对气流角沿叶高方向的分布变化数据；

均匀进气条件和非均匀进气条件下低压级涡轮叶轮入口相对气流角周向分布变化数据。

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