脉冲进气导流叶片可调向心涡轮激波调制方法及其模型的建立

The variable geometry turbocharger can improve the dynamic performance, fuel economy and exhaust emission of the vehicle engine, thus it has been focused widely. For the application, the vibration of turbine impeller induced by the shock wave of nozzle which causes the high-cycle fatigue failure of rotor blades. In this paper, a modulation method of shock wave is presented to suppress the negative effects of the shock wave generated by nozzles and to solve the high-cycle fatigue problems of variable radial turbine in pulse inlet condition. Two nozzle vane repairing methods are adopted to reach the above goals. One is a new design idea of slope structure at guide vane trailing edge to disperse the impact of shock wave and determine the analytical expression between them, which is a breakthrough in the general design form of straight nozzle vanes. The other way is that a new groove structure at nozzle vane surface is presented where the shock wave can be generated. By changing the position, number, width, depth, length of the groove and other geometry parameters, the influences of related geometry parameters on shock wave will be summarized. Additionally, the concept of shock control is introduced at the design stage to find the distribution characteristics of the midline curvature and thickness of controllable speed nozzle for the radial turbine. Thus a modeling approach of the controllable speed nozzle radial turbine based on controllable shock wave can be formed. The results of the study provide the theory basis for the reliability of turbocharger and the detailed design of radial turbine nozzle.

可调涡轮增压器可以改善车用发动机的动力性、经济性和排放特性，因此受到广泛的关注。可调涡轮增压器在实际使用中，因导流叶片激波诱发涡轮叶轮振动而发生高周疲劳失效。本项目的目的是寻求抑制导流叶片激波负面效应的方法，解决脉冲进气条件下可调向心涡轮存在的高周疲劳问题。为了实现上述目的，本项目提出两种导流叶片激波调制方法：一是突破向心涡轮可调导流叶片为直叶片的设计形式，尾缘采用倾斜结构分散激波冲击力，确定冲击力和倾斜角度的解析关系；二是寻求弱化激波的漫反射结构，在叶片表面激波生成位置设置凹沟，通过改变凹沟数量和宽度等参数，揭示漫反射结构弱化激波机理。另外，在设计阶段引入激波管控概念，发现向心涡轮可控加速导流叶片中线曲率和叶片厚度分布特点，形成基于特征指标管控激波的向心涡轮可控加速导流叶片的造型方法。研究结果为改善涡轮增压器的可靠性，实现向心涡轮导流叶片精细化设计奠定基础。

可调涡轮增压器可以改善车用发动机的动力性、经济性和排放特性，因此受到广泛的关注。可调涡轮增压器在实际使用中，因导流叶片尾缘激波诱发涡轮叶轮振动而发生高周疲劳失效。本项目的目的是寻求抑制导流叶片激波负面效应的方法，解决脉冲进气条件下可调向心涡轮存在的高周疲劳问题。为了实现上述目的，首先开展了导流叶片叶端泄漏流、尾迹和激波之间的相互干涉现象的研究工作，发现导流叶片尾迹在叶端泄漏流的挤压作用下，在向下游输运过程中在叶高方向上逐渐呈现出“C”形。导流叶片叶端间隙的增大，会使中间叶高区域激波强度增强。其次开展了脉冲进气条件对激波位置和强度影响的研究，表明进口压力升高会导致激波强度增大，激波向导流叶片出口移动，也即在脉冲进气循环过程中激波位置存在前后振荡现象。在上述研究的基础上，提出两种弱化导流叶片尾缘激波的方法，一种方法是使导流叶片尾缘沿叶高倾斜形式，另外一种方法是叶片表面采用凹沟设计。对导流叶片尾缘倾斜5和尾缘为直叶片两种情况进行了研究，表明两种模型转子叶片前缘位置的激波强度存在明显的差别，其中导流叶片尾缘倾斜后转子叶片前缘位置处的激波峰值强度降低了约20%，且在整个激波存在范围内，激波强度均明显减小。这说明导流叶片尾缘倾斜设计，可以显著降低导流叶片尾缘激波对下游转子叶片前缘的影响。对导流叶片表面采用凹沟结构的研究表明，合适的凹沟结构可以把单道激波碎化为多道激波，从而有效弱化激波强度。凹槽结构的宽度和深度均会对激波的弱化效果产生较大的影响，凹槽深度过深和凹沟宽度过宽时，均会导致激波强度抑制效果变差。另外，开展了如何在设计阶段弱化导流叶片尾缘激波强度的探讨研究，形成了可控加速导流叶片的设计原则。.项目研究结果对于解决导流叶片可调向心涡轮内部，导流叶片尾缘激波诱发涡轮叶轮振动而发生高周疲劳失效具有指导意义。