可调涡轮作为一种常用的可变几何涡轮因能在全工况范围内与发动机实现良好匹配,近些年来被广泛地应用和研究。研究主要集中于导叶与转子叶片形状对可调涡轮性能的影响、导叶和转子内部非定常流动特性以及转子叶片气动载荷特性等方面。而关于可调涡轮低端工况下性能改善和激波弱化两个方面的研究相对较少。此外,目前可调涡轮所用导叶多为传统形式,对于新构型的导叶设计和研究基本处于空白。本文针对某6.7L柴油机用可调涡轮开展定常/非定常数值研究,探讨了涡轮内部激波的弱化方法,研究了新构型导叶对可调涡轮全局性能的影响,主要研究内容和成果如下:(1)通过对可调涡轮内部气体加速方式的研究,明确了涡轮内部激波产生机理与弱化方法,并建立了相应模型。研究发现气体在可调涡轮内部的加速过程主要受两个加速通道影响,加速通道的进出口面积比决定了气体的加速程度。其中,两个相邻的导叶构成了第一个加速通道,当加速通道结构呈“缩扩”形式时,在临界工况下,导叶尾缘压力面一侧容易诱发喉部激波;当加速通道结构呈“渐缩”形式时,导叶压力面不会出现超音速流动。第二个加速通道由导叶吸力面和转子前缘构成,其结构呈现出“缩扩”形式。在临界工况下,第二个加速通道喉部附近容易产生导叶尾缘激波。激波强度受到加速通道收敛程度即面积比的影响。当加速通道收敛程度较低时,激波强度较弱;随着加速通道收敛程度增大,激波强度逐渐增强。(2)分析了导叶厚度和稠度对涡轮内部非定常流动特性及激波强度的影响,提出了一种有效调控涡轮内激波强度的导叶设计和应用理念。对三种具有不同厚度和稠度的导叶进行数值研究,结果表明当导叶稠度不变而厚度减小时,导叶间隙泄漏流形态和强度基本不变;当导叶厚度减小同时稠度增大时,导叶间隙泄漏流量增大,但间隙泄漏流对转子进口流场的不均匀性影响降低。在小开度下,导叶厚度和稠度对可调涡轮性能影响较小;随着导叶开度增大,低厚度大稠度的导叶使可调涡轮效率下降,最高降幅为2%,然而,其尾缘激波相对于大厚度低稠度导叶而言下降了约75%。同时研究了导叶厚度和稠度对下游转子叶片的非定常气动干涉。(3)针对导叶间隙泄漏和尾缘激波两个影响涡轮性能和转子可靠性的负面因素,设计了一种前部转动式导叶。将原始模型和前部转动式模型进行了定常/非定常数值计算,对比了两种模型在10%,40%和80%三个代表性开度下的性能以及在40%开度下涡轮内部非定常流动特性。结果表明在10%开度下,前部转动式导叶可提高涡轮效率达8%,同时通过转静距离的合理设计,导叶尾缘激波被成功抑制。然而,由于前部转动式导叶固有的几何特征,使其在大于80%开度后效率降低,因此前部转动式导叶的使用是有局限性的。同时针对导叶间隙泄漏流和导叶尾缘激波对下游转子叶片的气动干涉做出了对比分析。(4)打破传统的可调涡轮导叶结构与调节方式,创新性地提出并设计了一种分体滑动式导叶来提高可调涡轮全局性能,同时削弱导叶尾缘激波强度。对设计的分体滑动式导叶与原始叶型在10%,40%和100%三个开度下进行了数值研究,分析了装配分体滑动式导叶的可调涡轮性能以及内部非定常流动特征。结果表明分体滑动式导叶能够在全工况范围内实现可调涡轮性能的提升。在10%导叶开度下,分体滑动式导叶间隙泄漏流量降低了约65%,可调涡轮的峰值效率比原始模型提高了10%。在100%导叶开度下,分体滑动式导叶在满足排气流量的前提下仍可提高涡轮1%的峰值效率,并保持其它速比点效率不降低。同时,分体滑动式导叶有效地弱化了作用于转子前缘的导叶尾缘激波强度。