温度场作用下车用涡轮增压器转子动力学仿真与结构改进

涡轮增压器在工作时,高温废气会把大量的热量传递给涡轮叶轮,并通过转轴传递给压气机叶轮。由于压气机叶轮处于常温环境中,受到高温加热的涡轮增压器转子会产生较大的温度梯度。根据涡轮增压器转子的实际结构和工作条件,建立了考虑温度场作用的转子动力学分析模型,对不同工况下涡轮增压器转子动力学特性进行研究和实验验证,揭示了温度场对涡轮增压器转子临界转速和稳定极限转速的影响规律,并根据计算结果对转子结构进行优化。结果表明:温度场使转子一阶临界转速增大,二、三、四阶临界转速降低,使稳定极限转速的阈值降低。从温度场作用方面出发,对高温环境下涡轮增压器转子系统动力学特性进行准确分析及结构改进,对于提高我国涡轮增压器的设计研究水平具有一定的参考意义和工程实践价值。     

压气机超速制造过程的数值仿真研究

为配合压气机叶轮超速制造工艺的施行,根据我国现行增压器压气机叶轮的设计数据及使用要求,采用由参变量变分原理导出的有限元参数二次规划法对某增压器压气机进行了加载、卸载再加载的弹塑性变形全过程的数值模拟,针对不同的超速转速进行了大量计算,研究压气机叶轮在不同超速转速下,超速预过载处理后在工作状态下压气机叶轮应力、位移的大小及相应分布规律.结果表明随着超速转速的增加,超速预过载处理后的叶轮残余最大应力和最大位移值增加.超速转速大于33000r/min时,最大轴向、径向位移随超速转速的增大而迅速增大.     

流线隧道式涡轮增压器转子动力学特性分析

为研究流线隧道式涡轮对涡轮增压器转子动力学特性的影响,将某型号车用涡轮增压器叶片式涡轮替换为流线隧道式涡轮,建立了密封流体激振、叶尖间隙激振和隧道涡轮轮缘间隙激振耦合条件下的转子系统模型,计算分析了涡轮材料和轮缘间隙对转子临界转速、稳态响应以及瞬态响应的影响。结果表明,K418高温合金隧道涡轮转子一阶临界转速大幅降低,稳态响应稳定性较好,但瞬态响应振动剧烈、失稳,表明隧道涡轮采用K418高温合金需要调整结构设计;SiC陶瓷隧道涡轮转子一阶临界转速下降、稳态响应振幅增加,但对转子稳定性影响不大,二阶临界转速有微小增加,稳态响应振幅下降,瞬态响应稳定性较佳。     

压气机叶轮-轴套-轴摩擦接触的有限元分析

以某柴油机涡轮增压器的压气机为例，基于多重子结构技术，建立了增压器压气机叶轮、轴套和轴的三维整体有摩擦弹性接触的计算模型，采用有限元参数二次规划法，对其进行有限元分析。针对不同的过盈量、摩擦因数、轴套壁厚和转速进行计算，获得了叶轮、轴套与轴之间接触应力的分布规律。分析表明，随着叶轮与轴套间过盈量的增大，轴套的外表面与内表面的接触应力是线性增大的，而且内表面的接触应力增加较为迅速，这对于确定合理过盈量和改进设计具有参考意义。     

车用涡轮增压器转子轴向力数值计算与分析

讨论了车用涡轮增压器转子轴向力传统理论计算方法和数值模拟计算方法,并针对小型车用汽油机涡轮增压器JP50Q建立了压气机和涡轮系统模型以及叶轮轮背间隙模型。进行了压气机端、涡轮端和叶轮轮背间隙的轴向力数值模拟计算,得到了增压器转子轴向力计算结果。通过分析不同设计工况下的计算结果,得到增压器转子轴向力随转速变化的一般规律。利用数值模拟计算结果,进行了JP50Q涡轮增压器止推轴承设计校核,为增压器止推轴承的设计和可靠性验证提供了理论计算依据。     

车用涡轮增压器叶轮破裂转速的弹塑性数值分析

基于ANSYS有限元分析软件,对车用涡轮增压器涡轮叶轮和压气机叶轮进行了材料非线性弹塑性有限元数值分析,计算了涡轮叶轮和压气机叶轮在离心载荷作用下的破裂转速,并与试验结果进行了对比。结果分析表明,建立在弹性基础上的叶轮破裂转速预估方法不够准确。考虑材料非线性的弹塑性计算更接近实际结果,可以应用于叶轮的强度校核和结构优化。破裂转速的计算结果表明,涡轮叶轮的强度储备大大高于压气机叶轮的强度储备,对其进行结构减重设计或优化十分必要。     

超速压气机的残余变形分析

叶轮超速工艺是压气机叶轮制造中的一种重要方法.以某柴油机涡轮增压器的压气机为例,采用有限元参数二次规划法结合多重子结构技术分析模拟超速预加载制造时压气机的残余变形.针对不同的超速转速进行了大量计算,获得了超速转速与压气机的残余应变和残余应力之间的关系,为压气机设计及加工工艺的提供了参考依据.     

基于流固耦合的液环泵转子动力学特性分析

为了分析液环泵内非稳态气液两相流引起的转子结构响应特性，基于数值模拟与试验测试相结合的方法，对液环泵转子部件进行流固耦合应力应变分析，分析了叶轮不同叶片的应力及变形量分布特征、旋转角引起的非稳态特性、转子部件的模态特性。结果表明：当叶片尖部与壳体内壁距离最小时，其最大等效应力为最大值，随着旋转角的增大，叶片的最大等效应力先减小后增大，叶片的最大变形量随着转角与最大等效应力的变化趋势完全一致，当α=0°，Q_m=0.05 kg/s时，叶片最大变形量与最大等效应力分别为1.381 mm、180.96 MPa；叶轮沿圆周方向18枚叶片上的最大应力分布各不相同，且随着叶轮旋转角的逐渐增大，叶片的最大变形量整体上先减小后增大；叶片上的变形量分布沿径向由轮毂到叶尖近似呈线性逐渐增大，应力沿径向方向先急剧增加后缓慢减少，且在0.1r2位置处达到最大值。研究结果可为液环泵的优化设计提供参考。     

基于FLUENT的涡轮增压器推力轴承特性分析

轴向推力轴承,又称为止推轴承,被广泛应用于涡轮增压器中,增压器转子系统中产生的轴向力都是由轴向推力轴承承受。本文对涡轮增压器滑动轴承模型进行基于FLUENT的全三维数值仿真分析,得到轴向推力轴承三维油膜压力、流场、温度分布。通过分析,得到了稳态下轴向推力轴承油膜压力场、温度场、流场在不同转速下的分布特点:随着转速的上升,推力轴承内部流场的峰值压力随之上升,推力轴承承载能力与滑油流量也随之上升,并且峰值压力、轴向推力以及滑油流量和转速的关系是呈等比例上升;同时对比分析了转子转速、楔形深度、最小油膜厚度等一些关键参数对轴向推力轴承性能的影响。     

基于涡轮增压器轴流涡轮在多场耦合作用下的力学分析

涡轮增压器在航空航天、船舶、汽车等工业已经大量的应用,其中涡轮是较为重要的构件,目前对涡轮强度的分析还较少。根据涡轮增压器研制要求,利用MSC.Nastran对该涡轮增压器轴流涡轮在最高结构转速及温度场耦合作用下涡轮的应力、位移情况,并且考虑涡轮前后不同进出温度温度对涡轮的影响。经过分析,涡轮及叶片在不同温度和最高转速作用下,并未发生屈服,满足力学安全性,为该涡轮增压器轴流涡轮的设计、制造提供参考。     

涡轮减重前后增压器转子动力学分析及试验

以JP60C型车用增压器涡轮叶轮为研究对象,基于有限元分析的转子动力学分析软件DyRoBeS,对减重前后的增压器转子进行了临界转速分析;采用快速成型技术加工了蜡模,浇铸了减重优化的涡轮叶轮,对装配好的增压器进行了高速动平衡试验。分析及试验结果表明,由于涡轮重量的减轻降低了转子的柔性,减重优化后的轴承-转子系统的临界转速有所降低,但其工作转速仍工作在2阶临界转速和3阶临界转速之间,涡轮减重后增压器工作转速远离转子各阶临界转速,从而说明涡轮减重优化的合理性和有效性。     

某型航空发动机涡轮盘低循环疲劳寿命分析

确定发动机零部件的最大应力应变循环是进行零部件寿命研究的重要内容之一.弹塑性有限元分析常用于计算最大应力应变循环,但是由于各种载荷、约束等条件考虑不全面,得到的应力应变循环往往偏大.同时,某些零部件的瞬态温度场是决定其疲劳强度和使用寿命的重要因素,而获得准确的瞬态温度场是非常困难的.文中对某型发动机的高压涡轮盘进行疲劳试验条件下弹塑性有限元分析,对一台涡轮盘的残余应力进行测试,利用稳态温度场计算涡轮盘危险点最大应力应变循环,并根据弹塑性有限元分析和通过残余应力测试得到的最大应力应变循环进行低循环疲劳寿命预测.研究结果表明,弹塑性有限元分析法预测的寿命偏低,由残余应力可以较准确地确定最大应力应变循环.     

涡轮增压器压气机流场仿真分析

以涡轮增压器离心压气机为研究对象,通过模拟不同工况下发动机工作时涡轮增压器的压气机实际流通特性,分析了压气机内部流场随转速和叶顶间隙的变化规律。在ICEM中建立结构化网格,针对不同转速和不同叶顶间隙采用SST双方程湍流模型,对离心压气机内部流场进行数值模拟。结果表明,随着转速的增加,气体的流动状态变差,低压区范围扩大,出现明显的漩涡,气体不能充分地流动发展;随着叶顶间隙尺寸的减小,流动损失减小,压气机做功能力增大。     

长周期变转速下入口油温对高速轻载涡轮增压器转子振动特性影响

高速轻载涡轮增压器转子系统的入口油温在长周期变转速运行条件下会产生动态变化,从而改变转子系统振动特性甚至导致非线性振动事故。以某型汽油机用高速轻载涡轮增压器转子为研究对象,分析浮环轴承内油膜最小厚度与偏心率随入口油温参数的变化规律,构建涡轮增压器转子-浮环轴承系统动力学有限元模型,采用Newmark积分法分析转子系统的非线性瞬态响应,结合涡轮增压器升速实验,得到不同入口油温下转子系统三维振动瀑布图与Colormap频谱图,探究入口油温对转子系统振动响应特性的影响。结果表明:随着入口油温从50℃增至130℃时,内油膜最小厚度会减少,环速比与偏心率会增加,内油膜振荡幅值逐渐降低,但出现内油膜振荡与外油膜涡动的轴颈转速点会提前约30%,且外油膜涡动幅值会逐步增加。综合内外油膜涡动与振动幅值,入口油温约为90℃时转子振动情况较好。结论可为设计具有智能抗振性能的高速轻载涡轮增压器转子系统的运行参数提供理论参考。     

压气机叶轮过盈配合研究及合理过盈量的确定

车用涡轮增压器的压气机叶轮一般采用过盈配合直接压装在叶轮轴上,通过一定的过盈量传递转矩,是典型的非线性接触问题。利用ANSYS软件,采用子模型结合网格随移技术的分析方法,针对不同过盈量,转速和摩擦系数进行了大量计算,获得了叶轮与轴之间的最大等效应力与最大法向接触应力的分布规律,并根据该规律计算出了可选择的装配过盈量的范围。研究结果表明,此分析方法能够有效反应叶轮与轴之间的受力情况,对实际装配过程具有一定的指导作用。     

整体精密铸造柴油机增压器涡轮和压气机叶轮

在毛主席无产阶级革命路线指引下,随着教育革命的不断深入发展,我们精密铸造小组于71年初与我院船舶内燃机设计与制造专业采用熔模精密铸造离心浇注工艺整体铸造出25DJ型柴油机增压器涡轮和压气机叶轮。经过二年多的不断试验,增压器涡轮在500℃温度下,压气机叶轮在60℃温度下经2,4000转/分的运转,性能和效率达到设计要求。     

温度对小型涡轮泵转子临界转速影响研究

为研究小型燃气涡轮转子工作期间转子轴向温差对转子的动力学特性的影响。利用workbench对转子进行瞬态热仿真,分析转子在工作期间的温度分布规律,并将温度分析结果施加至转子模型上,通过采用传递矩阵法,对温度场作用下涡轮转子的临界转速进行分析计算,结果表明,临界转速随温度的升高降低。轮盘的温度升高会引起第三阶临界转速下降,对一二阶影响很小;轴段的温升对前三阶临界转速都有降低的效应。     

涡轮增压器压气机叶轮锁紧螺母扭力设计计算方法研究

针对车用涡轮增压器高速转子轴承系统可靠性问题,研究车用涡轮增压器的压气机锁紧螺母扭力设计方法。基于理论推导和涡轮增压器的工作特点,确定了压气机锁紧螺母预紧力范围的计算公式。结合压气机热力计算结果,得到发动机不同工况工作条件下转子轴输出功率的大小,从而确定不同设计工况点压气机锁紧螺母扭力值,确保转子轴承系统的可靠运行。将这种方法用在JP50Q汽油机涡轮增压器设计上,计算得到压气机锁紧螺母力矩范围,通过实践安装验证满足增压器高转速工作要求。     

减重涡轮增压器试验研究

以某型号车用增压器涡轮叶轮为研究对象,采用快速成型技术加工了蜡模,浇铸了减重优化的涡轮叶轮,在增压器试验台架上对三台增压器进行了超速破坏试验和整机性能试验,以及转子高速动平衡试验。试验结果表明,减重优化厚度涡轮叶轮满足强度要求,转子的第二阶临界转速降低,但增压器工作转速仍介于二阶和三阶临界转速之间,减重涡轮对增压器效率几乎没有影响。     

电动增压器对废气涡轮增压器影响的试验研究

利用交流电动增压器串联于增压中冷公交车增压气路中消除加速烟度。利用电动增压器可瞬间增大增压柴油机自由加速时进入柴油机缸内的新鲜空气,同时增大废气涡轮增压器的角加速度,提高其动态响应,改善柴油机的低速性能。通过不同压气机型号电动增压器流量特性与工作电流特性试验以及道路试验的试验数据,证明增大电动增压器压气机叶轮直径可增大进气流量,更大幅度地提高废气涡轮增压器的动态响应。引入压气机特性参数数学表达式,分析电动增压器辅助增压时,对废气涡轮增压器的影响以及对其动态响应的影响。电动增压器可增大柴油机自由加速时废气涡轮增压器的角加速度,且电动增压器的质量流量越大,角加速度增大越明显。而质量流量越大,电动增压器消耗的功率越大。利用压气机叶轮直径为90 mm的电动增压器可将原机自由加速烟度降低54%左右。