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.     

超速预加载对叶轮疲劳性能的影响

超速预加载是叶轮制造过程中的重要环节,它不仅仅是检验叶轮质量的手段,更是一种巧妙的工艺过程。通过建立叶轮的有限元模型并对超速预加载工艺过程进行模拟分析,以阐释其中的力学原理。首先对半开式叶轮进行弹塑性分析,结果表明,叶轮在经过超速预加载处理后会在高应力区产生残余应力,使得其在正常工况下的最大应力有所降低;随后利用FE-SAFE分别对半开式叶轮在启停和转速小幅波动两种工况下的疲劳寿命进行分析,通过对比有无超速预加载处理的结果得知,超速预加载处理会在很大程度上提升叶轮的疲劳寿命,甚至可以避免疲劳破坏的发生;最后,对多种荷载作用下的闭式叶轮进行了疲劳分析,结果显示超速预加载处理之后的闭式叶轮可以抵抗更大的交变气动载荷而不会出现疲劳破坏。     

基于ANSYS的压气机叶轮振动特性有限元仿真分析

车用涡轮增压器的压气机叶轮常常因为振动而导致破坏,对压气机叶轮进行模态分析是避免叶轮与激振频率发生共振的常用手段,能有效避免因发生共振而导致的叶轮破坏问题。利用AN-SYS软件,采用子结构分析方法对压气机叶轮的中低阶固有频率进行了数值仿真计算,获得了不同转速和不同节径时的频率,并根据计算结果绘制了Campbell图,找出了与压气机叶轮固有频率产生共振的转速,为压气机叶轮的优化设计提供了依据,同时说明采用子结构分析的方法可以较精确地获得整体模型的低阶固有频率解。     

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。     

气动边界不确定条件下离心压气机叶轮优化设计

以某小型离心压气机为研究对象,基于非嵌入式概率配置点法和数值分析研究气动边界不确定性对离心压气机气动性能的影响规律,量化转速波动不确定对离心压气机压比的影响程度;提出一种基于不确定分析方法、代理模型、多目标优化算法的离心压气机气动稳健设计方法,为离心压气机及其他叶轮机械设计及应用提供重要参考。研究结果表明,优化后叶轮压比增大4.1%,压比方差降低13.52%,叶轮气动稳健性增强。     

高压比大推力离心压气机流场分析

基于CFD设计了一款转速60000 r/min、压比7、流量1.5 kg/s的大推力压气机,采用spalart-allmaras湍流模型和Navier-Stokes方程组对压气机叶轮内的气体流动及其工作范围进行了数值模拟,分析了60000 r/min转速时最高效率点附近的相对马赫数和流线云图,开展了非设计转速下的流场分析,计算了不同转速下的工况,研究了设计转速下叶轮入口处激波和射流尾迹的流动情况。研究结果表明：设计工况条件下,等熵效率为84.25%,压比为8.167;转速从48000 r/min到54000 r/min时,等熵效率提高,流场改善,气动损失减小;压气机转速从60000 r/min增加到72000 r/min时,压气机等熵效率、气动损失减小、稳定工作范围收窄;高压叶轮的主要气动损失为叶片表面的激波损失、叶尖间隙损失、二次流损失及吸力面尾缘的低能流体。     

多工况离心压气机叶轮设计

以某一设计工况点设计的压气机,为提高压气机在其他转速下的性能,分别分析了叶轮叶片入口直径、入口叶根角以及入口叶尖角对离心压气机性能的影响。优化的压气机与原设计模型相比,在低转速下效率增加了1.3%,压比提高了5.3%,且流通范围扩大,提高了压气机在低速工况下的工作性能。     

叶片机械过盈配合的接触分析

叶片机械中广泛采用过盈配合技术将叶轮、轴套和轴联成一体,这是典型的三维多体接触问题。文中以某柴油机涡轮增压器的压气机叶轮为例,采用有限元参数二次规划法,并结合多重子结构技术分析求解叶轮与轴套、轴套与轴的过盈接触问题,利用JIFEX程序,针对不同的过盈量、摩擦因数和转速进行研究,获得叶轮、轴套与轴之间接触应力的相应分布规律,以为设计、制造参考。     

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。     

船用压气机气动噪声源频谱特性数值研究

以某型号大型船用涡轮增压器压气机为研究对象,以CFD软件为平台,利用具有k-ε双方程湍流模型的NS方程计算了压气机的三维黏性非定常流场特性。采用Ffowcs Williams-Hawkings方程(简称FW-H方程)对压气机的离散噪声进行了分析,并与经验公式进行了比较。深入研究了不同转速、流量对压气机气动噪声的影响。分析表明,叶轮内气动噪声水平较高,是主要噪声源;转速对于离散噪声影响较大,转速增加一倍,声压级上升约14dB;同一转速下,流量的降低将导致噪声幅值增加,但相对于转速变化其影响较小。