盧志遠(yuǎn) 王軍 王為凱 朱衎 劉增光

【摘 要】利用ANSYS有限元分析軟件的fluent模塊與static structural模塊對某軸流式渦輪增壓器的渦輪進(jìn)行流場模擬及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。通過對葉片進(jìn)行流-固耦合分析，得出葉片在離心載荷與氣動(dòng)載荷共同作用下的應(yīng)力云圖，進(jìn)而得出應(yīng)力最值多集中在葉根部分。通過對結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，將葉根處最大應(yīng)力由182.18MP降低到161.06MP，渦輪總體應(yīng)力都有所下降。

【關(guān)鍵詞】渦輪;耦合;優(yōu)化

中圖分類號： TK423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）06-0097-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.036

【Abstract】The flow field simulation and structural stress analysis of the turbine of an axial turbocharger are carried out by using the fluent module and static structural module of ANSYS finite element analysis software.Through the fluid-solid coupling analysis of the blade，the stress cloud diagram of the blade under the combined action of centrifugal load and aerodynamic load is obtained，and it is concluded that the most stress is concentrated in the blade root.By optimizing the structural parameters，the maximum stress at the blade root is reduced from 180.41MP to 160.73MP，and the overall turbine stress is reduced.

【Key words】Turbine;Coupling;Optimization

0 引言

柴油機(jī)渦輪增壓器通過增壓，提高進(jìn)氣充量密度，提高空氣和燃料的混合比，大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，它不僅大大提高了經(jīng)濟(jì)性，而且能夠節(jié)約能源，減輕柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染，減少廢氣中有害成分，降低柴油機(jī)噪音[1]。渦輪增壓器主要分軸流式與徑流式兩種。軸流式渦輪增壓器因其加工方便，重量較輕，徑向尺寸較小，并且可以多級壓縮，因此多用于中大型柴油機(jī)上。

渦輪增壓器是一種高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械，其旋轉(zhuǎn)速度大多在10萬轉(zhuǎn)以上，因此其旋轉(zhuǎn)部件承受著很大的負(fù)荷。渦輪葉片是渦輪增壓器中一個(gè)非常重要的旋轉(zhuǎn)部件，在蝸殼內(nèi)常常受到離心載荷，熱載荷，氣動(dòng)載荷及其引發(fā)的振動(dòng)的綜合影響，其工作環(huán)境比較惡劣。葉片設(shè)計(jì)的合理性決定著整個(gè)增壓器的效率和壽命。不合理的葉片形狀會(huì)導(dǎo)致葉片所受應(yīng)力增大，葉片在流場中產(chǎn)生共振現(xiàn)象，減小葉片壽命，破壞流場穩(wěn)定，降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致渦輪機(jī)對排氣的使用效率降低。據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，渦輪葉片局部應(yīng)力過大引起的損壞是增壓器常見損壞形式之一。因此對渦輪葉片在流場中工作狀況分析并根據(jù)分析結(jié)果對葉形進(jìn)行完善是很有必要的。

傳統(tǒng)的渦輪葉片設(shè)計(jì)需要搭載實(shí)驗(yàn)臺并做大量的試驗(yàn)以確定其設(shè)計(jì)，耗時(shí)長，不能滿足現(xiàn)代更新?lián)Q代的設(shè)計(jì)要求，需要花費(fèi)大量的物力財(cái)力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）對渦輪機(jī)蝸殼內(nèi)部流場的情況進(jìn)行三維模擬已經(jīng)得到了一致的認(rèn)可，如田永祥等人通過使用CFD技術(shù)對蝸殼內(nèi)流場進(jìn)行三維模擬，通過對流場的數(shù)值模擬計(jì)算，分析流暢內(nèi)部的流動(dòng)情況，對噴嘴葉片進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化來達(dá)到減少流動(dòng)損失的目的[2]。因此對渦輪增壓器渦輪葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究與優(yōu)化是符合時(shí)代要求并且有一定的前景的。

1 模型建立

首先使用SolidWorks建模軟件對渦輪進(jìn)行建模材料設(shè)置為鋁合金，其三維幾何模型如圖1.1所示。在ANSYS對流體區(qū)域進(jìn)行建模流體，介質(zhì)設(shè)置為空氣，空氣以335000Pa壓力從進(jìn)口流入，以100000Pa壓力從出口流出，如圖1.2所示。對流體區(qū)域分別進(jìn)行了10萬、15萬和20萬網(wǎng)格數(shù)的劃分，計(jì)算結(jié)果近似，網(wǎng)格獨(dú)立性較好?？紤]到計(jì)算速度最終確定網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為34463，劃分單元數(shù)為150823，單元質(zhì)量為0.8，縱橫比為2.12，雅克比值為1，網(wǎng)格質(zhì)量較為優(yōu)秀。對固體區(qū)域分別進(jìn)行了8萬、10萬和15萬網(wǎng)格數(shù)的劃分，計(jì)算結(jié)果近似，網(wǎng)格獨(dú)立性良好。最終確定網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為156635，劃分單元數(shù)為100946，單元質(zhì)量為0.766，縱橫比為2.13，雅克比值為1.03，網(wǎng)格質(zhì)量較為優(yōu)秀。

2 數(shù)學(xué)模型

在分析之前將流體介質(zhì)設(shè)為空氣，將固體材料設(shè)為鋁合金。在這里暫不考慮由氣動(dòng)載荷所引起的渦輪葉片振動(dòng)應(yīng)力影響[3]。

為了計(jì)算氣動(dòng)載荷而進(jìn)行的流體運(yùn)動(dòng)分析，在此將問題定性為湍流無相變流動(dòng)問題。選擇RNG k-e模型。RNG k-e模型是從瞬態(tài)N-S方程中推出，使用“Renormalization Group”的數(shù)學(xué)方法從標(biāo)準(zhǔn)k-e模型變形得到的。它與標(biāo)準(zhǔn)k-e模型有很多相似之處，而又比標(biāo)準(zhǔn)k-e模型有更多先進(jìn)之處：RNG具有更高的精度，考慮了湍流漩渦，為湍流Prandtl數(shù)提供了一個(gè)解析式，為低雷諾數(shù)流動(dòng)黏性提供解析式。

4 結(jié)論

通過建立渦輪與其外部流場模型，模（下轉(zhuǎn)第4頁）（上接第100頁）擬了渦輪外部流場流動(dòng)，并且利用流-固耦合方法對其進(jìn)行優(yōu)化分析。為了提高其耐久度，延長渦輪壽命，分析得出了以下成果：通過增加0.2mm葉厚，在流-固耦合場中，降低了渦輪葉片10.9%的最大等效應(yīng)力，14%的最大應(yīng)變。

得出了以下結(jié)論：

1）氣動(dòng)載荷帶來的應(yīng)力輪緣面處最大，并且降低了耦合后的等效應(yīng)力，但其數(shù)值很小僅有離心載荷的2%左右，在對渦輪應(yīng)力分析時(shí)若不考慮所引起的振動(dòng)則可以忽略不計(jì)。

2）在各因素引起的等效應(yīng)力中，離心載荷占主要地位。

3）渦輪最大應(yīng)力多出現(xiàn)于葉根部分，增大葉根厚度可以有效降低葉片的最大等效應(yīng)力。

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