軸流式渦輪增壓器葉片結構參數優化

盧志遠 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行流場模擬及結構應力分析。通過對葉片進行流-固耦合分析，得出葉片在離心載荷與氣動載荷共同作用下的應力云圖，進而得出應力最值多集中在葉根部分。通過對結構參數的優化，將葉根處最大應力由182.18MP降低到161.06MP，渦輪總體應力都有所下降。

【關鍵詞】渦輪;耦合;優化

中圖分類號： TK423 文獻標識碼： 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

柴油機渦輪增壓器通過增壓，提高進氣充量密度，提高空氣和燃料的混合比，大幅度提高發動機的輸出功率，它不僅大大提高了經濟性，而且能夠節約能源，減輕柴油發動機排氣污染，減少廢氣中有害成分，降低柴油機噪音[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上。

渦輪增壓器是一種高速旋轉的機械，其旋轉速度大多在10萬轉以上，因此其旋轉部件承受著很大的負荷。渦輪葉片是渦輪增壓器中一個非常重要的旋轉部件，在蝸殼內常常受到離心載荷，熱載荷，氣動載荷及其引發的振動的綜合影響，其工作環境比較惡劣。葉片設計的合理性決定著整個增壓器的效率和壽命。不合理的葉片形狀會導致葉片所受應力增大，葉片在流場中產生共振現象，減小葉片壽命，破壞流場穩定，降低轉子轉速，導致渦輪機對排氣的使用效率降低。據統計表明，渦輪葉片局部應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分析結果對葉形進行完善是很有必要的。

傳統的渦輪葉片設計需要搭載實驗臺并做大量的試驗以確定其設計，耗時長，不能滿足現代更新換代的設計要求，需要花費大量的物力財力。隨著計算機技術的發展，應用計算機流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）對渦輪機蝸殼內部流場的情況進行三維模擬已經得到了一致的認可，如田永祥等人通過使用CFD技術對蝸殼內流場進行三維模擬，通過對流場的數值模擬計算，分析流暢內部的流動情況，對噴嘴葉片進行了相應的優化來達到減少流動損失的目的[2]。因此對渦輪增壓器渦輪葉片結構參數的研究與優化是符合時代要求并且有一定的前景的。

1 模型建立

首先使用SolidWorks建模軟件對渦輪進行建模材料設置為鋁合金，其三維幾何模型如圖1.1所示。在ANSYS對流體區域進行建模流體，介質設置為空氣，空氣以335000Pa壓力從進口流入，以100000Pa壓力從出口流出，如圖1.2所示。對流體區域分別進行了10萬、15萬和20萬網格數的劃分，計算結果近似，網格獨立性較好。考慮到計算速度最終確定網格節點數為34463，劃分單元數為150823，單元質量為0.8，縱橫比為2.12，雅克比值為1，網格質量較為優秀。對固體區域分別進行了8萬、10萬和15萬網格數的劃分，計算結果近似，網格獨立性良好。最終確定網格節點數為156635，劃分單元數為100946，單元質量為0.766，縱橫比為2.13，雅克比值為1.03，網格質量較為優秀。

2 數學模型

在分析之前將流體介質設為空氣，將固體材料設為鋁合金。在這里暫不考慮由氣動載荷所引起的渦輪葉片振動應力影響[3]。

為了計算氣動載荷而進行的流體運動分析，在此將問題定性為湍流無相變流動問題。選擇RNG k-e模型。RNG k-e模型是從瞬態N-S方程中推出，使用“Renormalization Group”的數學方法從標準k-e模型變形得到的。它與標準k-e模型有很多相似之處，而又比標準k-e模型有更多先進之處：RNG具有更高的精度，考慮了湍流漩渦，為湍流Prandtl數提供了一個解析式，為低雷諾數流動黏性提供解析式。

4 結論

通過建立渦輪與其外部流場模型，模（下轉第4頁）（上接第100頁）擬了渦輪外部流場流動，并且利用流-固耦合方法對其進行優化分析。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%的最大等效應力，14%的最大應變。

得出了以下結論：

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

2）在各因素引起的等效應力中，離心載荷占主要地位。

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

【參考文獻】

[1]周龍保.內燃機學（第三版）[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]任洪娟，馬其華，田永祥.渦輪增壓器蝸殼內三維流場模擬分析[J].拖拉機與農用運輸車，2009，36（03）：87-89.

[3]郭凱，王正，王曉春，徐思友，朱向國，門日秀.多場載荷對增壓器渦輪應力的影響分析[J].車用發動機，2011（06）：47-52.

[4]陳瑛.車用渦輪增壓器徑流式渦輪內部流場數值模擬[J].現代工業經濟和信息化，2018，8（18）：27-28.

[5]景思睿，張鳴遠，流體力學[M].西安：西安交通大學出版社，2005.

[6]張捷.多載荷作用下渦輪增壓器渦輪的性能仿真研究[D].湖南大學，2015.

[7]王增全，王正.車用渦輪增壓器結構可靠性[M].北京：科學出版社，2013.