車用渦輪增壓器壓氣機3D模型的建立

阮聰 雷汝婧

摘 要：借助3D模型軟件CATIA實現(xiàn)對某型號的中小型渦輪增壓器的建模。通過對廠家給出的渦管殼體進行數(shù)據(jù)測量，完成三維模型的建立，最后完善蝸殼外部的各個強度加強塊。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓器；CATIA；3D建模

汽車增壓器是通過給汽車發(fā)動機氣缸輸送高密度的壓縮空氣來提高發(fā)動機的燃燒效率從而提升發(fā)動機的功率。最常用的是機械增壓器和渦輪增壓器。在機械增壓中，通常是以犧牲一些發(fā)動機效率來提供發(fā)動機的功率。圖1機械增壓示意圖。機械增壓器的動力源于發(fā)動機本身，從而在增加發(fā)動機功率的同時減弱的發(fā)動機的工作效率，原因是連接發(fā)動機曲軸的傳送帶直接將發(fā)動機扭矩傳遞給壓氣機進行增壓工作。渦輪增壓器的壓氣機則是由渦輪來提供動力驅(qū)動的，而渦輪是由發(fā)動機排出的廢氣帶動渦輪葉片而轉(zhuǎn)動的。圖2表示了汽車渦輪增壓器的主要工作過程以及與發(fā)動機連接各個零部件的分布。表1表示出圖2各個零部件的名稱。從圖中可以看出，渦輪增壓器的動力源自于發(fā)動機排出的廢氣，這樣發(fā)動機就不為推動渦輪工作而提供而外的功率。安裝渦輪增壓器的發(fā)動機就可以在不損失發(fā)動機效率的同時提升發(fā)動機的功率。因此渦輪增壓器廣泛的運用于汽車發(fā)動機中。發(fā)動機的動力源自于發(fā)動機氣缸內(nèi)混合的空氣和汽油的混合體。大型發(fā)動機需要更多的空氣以獲得更好的燃燒效率而產(chǎn)生更大的功率。如果小型發(fā)動機想要輸出像大型發(fā)動機那樣的功率，或者是讓大型發(fā)動機獲得更大的輸入功率就必須往發(fā)動機氣缸中輸入更多的空氣。因此安裝渦輪增壓器就為了實現(xiàn)這個目的。圖3顯示出渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)剖面圖，主要分為壓氣機，渦輪機，連接軸，潤滑部件。表2標(biāo)出了渦輪增壓器各個部件的具體名稱。

本文研究的渦輪增壓器模型原型為中小型渦輪增壓器，其主要用于1.5L到2.0L發(fā)動機排量的乘用車。增壓器設(shè)計轉(zhuǎn)速為120，000轉(zhuǎn)，增壓比為1.2，其設(shè)計壓氣機入口的質(zhì)量流量的參數(shù)值為0.055kg/s。表3為研究用渦輪增壓器壓氣機基本設(shè)計參數(shù)。這個設(shè)計數(shù)據(jù)是通過這款渦輪增壓器壓氣機的廠家性能曲線圖得到的。所選的參數(shù)為本款壓氣機的正常設(shè)計工作工況。圖4壓氣機基本外形，表4為壓氣機基本外形參數(shù)。通過這個參數(shù)確定好壓氣機的整個外形尺寸。再通過3D模型軟件CATIA進行建模。筆者通過對廠家給出的渦管殼體數(shù)據(jù)和親自測量，完成了三維模型的建立。建模中首先畫出渦管，再加入無葉片擴壓器，最后完善蝸殼外部的各個強度加強塊。圖5為CATIA建立的渦輪增壓器壓氣機3D外殼模型。

為了完成壓氣機的流體流動模擬，還需要建立氣壓的葉片模型。葉片由6個主葉片和6個次葉片組成。加入次葉片的設(shè)計可以更好的避免葉片間的不規(guī)則流動。葉片的模型生成是由ANSYS軟件中的BLADEGEN模塊完成。首先輸入基本的壓氣機設(shè)計參數(shù)，如圖6所示。然后BLADEGEN就可以自動生成所需的模擬葉片基本模型參數(shù)，再對基本模型參數(shù)的尺寸進行確定，如圖7所示。最后就可以得到圖8所示的葉片模擬模型。

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項目來源：湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目《汽車渦輪增壓器的優(yōu)化設(shè)計與制作》（編號：201811654040）

作者簡介：阮聰（1997-），男，漢族，湖北黃岡人，武漢商學(xué)院16級車輛工程專業(yè)。

*通訊作者：雷汝婧（1988-），女，漢族，湖北武漢人，碩士，實驗師，主要研究方向為計算機輔助設(shè)計、計算機流體力學(xué)。