車用渦輪增壓器渦輪的離心應力分析

摘 要：結構疲勞有是發動機故障主要的原因，強烈的震動都有可能導致疲勞，離心力雖然是最簡單最常見的作用力，但渦輪運轉的速度高達數十萬轉，離心作用不可小覷，因此研究離心力作用對渦輪結構的影響是十分必要的;本文將通過ABAQUS對某渦輪增壓器渦輪施加不同的轉速，研究其應力變化狀況，為多載荷疊加作用下渦輪的可靠性工作研究提供基礎。

關鍵詞：疲勞;渦輪增壓器;渦輪;離心力

0 引言

渦輪增壓器利用發動機排出的廢氣來推動渦輪轉動，渦輪又帶動同軸的壓氣機運轉;壓氣機入口與進氣系統中的空氣濾清器相連，壓氣機高速運轉時便可壓縮空氣，發動機轉速越高，廢氣排出的速度和渦輪轉速也越快，單位時間里葉輪壓縮的空氣量就越多，從而大大提高進氣量和發動機的工作效率[1]。

渦輪工作在高溫高壓的環境下，廢氣端的溫度高達900K，轉速高達數10萬轉，而且溫度和壓力越高，渦輪葉片所受的負荷會越來越大[2]，這對渦輪葉片的強度是一個考驗。而離心載荷又是最基本最簡單的載荷，只要有旋轉運動就會產生離心力，因此本文對離心載荷作用下渦輪的應力分布進行分析，為后期多載荷疊加作用的影響提供研究基礎。

1 加載離心載荷

渦輪增壓器正常工作狀態下是高速旋轉的，旋轉產生的離心力可以通過以下公式計算得來[3]。

其中，nT為渦輪的轉速，r/min。

因此可以通過施加轉速的方式賦予渦輪增壓器離心力，在ABAQUS中對其進行穩態計算，根據渦輪表面的離心力分布情況，在添加了轉速以后，在垂直于構件運動的切線方向有作用力，這就是離心力，方向從渦輪壁面指向外側，在渦輪的每一個單元節點，離心力都是背離其做圓周運動的中心。

2 應力分析

2.1 離心載荷作用下應力的分布情況

給渦輪施加80000r/min的轉速，渦輪高速旋轉，受到離心載荷的作用。當離心載荷單獨作用時，應力分布如圖1所示。

從圖中可以看出，在該工況下，渦輪所受的應力沿著氣體流動方向呈規則分布，每一個葉片受力趨勢一致，從葉尖到葉根，應力逐漸增加，不過葉片的應力普遍不高，在渦輪背部應力逐漸增加，渦輪背部與渦輪軸交接處應力最大，最大應力為143.6MPa。

從軸向來看，底部材料較厚重，質量比較大，從而導致離心力較大;從徑向來看，葉輪內側的材料受到外側離心力的牽引，越靠近軸孔處應力越大[4]，這完全符合離心力的作用趨勢;而且渦輪葉片處的最大應力遠遠低于材料在此工況下的強度極限，因此該轉速工況下渦輪葉片完全滿足強度要求。

2.2 不同圓周方向的應力分布

根據實驗數據可知，渦輪背部的應力較葉片更大，因此取渦輪背部不同圓周上的節點進行分析，得到各個節點處的應力變化曲線。

從圖中可以看處，隨著圓周半徑的變化，應力呈現規則的變化。靠近軸孔處的應力最大，隨著半徑增大，應力逐漸降低，在渦輪邊緣處應力最低。同一圓周方向上，應力變化的趨勢卻有所不同，例如R1和R3圓周上變化明顯，呈波浪曲折，在每一個渦輪背部與葉片接觸的地方應力達到頂峰。而R2圓周方向的應力變化平緩，幾乎是一條水平線，說明在交界面處結構形狀的變化更易發生應力集中，不過單一離心載荷作用下應力均不是很大。

2.3 不同工況下應力的變化趨勢

從上可知單一離心載荷作用渦輪只是高速轉動，對渦輪葉片本身的強度不會產生影響，為了更加清楚的得到應力變化趨勢，取渦輪葉片徑向方向上的一組節點，分別計算150000r/min、220000r/min兩種工況下的應力變化情況，與80000r/min的工況進行對比分析發現，三種工況下應力變化的趨勢是一致的，即沿著渦輪葉片徑向從內向外，應力逐漸降低，葉尖應力最小，葉根處應力較大。而且在葉尖處，即使轉速在大，應力變化不是很明顯，均小于50MP;隨著轉速的顯著增加，該組節點的最高應力有明顯的變化，從80000r/min增加到150000r/min、150000r/min增加到220000r/min，轉速增量相同，然而最高應力卻增大近3倍，說明轉速在一定程度上還是會對應力產生顯著的影響，不過最高應力均低于300MPa，因此，工作轉速只要控制在一定的范圍內，最高應力就不會達到材料的屈服極限。

3 結論

本文通過ABAQUS對渦輪的離心載荷進行分析，得到以下結論：

（1）隨著轉速變化，離心載荷產生的應力變化趨勢一致。

（2）工作轉速只要控制在一定的范圍，單一離心載荷作用時產生的應力不大，不足以使材料達到疲勞極限。

（3）葉片徑向方向應力均不大，但在輪軸和輪背的交界處應力較大，因此研究葉片的結構強度，需進一步結合熱載荷和氣壓載荷作用。

參考文獻：

[1]曹良丹，于艇，沈棟平，周唯儒.某渦輪增壓器殼體熱應力分析[J].智能制造，2017（05）：53-55

[2]張虹，周怡，張航.車用渦輪增壓器壓氣機葉輪多載荷應力分析[J].車輛與動力技術，2016（04）：1-6.

[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]周怡.車用汽油機增壓器葉輪應力-振動失效計算與分析[D].北京理工大學，2016.

基金項目：2018年湖南省教育廳科學研究項目（18C1596）

作者簡介：張捷（1989-），女，湖南婁底人，碩士，講師，研究方向：汽車運用技術。