轴流式涡轮增压器叶片结构参数优化

卢志远 王军 王为凯 朱衎 刘增光

【摘 要】利用ANSYS有限元分析软件的fluent模块与static structural模块对某轴流式涡轮增压器的涡轮进行流场模拟及结构应力分析。通过对叶片进行流-固耦合分析，得出叶片在离心载荷与气动载荷共同作用下的应力云图，进而得出应力最值多集中在叶根部分。通过对结构参数的优化，将叶根处最大应力由182.18MP降低到161.06MP，涡轮总体应力都有所下降。

【关键词】涡轮;耦合;优化

中图分类号： TK423 文献标识码： A 文章编号： 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

柴油機涡轮增压器通过增压，提高进气充量密度，提高空气和燃料的混合比，大幅度提高发动机的输出功率，它不仅大大提高了经济性，而且能够节约能源，减轻柴油发动机排气污染，减少废气中有害成分，降低柴油机噪音[1]。涡轮增压器主要分轴流式与径流式两种。轴流式涡轮增压器因其加工方便，重量较轻，径向尺寸较小，并且可以多级压缩，因此多用于中大型柴油机上。

涡轮增压器是一种高速旋转的机械，其旋转速度大多在10万转以上，因此其旋转部件承受着很大的负荷。涡轮叶片是涡轮增压器中一个非常重要的旋转部件，在蜗壳内常常受到离心载荷，热载荷，气动载荷及其引发的振动的综合影响，其工作环境比较恶劣。叶片设计的合理性决定着整个增压器的效率和寿命。不合理的叶片形状会导致叶片所受应力增大，叶片在流场中产生共振现象，减小叶片寿命，破坏流场稳定，降低转子转速，导致涡轮机对排气的使用效率降低。据统计表明，涡轮叶片局部应力过大引起的损坏是增压器常见损坏形式之一。因此对涡轮叶片在流场中工作状况分析并根据分析结果对叶形进行完善是很有必要的。

传统的涡轮叶片设计需要搭载实验台并做大量的试验以确定其设计，耗时长，不能满足现代更新换代的设计要求，需要花费大量的物力财力。随着计算机技术的发展，应用计算机流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）对涡轮机蜗壳内部流场的情况进行三维模拟已经得到了一致的认可，如田永祥等人通过使用CFD技术对蜗壳内流场进行三维模拟，通过对流场的数值模拟计算，分析流畅内部的流动情况，对喷嘴叶片进行了相应的优化来达到减少流动损失的目的[2]。因此对涡轮增压器涡轮叶片结构参数的研究与优化是符合时代要求并且有一定的前景的。

1 模型建立

首先使用SolidWorks建模软件对涡轮进行建模材料设置为铝合金，其三维几何模型如图1.1所示。在ANSYS对流体区域进行建模流体，介质设置为空气，空气以335000Pa压力从进口流入，以100000Pa压力从出口流出，如图1.2所示。对流体区域分别进行了10万、15万和20万网格数的划分，计算结果近似，网格独立性较好。考虑到计算速度最终确定网格节点数为34463，划分单元数为150823，单元质量为0.8，纵横比为2.12，雅克比值为1，网格质量较为优秀。对固体区域分别进行了8万、10万和15万网格数的划分，计算结果近似，网格独立性良好。最终确定网格节点数为156635，划分单元数为100946，单元质量为0.766，纵横比为2.13，雅克比值为1.03，网格质量较为优秀。

2 数学模型

在分析之前将流体介质设为空气，将固体材料设为铝合金。在这里暂不考虑由气动载荷所引起的涡轮叶片振动应力影响[3]。

为了计算气动载荷而进行的流体运动分析，在此将问题定性为湍流无相变流动问题。选择RNG k-e模型。RNG k-e模型是从瞬态N-S方程中推出，使用“Renormalization Group”的数学方法从标准k-e模型变形得到的。它与标准k-e模型有很多相似之处，而又比标准k-e模型有更多先进之处：RNG具有更高的精度，考虑了湍流漩涡，为湍流Prandtl数提供了一个解析式，为低雷诺数流动黏性提供解析式。

4 结论

通过建立涡轮与其外部流场模型，模（下转第4页）（上接第100页）拟了涡轮外部流场流动，并且利用流-固耦合方法对其进行优化分析。为了提高其耐久度，延长涡轮寿命，分析得出了以下成果：通过增加0.2mm叶厚，在流-固耦合场中，降低了涡轮叶片10.9%的最大等效应力，14%的最大应变。

得出了以下结论：

1）气动载荷带来的应力轮缘面处最大，并且降低了耦合后的等效应力，但其数值很小仅有离心载荷的2%左右，在对涡轮应力分析时若不考虑所引起的振动则可以忽略不计。

2）在各因素引起的等效应力中，离心载荷占主要地位。

3）涡轮最大应力多出现于叶根部分，增大叶根厚度可以有效降低叶片的最大等效应力。

【参考文献】

[1]周龙保.内燃机学（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]任洪娟，马其华，田永祥.涡轮增压器蜗壳内三维流场模拟分析[J].拖拉机与农用运输车，2009，36（03）：87-89.

[3]郭凯，王正，王晓春，徐思友，朱向国，门日秀.多场载荷对增压器涡轮应力的影响分析[J].车用发动机，2011（06）：47-52.

[4]陈瑛.车用涡轮增压器径流式涡轮内部流场数值模拟[J].现代工业经济和信息化，2018，8（18）：27-28.

[5]景思睿，张鸣远，流体力学[M].西安：西安交通大学出版社，2005.

[6]张捷.多载荷作用下涡轮增压器涡轮的性能仿真研究[D].湖南大学，2015.

[7]王增全，王正.车用涡轮增压器结构可靠性[M].北京：科学出版社，2013.