车用涡轮增压器涡轮的离心应力分析

摘 要：结构疲劳有是发动机故障主要的原因，强烈的震动都有可能导致疲劳，离心力虽然是最简单最常见的作用力，但涡轮运转的速度高达数十万转，离心作用不可小觑，因此研究离心力作用对涡轮结构的影响是十分必要的;本文将通过ABAQUS对某涡轮增压器涡轮施加不同的转速，研究其应力变化状况，为多载荷叠加作用下涡轮的可靠性工作研究提供基础。

关键词：疲劳;涡轮增压器;涡轮;离心力

0 引言

涡轮增压器利用发动机排出的废气来推动涡轮转动，涡轮又带动同轴的压气机运转;压气机入口与进气系统中的空气滤清器相连，压气机高速运转时便可压缩空气，发动机转速越高，废气排出的速度和涡轮转速也越快，单位时间里叶轮压缩的空气量就越多，从而大大提高进气量和发动机的工作效率[1]。

涡轮工作在高温高压的环境下，废气端的温度高达900K，转速高达数10万转，而且温度和压力越高，涡轮叶片所受的负荷会越来越大[2]，这对涡轮叶片的强度是一个考验。而离心载荷又是最基本最简单的载荷，只要有旋转运動就会产生离心力，因此本文对离心载荷作用下涡轮的应力分布进行分析，为后期多载荷叠加作用的影响提供研究基础。

1 加载离心载荷

涡轮增压器正常工作状态下是高速旋转的，旋转产生的离心力可以通过以下公式计算得来[3]。

其中，nT为涡轮的转速，r/min。

因此可以通过施加转速的方式赋予涡轮增压器离心力，在ABAQUS中对其进行稳态计算，根据涡轮表面的离心力分布情况，在添加了转速以后，在垂直于构件运动的切线方向有作用力，这就是离心力，方向从涡轮壁面指向外侧，在涡轮的每一个单元节点，离心力都是背离其做圆周运动的中心。

2 应力分析

2.1 离心载荷作用下应力的分布情况

给涡轮施加80000r/min的转速，涡轮高速旋转，受到离心载荷的作用。当离心载荷单独作用时，应力分布如图1所示。

从图中可以看出，在该工况下，涡轮所受的应力沿着气体流动方向呈规则分布，每一个叶片受力趋势一致，从叶尖到叶根，应力逐渐增加，不过叶片的应力普遍不高，在涡轮背部应力逐渐增加，涡轮背部与涡轮轴交接处应力最大，最大应力为143.6MPa。

从轴向来看，底部材料较厚重，质量比较大，从而导致离心力较大;从径向来看，叶轮内侧的材料受到外侧离心力的牵引，越靠近轴孔处应力越大[4]，这完全符合离心力的作用趋势;而且涡轮叶片处的最大应力远远低于材料在此工况下的强度极限，因此该转速工况下涡轮叶片完全满足强度要求。

2.2 不同圆周方向的应力分布

根据实验数据可知，涡轮背部的应力较叶片更大，因此取涡轮背部不同圆周上的节点进行分析，得到各个节点处的应力变化曲线。

从图中可以看处，随着圆周半径的变化，应力呈现规则的变化。靠近轴孔处的应力最大，随着半径增大，应力逐渐降低，在涡轮边缘处应力最低。同一圆周方向上，应力变化的趋势却有所不同，例如R1和R3圆周上变化明显，呈波浪曲折，在每一个涡轮背部与叶片接触的地方应力达到顶峰。而R2圆周方向的应力变化平缓，几乎是一条水平线，说明在交界面处结构形状的变化更易发生应力集中，不过单一离心载荷作用下应力均不是很大。

2.3 不同工况下应力的变化趋势

从上可知单一离心载荷作用涡轮只是高速转动，对涡轮叶片本身的强度不会产生影响，为了更加清楚的得到应力变化趋势，取涡轮叶片径向方向上的一组节点，分别计算150000r/min、220000r/min两种工况下的应力变化情况，与80000r/min的工况进行对比分析发现，三种工况下应力变化的趋势是一致的，即沿着涡轮叶片径向从内向外，应力逐渐降低，叶尖应力最小，叶根处应力较大。而且在叶尖处，即使转速在大，应力变化不是很明显，均小于50MP;随着转速的显著增加，该组节点的最高应力有明显的变化，从80000r/min增加到150000r/min、150000r/min增加到220000r/min，转速增量相同，然而最高应力却增大近3倍，说明转速在一定程度上还是会对应力产生显著的影响，不过最高应力均低于300MPa，因此，工作转速只要控制在一定的范围内，最高应力就不会达到材料的屈服极限。

3 结论

本文通过ABAQUS对涡轮的离心载荷进行分析，得到以下结论：

（1）随着转速变化，离心载荷产生的应力变化趋势一致。

（2）工作转速只要控制在一定的范围，单一离心载荷作用时产生的应力不大，不足以使材料达到疲劳极限。

（3）叶片径向方向应力均不大，但在轮轴和轮背的交界处应力较大，因此研究叶片的结构强度，需进一步结合热载荷和气压载荷作用。

参考文献：

[1]曹良丹，于艇，沈栋平，周唯儒.某涡轮增压器壳体热应力分析[J].智能制造，2017（05）：53-55

[2]张虹，周怡，张航.车用涡轮增压器压气机叶轮多载荷应力分析[J].车辆与动力技术，2016（04）：1-6.

[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]周怡.车用汽油机增压器叶轮应力-振动失效计算与分析[D].北京理工大学，2016.

基金项目：2018年湖南省教育厅科学研究项目（18C1596）

作者简介：张捷（1989-），女，湖南娄底人，硕士，讲师，研究方向：汽车运用技术。