考虑温度场作用的车用涡轮增压器转子动态特性及结构优化研究

• 作 者: 刘志浩
• 出 处: 齐鲁工业大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 涡轮增压器 共轭传热 有限元 模态分析 转子动力学 结构优化

在减少二氧化碳排放量和提升燃油效率的趋势下,涡轮增压器已经成为大部分燃油发动机所必需的设备。应用广泛的涡轮增压器,其转子是核心部件。对于高速旋转涡轮增压器转子来说,稳定运行是必须的也是非常重要的。由于涡轮增压器的工作环境恶劣,发动机排出的高温废气会把大量的热量传递给涡轮叶轮,通过转轴传递给压气机叶轮,然而压气机叶轮处于常温环境中,从而使转子产生较大的温度梯度。转子整体是由多种材料组成,其材料属性会随着温度的变化而改变,随着转速的增大进而影响转子的动态特性,若长期运行,会引发转子共振甚至转子会破坏。因此了解温度场作用下的转子动态特性是非常必要的。根据涡轮增压器转子的实际结构和工作条件,构建了涡轮增压器流场三维模型和转子模型。以温度场作用下转子的动态特性和结构优化研究为目的,建立了稳态流场下的数学模型和转子有限元模型。在CFX软件中采用共轭传热法计算多工况的转子温度分布,并通过涡轮增压器性能测试实验来验证传热数值模拟的可行性。将计算得到的转子温度分布数值以节点编号的形式导出,供后续转子有限元模拟计算使用。根据轴承参数并采用Dy Ro Be S软件获得油膜的非线性刚度、阻尼系数,将节点编号形式的转子温度数值利用“Commands”高级指令插入到转子有限元中,计算转子在常温环境与多工况温度场作用下的动态特性。对比分析发现,温度场对一阶临界转速影响较小,降低了二、三、四阶临界转速,从而导致转子的工作范围减小;降低了转子的稳定极限转速阈值,使转子提前进入不稳定区域,发生失稳。通过转子优化研究,揭示影响转子动态特性的因素,并以临界转速和稳定极限转速为优化目标,提出增大和缩短转轴长度以及增大转轴直径三种优化方案。为了节省计算时间,分析了常温环境下三种优化方案的转子动态特性,通过对比分析确定最终优化模型。将确定好的优化模型导入CFX软件和有限元重新计算并与原模型比较,证实优化后转子的临界转速最大提升10.22%,稳定极限转速最大提升5.98%。