渦輪增壓器渦輪脈沖進氣強迫響應特性研究

侯紅娟++馬玥珺++王磊磊++劉貽雄++李延昭

摘 要：本文針對渦輪在實際工作中的脈沖進氣現象，采用有限元方法研究了該條件下渦輪轉子葉片的強迫振動特性。研究結果表明：脈沖進氣條件下的渦輪轉子葉片的振動模態主要對應低階模態振型；轉子在不同激勵下產生的諧共振點分布范圍較寬；在渦輪進氣脈沖周期內，轉子葉片的振動響應變化與進口脈沖壓力變化相對應，出現規律性的周期振蕩。

關鍵詞：渦輪增壓器；脈沖進氣；強迫響應

0 引言

受內燃機工作狀態影響，其配套渦輪增壓器渦輪端呈脈沖進氣狀態。在這種進氣條件下，渦輪進口的壓力、溫度和流量均產生相應的的脈動變化，這顯然與渦輪設計的中的準穩態假設不相符。渦輪性能在脈沖進氣和穩態進氣條件下存在顯著差別[1，2，3]。目前，關于脈沖進氣條件下渦輪的研究集中在渦輪性能及其和內部流動的特性上，而很少涉及脈沖進氣時渦輪轉子的強迫響應特性。課題組前期采用數值模擬的方法研究了脈沖進氣條件下可調導葉渦輪的內部非定常流動特性[4]。本文據此展開進一步研究，明確脈沖進氣對轉子氣流的激振作用，通過用有限元求解并分析脈沖進氣條件下轉子的強迫響應特性。

1 渦輪參數及有限元模型的建立

1.1 研究對象

本文研究對象為某渦輪增壓器可調導流葉片向心渦輪，匹配6缸柴油機的標定轉速為2.4kr/min，渦輪進口對應的脈沖頻率為60Hz。渦輪轉子葉片數為10，導流葉片數15；轉子進出口直徑分別為83.5mm和73.5mm，導流葉片進出口直徑分別為113mm和91mm；轉子進口寬度為16.4mm，導流葉片進口寬度為14mm。渦輪為鉻鎳鐵合金材料，密度8000kg/m3，泊松比0.3，彈性模量2×105MPa，屈服強度為760MPa。

1.2 有限元模型的建立

在有限元中對渦輪轉子幾何建模，根據到葉-盤系統對應的行波振動特性，采用葉片-輪盤整體建模的方法，對應四面體Solid187單元。有限元網格無關性驗證如表1所示。

在保證拓撲結構相同的前提下，通過調整網格相關度等全局參數得到粗、中、細三套渦輪有限元網格。通過表1對比三套網格的一、二階頻率可見，中等網格相對于細網格，其轉子一階頻率降低0.42%，二階頻率降低0.21%，即表明中等網格可以滿足網格獨立性要求。有限元計算時，渦輪轉子設置支撐為圓柱面約束，并固定其軸向和徑向位置。

2 研究分析

2.1 渦輪葉-盤模態分析

有限元計算渦輪轉子模態時，采用Block Lanczos法提取特征值。對于轉子葉-盤耦合形式，單個葉片固有振型受相鄰葉片和輪轂共同作用。

圖1給出渦輪轉子一、二、三階模態振型。觀察發現，轉子一階模態振型集中表現在葉片尾緣高葉高區域，對應彎曲振動，而最大變形量發生在葉尖附近。對于二階振型，主要表現為高葉高區域的振動，高葉高位置的葉片前緣和尾緣均出現最大振動變形量，但對比前述一階振型的變形量，二階振型變形量較小。三階模態振型則主要表現為葉片前緣的彎曲振動，葉片前緣高葉高位置的變形量最大。綜合這三種模態振型，可見轉子的低階模態振型主要作為葉片的振動模態。造成這種結果的原因主要是是由于葉-盤的整體結構決定的，輪盤剛度大大超過葉片剛度，使得低階模態主要對應了葉片的振型。據此推斷，葉片振型的低階模態是使轉子葉片更易破壞的一個因素。另外，轉子模態振型顯示，轉子葉片前緣和尾緣發生振動破壞的可能性更大，這與實際渦輪工作中的的易損位置相一致。

2.2 轉子共振

圖2為渦輪轉子的坎貝爾圖。圖中水平線M1、M2、M3分別表示轉子一、二、三階固有頻率；EO15、EO30、EO45表示三條激勵射線（EO為激勵階次）；分析可知，固有頻率直線線與激勵射線的交點對應了轉子的諧共振點。轉子在不同激勵下產生的諧共振點分布范圍較寬，渦輪轉速范圍也較寬，使得轉子葉片有多個諧共振點，造成渦輪共振的轉速也較多。

由2圖還可以發現，渦輪轉速在60kr/min時，轉子在EO15激勵下出現了二階諧共振點。對于一階諧共振點，圖中顯示其共振點限制在低轉速區域（<30kr/min）內，由于渦輪在該范圍內不會長時間停留（加、減速過程時快速通過），因此使轉子葉片發生損壞概率較小。

2.3 轉子振動響應

圖3描述了一個脈沖周期內中渦輪轉子強迫振動的瞬態變形過程。圖中可見，脈沖進氣時的轉子強迫響應不但體現出脈沖進氣的變化趨勢，而且伴隨了著轉子的高頻激勵特征。在一個脈沖周期內，轉子的振動響應最低點對應了渦輪進口脈沖壓力的波谷；而在脈沖進氣波峰附近，轉子的振動響應也達到最高點。同時轉子振動響應曲線出現了規律性周期振蕩，并伴隨轉子葉片振動的加劇，出現增強、減弱，再增強、再減弱的振蕩。在此振蕩過程中，轉子葉片體現出高頻激勵特性；而在兩個脈沖的間隔時間內，轉子的高速轉動了數圈。脈沖周期內渦輪轉子的振動響應過程，體現了轉靜干涉的高頻特性。

3 結論

脈沖進氣條件下，渦輪轉子葉片的振動模態主要是低階模態振型。轉子在不同激勵下產生的諧共振點分布范圍較寬，渦輪轉速范圍也較寬，轉子葉片有多個諧共振點。轉子葉片的強迫響應體現了渦輪進口的脈沖變化，同時伴隨了的高頻激勵特征；在脈沖周期內，轉子葉片的振動響應變化與進口脈沖壓力變化相對應，同時出現規律的周期性振蕩。

項目支持：邯鄲市科學技術研究與發展計劃項目（1621212047-2） ；河北省高等學校科學技術研究項目（ZD2016095）。