車用渦輪增壓器渦輪的離心應(yīng)力分析

摘 要：結(jié)構(gòu)疲勞有是發(fā)動機(jī)故障主要的原因，強(qiáng)烈的震動都有可能導(dǎo)致疲勞，離心力雖然是最簡單最常見的作用力，但渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)的速度高達(dá)數(shù)十萬轉(zhuǎn)，離心作用不可小覷，因此研究離心力作用對渦輪結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速，研究其應(yīng)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(chǔ)。

關(guān)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(fā)動機(jī)排出的廢氣來推動渦輪轉(zhuǎn)動，渦輪又帶動同軸的壓氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn);壓氣機(jī)入口與進(jìn)氣系統(tǒng)中的空氣濾清器相連，壓氣機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時便可壓縮空氣，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越高，廢氣排出的速度和渦輪轉(zhuǎn)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(jìn)氣量和發(fā)動機(jī)的工作效率[1]。

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

1 加載離心載荷

渦輪增壓器正常工作狀態(tài)下是高速旋轉(zhuǎn)的，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力可以通過以下公式計(jì)算得來[3]。

其中，nT為渦輪的轉(zhuǎn)速，r/min。

因此可以通過施加轉(zhuǎn)速的方式賦予渦輪增壓器離心力，在ABAQUS中對其進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，根據(jù)渦輪表面的離心力分布情況，在添加了轉(zhuǎn)速以后，在垂直于構(gòu)件運(yùn)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(cè)，在渦輪的每一個單元節(jié)點(diǎn)，離心力都是背離其做圓周運(yùn)動的中心。

2 應(yīng)力分析

2.1 離心載荷作用下應(yīng)力的分布情況

給渦輪施加80000r/min的轉(zhuǎn)速，渦輪高速旋轉(zhuǎn)，受到離心載荷的作用。當(dāng)離心載荷單獨(dú)作用時，應(yīng)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(yīng)力沿著氣體流動方向呈規(guī)則分布，每一個葉片受力趨勢一致，從葉尖到葉根，應(yīng)力逐漸增加，不過葉片的應(yīng)力普遍不高，在渦輪背部應(yīng)力逐漸增加，渦輪背部與渦輪軸交接處應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為143.6MPa。

從軸向來看，底部材料較厚重，質(zhì)量比較大，從而導(dǎo)致離心力較大;從徑向來看，葉輪內(nèi)側(cè)的材料受到外側(cè)離心力的牽引，越靠近軸孔處應(yīng)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(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料在此工況下的強(qiáng)度極限，因此該轉(zhuǎn)速工況下渦輪葉片完全滿足強(qiáng)度要求。

2.2 不同圓周方向的應(yīng)力分布

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，渦輪背部的應(yīng)力較葉片更大，因此取渦輪背部不同圓周上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，得到各個節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力變化曲線。

從圖中可以看處，隨著圓周半徑的變化，應(yīng)力呈現(xiàn)規(guī)則的變化。靠近軸孔處的應(yīng)力最大，隨著半徑增大，應(yīng)力逐漸降低，在渦輪邊緣處應(yīng)力最低。同一圓周方向上，應(yīng)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(yīng)力達(dá)到頂峰。而R2圓周方向的應(yīng)力變化平緩，幾乎是一條水平線，說明在交界面處結(jié)構(gòu)形狀的變化更易發(fā)生應(yīng)力集中，不過單一離心載荷作用下應(yīng)力均不是很大。

2.3 不同工況下應(yīng)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(zhuǎn)動，對渦輪葉片本身的強(qiáng)度不會產(chǎn)生影響，為了更加清楚的得到應(yīng)力變化趨勢，取渦輪葉片徑向方向上的一組節(jié)點(diǎn)，分別計(jì)算150000r/min、220000r/min兩種工況下的應(yīng)力變化情況，與80000r/min的工況進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，三種工況下應(yīng)力變化的趨勢是一致的，即沿著渦輪葉片徑向從內(nèi)向外，應(yīng)力逐漸降低，葉尖應(yīng)力最小，葉根處應(yīng)力較大。而且在葉尖處，即使轉(zhuǎn)速在大，應(yīng)力變化不是很明顯，均小于50MP;隨著轉(zhuǎn)速的顯著增加，該組節(jié)點(diǎn)的最高應(yīng)力有明顯的變化，從80000r/min增加到150000r/min、150000r/min增加到220000r/min，轉(zhuǎn)速增量相同，然而最高應(yīng)力卻增大近3倍，說明轉(zhuǎn)速在一定程度上還是會對應(yīng)力產(chǎn)生顯著的影響，不過最高應(yīng)力均低于300MPa，因此，工作轉(zhuǎn)速只要控制在一定的范圍內(nèi)，最高應(yīng)力就不會達(dá)到材料的屈服極限。

3 結(jié)論

本文通過ABAQUS對渦輪的離心載荷進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）隨著轉(zhuǎn)速變化，離心載荷產(chǎn)生的應(yīng)力變化趨勢一致。

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

（3）葉片徑向方向應(yīng)力均不大，但在輪軸和輪背的交界處應(yīng)力較大，因此研究葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，需進(jìn)一步結(jié)合熱載荷和氣壓載荷作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹良丹，于艇，沈棟平，周唯儒.某渦輪增壓器殼體熱應(yīng)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(jī)葉輪多載荷應(yīng)力分析[J].車輛與動力技術(shù)，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(yīng)力的影響分析[J].車用發(fā)動機(jī)，2011（06）：47-52.

[4]周怡.車用汽油機(jī)增壓器葉輪應(yīng)力-振動失效計(jì)算與分析[D].北京理工大學(xué)，2016.

基金項(xiàng)目：2018年湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)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(yùn)用技術(shù)。