某型渦輪增壓器軸流渦輪強度和模態分析

0 引言

世界上最早開發的廢氣渦輪增壓器是軸流式的，1915年開始設想把渦輪增壓器在柴油機上的使用

。在內燃機中，渦輪增壓是很重要的技術，渦輪作為渦輪增壓技術的重要部分，它的工作環境往往是高溫廢氣，因此，必須保證渦輪的結構安全。

綜上所述，公共性觀念的發展對西方美術館建筑空間形態的演變有重要影響，西方建筑師對美術館建筑空間形態的探索始終是站在時代背景和社會背景下，對人們的公共生活模式做出回應。筆者希望以上對西方美術館空間形態演變的研究能為我們深刻理解美術館各項活動的本質屬性提供參考，并為當下及未來美術館的發展方向提供歷史借鑒。

2017年Jianhao Gong的研究表明：部分有機溶液粒子對微波傳播的影響和其碳鏈的長度有關.而且對于不同結構的粒子而言，這種影響在不同頻段也存在較大差異[9].為了精確測量這種差異以確定液體的成分，檢測儀器需要較寬的檢測頻段.近幾年，基于厘米波的超寬帶設備成本優勢愈發明顯.因此，研究如何利用基于厘米波的超寬帶設備識別液體的危險程度具有實際意義.

而對渦輪強的分析早有研究。其中有限單元法成為了現代工程中強度及振動分析的最有效的方法之一，到上世紀八十年代后，有限元分析已普遍應用于透平膨脹機、汽輪機、渦輪增壓器等旋轉機械的強度及振動分析

。Asoy.S等人用有限元法分析了渦輪、葉輪等結構的表面應力，并通過試驗驗證了理論計算的可靠性

。國內利用參數建模方法和六面體網格對旋轉機械機型分析，并且也研究了渦輪在汽車上的強度分析

。

目前，渦輪增壓器已經廣泛應用于各型船舶中，渦輪作為增壓器轉子系統核心部件之一，在渦輪增壓器的設計研究時，需重點對渦輪的強度和模態進行分析。本文利用有限元法，針對某型渦輪增壓器渦輪，計算其在離心載荷和溫度場耦合作用下的強度分析及模態分析。

應力云圖分布沿軸向對稱，且無突變值。因此該耦合應力計算結果可靠，可作為該渦輪在最高轉速與溫度載荷耦合下的計算結果。

1 計算模型

1.1 模型介紹

依據某型渦輪增壓器研制要求，氣動及結構組提交的軸流渦輪設計原型的Parasolid文件實體。該渦輪是一個裝配體，三維模型如圖1所示。渦輪葉片均勻分布在渦輪盤上，渦輪盤一端摩擦焊方式和主軸連接在一起。

1.2 有限元模型

更老一點的徽式宅子是有天井的，還有畫窗和閣樓。郭村這樣帶天井的老宅已不多了，也不再住人，空在那里，里面堆著些鄉間常見的物什：做茶葉的器具，耕田種地的器具。

在最高允許工作轉速(31200r/min)下的應力與位移計算結果如圖5與圖6所示。

最大熱應力集中區域為葉片背弧出口根部，為215MPa，如圖12所示。這是由于該區域的溫差最大，是由于溫度場分布不均而產生了熱應力。說明溫度場分布不均會在渦輪本體產生較大熱應力，熱應力大小和溫度分布有關。

1.3 邊界條件

本文中渦輪轉速載荷為31200r/min，而溫度載荷有兩組：(1)渦輪前后進出溫度分別為750℃、550℃；(2)渦輪前后進出溫度分別為600℃、450℃。

軸流渦輪的約束加載可由該渦輪與主軸的安裝形式簡化為渦輪出口輪轂凸臺各項鎖定。根據葉片的安裝形式，計算葉片模態時約束葉片根部，約束情況如圖4所示。

2 渦輪強度計算

2.1 最高轉速下離心力、位移有限元計算

課堂提問的有效性，能夠很好地將學生的精力集中起來，提高學生參與到課堂學習中的意識，從而提高學生的能力，其重要性不言而喻。

根據離心力計算公式

=

可知，當轉速不變時，

或

值增加都會導致離心力增加，葉片根部由于半徑

較大，并且又是倒角處，應力比較集中，因此可能為應力最大的發生處。而渦輪輪轂處，盡管旋轉半徑

較小，但質量

很大，所以也可能是渦輪最大應力發生處。

從圖6中可以看出渦輪最大應力出現在葉片背弧根部，最大值為565MPa。應力云圖分布沿軸向對稱，且無應力突變值。因此該應力計算結果可靠，可作為渦輪在最高轉速下的應力計算結果。

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從圖7中可以看出渦輪最大位移(0.373mm)出現在葉片的進口葉尖處。位移云圖分布沿軸向對稱，且無位移突變值。因此該位移計算結果可靠，可作為該渦輪在最高轉速下的位移計算結果。

由于為了方便劃分六面體網格，文中的軸流渦輪模型是簡化了拉筋絲的，從上述結果可以看出在最高轉速工況下，簡化后的渦輪模型強度滿足要求。但是原本渦輪葉片上存在拉筋絲孔，擔心其會對渦輪的強度有影響，現校核在最高轉速下的渦輪(帶拉筋絲孔)強度，為方便計算，此處采用四面體網格，計算結果如圖7和圖8所示。

從圖7可以看出本文中帶拉筋絲孔的軸流渦輪模型在最高轉速(31200r/min)下最大應力為609MPa，位于葉片背弧出口根部處，而拉筋絲孔區域的最大應力為不超過410MPa。從圖8可知渦輪的最大位移為0.366mm，位移葉片進口葉尖處。以上結果與用六面體網格計算出的結果相近，且拉筋絲孔區域的最大應力不超過葉片材料的屈服強度770MPa(750℃)，也不是渦輪的最大應力發生處。因此渦輪原有的拉筋絲孔對其強度無其他較大影響，該渦輪模型在計算時可以簡化拉筋絲來計算。

2.2 溫度應力計算(550℃～750℃)

在進口750℃，出口550℃下的溫度分布及熱應力算結果如圖9和圖10所示。

由圖可知最大熱應力集中區域為圖10所示的葉片背弧出口根部，為283MPa。這是由于該區域的溫差最大，是由于溫度場分布不均而產生了熱應力。說明溫度場分布不均會在渦輪本體產生較大熱應力，熱應力大小和溫度分布有關。

熱應力云圖分布沿軸向對稱，且無突變值。因此該熱應力計算結果可靠，可作為該渦輪在溫度載荷下的計算結果。

針對圖1渦輪幾何模型建立有限元模型，運用有限元法計算結構的強度和模態分析。單元質量差在計算時容易出現單元奇點和應力局部集中，單元網格數量不夠容易導致計算結果與實際情況相差太大

。采用八節點六面體實體單元對整體渦輪進行網格劃分，單元數量以根據兩次不同數量單元計算結果相差不超過2%就行。圖2和圖3為建立好的渦輪和葉片的有限元模型。

2.3 溫度應力計算(450℃～600℃)

在進口600℃，出氣450℃下的溫度分布及熱應力計算結果見圖11和圖12。

本文渦輪盤材料為NiCr15MoTi，渦輪葉片材料為G-Ni110，渦輪盤和葉片的材料常數如表1所示。

在最高允許工作轉速(31200r/min)，進氣600℃，出氣450℃工況下的綜合應力計算結果見圖14。在最高允許工作轉速(31200r/min)，進口600℃，出氣450℃工況下的綜合應力計算結果如圖14所示。渦輪最大應力出現在葉片背弧根部，最大值為723MPa，通過整理渦輪在五種工況下的計算結果，結果如表2所示。渦輪不管在單獨的溫度場、離心荷載作用，還是溫度場與離心荷載耦合場作用下，渦輪都是滿足材料的強度要求的，是安全的。

曲塊在儲存過程中水分不斷散失，受物理作用容易出現裂縫和脫殼的現象，這種現象在現用曲中極為常見。為了研究裂縫和脫殼的影響性，我們采集了1.1中的4#裂縫樣品，進行高通量測序研究（見圖3、表5）。

2.4 離心力與溫度耦合計算

在最高允許工作轉速(31200r/min)，進氣750℃，出氣550℃工況下的綜合應力計算結果見圖13。渦輪最大應力出現在葉片背弧根部，最大值為732MPa。應力云圖分布沿軸向對稱，且無突變值。因此該耦合應力計算結果可靠，可作為該渦輪在最高轉速與溫度載荷耦合下的計算結果。

熱應力云圖分布沿軸向對稱，且無突變值。因此該熱應力計算結果可靠，可作為該渦輪在溫度載荷下的計算結果。

厄瓜多爾被認為是未來銅礦新增供應最有前景的國家。銅是所有礦業公司都希望擁有的第一資產，但是其勘查難度越來越大，成本越來越高。

3 渦輪模態分析

3.1 軸流渦輪模態

模擬軸流渦輪安裝后的模態振動計算，結果見表3所示。

由上述結果可知，渦輪整體模態為1252.1～1313.3Hz，遠遠大于該渦輪的最大使用頻率(520Hz)，因此避免了在運轉過程中軸流渦輪發生共振的可能。

3.2 軸流渦輪葉片模態

以葉片根部為約束，計算葉片的1～6階振動模態。葉片計算結果見表4。

長葉片的第1和2階振型表現為葉尖的彎曲振動，第3-6階振型表現為葉身的扭轉振動。葉尖相對于葉身更容易振動破壞，如圖15所示。渦輪增壓器葉片1階固有頻率值的標準為：

>3

5

，式中，

為渦輪增壓器的轉頻。該增壓器設計的最高轉速為31200r/min，轉速頻率為520Hz。渦輪葉片1階固有頻率

(2018

5Hz)>3

5

(1820Hz)，同時在渦輪葉片葉身中部布設有拉筋絲，其葉片1階固有頻還要高些，故渦輪葉片結構模態避開了滿足渦輪使用工況的要求。

4 結論

1、渦輪原有的拉筋絲孔對其強度無其他較大影響，該渦輪模型在計算時可以簡化拉筋絲來計算。

2、模態頻率比工作轉速頻率(520Hz)高出兩倍多，滿足振動上的要求。某型渦輪增壓器的軸流渦輪分別在兩種耦合工況(31200r/min與進氣750℃，出氣550℃；31200r/min與進氣600℃，出氣450℃)下的強度均可靠，且有1.4的安全系數。因此該渦輪增壓器的軸流渦輪可使用本文的結構進行下一步試制。

整黨運動經過四個階段。第一階段，訓練整黨工作的干部。第二階段，對黨員普遍進行以怎樣做一個共產黨員的教育，使所有的黨員都明白做一個共產黨員的標準。第三階段，進行典型試驗，取得經驗，保證整黨能夠健康進行。第四階段，進行組織整頓工作，一般按下列次序進行：(1)黨員登記；(2)對黨員進行審查和鑒定；(3)進入組織處理環節，將不符合黨員標準的清理出黨。

3、以渦輪葉片材料(G-Ni110)的屈服強度極限為該渦輪的計算指標，該渦輪的最大轉速可達32100r/min。當本文的渦輪模型施加32100r/min的轉速載荷與進氣600℃，出氣450℃的溫度載荷時，最大應力為723MPa，位于葉片根部，接近渦輪葉片G-Ni110材料的屈服強度。因此可把32100r/min這個轉速定做為本文渦輪模型的極限轉速。

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