某型涡轮增压器涡轮结构优化.pdf

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1、靳鹏陈少林杨帆杨迪刘朝峰：某型涡轮增压器涡轮结构优化13某型涡轮增压器涡轮结构优化St邝cturalOptimizati蚰andAnalysisofTurbineWheelofTurbocharger靳鹏陈少林杨帆杨迪刘朝峰(天雁机械有限责任公司)(摘要]作为涡轮增压器的核心零件，研究涡轮增压器涡轮的结构优化尤其重要。本文对某型涡轮增压器涡轮在高转速下出现轮毂处破损失效模式的结构形式进行结构优化。首先通过有限元计算结果分析，找到涡轮增压器涡轮应力集中位置，然后针对出现的大应力区进行几何优化，最后对比各优化方案，找出应力值最小并低于材料屈服强度值最优方案。本文

2、的应力计算结果对于设计涡轮结构，提高涡轮结构强度，具有一定的参考价值。(关键词]涡轮有限元分析应力集中应力值Abstract：Asthecorepartofturbocharger，structureoptimizationofturbochargerispartic—ularlyimportant．Inthispaper，aturbochargerturbinewheelathighspeedsappeardamagedstructurefa订uremodesofthestructureoptimization．Theresultscalculatedby

3、finiteelementa—nalysis，findtheturbochargerturbinestressconcentrationposition，thenaccordingtothehighstresszonegeometryoptimization，comparisonofthevariousoptimizationscheme，tofindtheloweststressvalueandlessthanthematerialyieldstrengthvalueoftheoptimalscheme．Stresstheresultsinthispape

4、rforthedesignofthestructure，improvethestructuralstrength，hasacertainreferencevalue．Keywords：TurbinewheelFiniteelementAnalysisStressconcentrationStressvalue0引言涡轮增压器涡轮和压气机叶轮作为涡轮增压器的关键零部件，其结构强度的分析在随着产品系列化与行业中降低成本的大环境中变得尤为重要，而且涡轮增压器涡轮通常使用的材料是昂贵的K418高镍合金[1]，因此找到一种涡轮设计在成本与结构强度。达到合理配置显得尤其

5、重要。本文针对某图l涡轮失效模式型故障涡轮增转速的离心载大应力区并在的结构优化团压器(具体如图1所示)涡轮进行高荷下的结构应力分析，找到其出现的保证结构强度的前提下对其进行相应1有限元涡轮数值模型的建立1．1有限元模型的建立涡轮增压器涡轮工作状态受力情况是非常复杂的，其所受载荷不仅有高速旋转离心力还有气动产生的叶片载荷以及热冲击的热载荷，但轮毂处热应力与气体压力作用很小，基本可忽略不计，因此计算时只考虑高速旋转的离心力作用[5]。虽然涡轮几何模型结构具有周期对称性，但为了保证涡轮计算值的准确性及能够更好的观察涡轮的应力分布和出现的大应力区，直接取其整体模型，

6、利用ansys前处理，采用三维实体Solidl87号々G上。地w∞术{i一技一一艺一“工一弛w舡。。0内燃机与配件2014年第2期单元对其进行自由网格的划分。考虑涡轮结构具有周期性，故其载荷及约束也具有周期性，在涡轮轮背端施加轴向约束，并施加离心体载荷。图2所示为涡轮的有限元模型。图二桶轮有限兀网格模型对涡轮进行施加离心体载荷计算时参照国内涡轮安全因数范围和最大应力值与转速关系，可知应力值随转速呈近似抛物线上升[4][5

7、，因此考虑其极限转速即高转速可达140000rpm。1．2有限元结构优化数学模型为了能够得到结构最优涡轮形式，考虑涡轮破损失效模式，在不改

8、变增压器性能与加工工艺下，对涡轮的轮背H与凹槽R处进行方案优化，具体位置布置如图2所示：圈3涡轮优化方案示意圈由涡轮的破坏失效模式，可知在离心体载荷下其出现大应力位置为轮背与凹槽倒角处，因此针对此位置我们进行如下表1所示的优化方案。表1优化方案方方案案——=四五一——／、R(mm)04565H(mm)32522有限元数值结果处理与对比分析为了能够得到最优的涡轮结构形式，对本文所设计涡轮在ANsYS软件中进行有限元计算，对于各优化方案计算时首先针对凹槽倒角R优化分析找出R值最合理的方案，然后在R值最合理方案下与轮背深度H进行联合优化，找出R值与H值同时最优方案

9、。首先针对凹槽倒角R值进行优化，并对涡轮施加角速度为