中空渦輪的設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種中空渦輪，尤其是一種中空渦輪的設(shè)計方法，屬于中空渦輪設(shè)計 的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來各國政府相繼以立法形式對車輛的燃油消耗與尾氣排放進(jìn)行強(qiáng)制性約束， 以應(yīng)對日趨惡化的大氣環(huán)境和石油危機(jī)。日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)了汽車發(fā)動機(jī)的升級換 代，使得最初應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的渦輪增壓技術(shù)在汽車行業(yè)得以推廣，成為提高汽車動力 性能的主流方向。渦輪增壓技術(shù)可以提高汽車發(fā)動機(jī)功率、降低能耗和減少排放，是目前實 現(xiàn)汽車工業(yè)節(jié)能減排目標(biāo)最有效的手段之一。
[0003] 渦輪是汽車渦輪增壓器的核心零部件，其性能直接決定了渦輪增壓發(fā)動機(jī)的節(jié) 能減排效果、使用壽命和可靠性。渦輪工作環(huán)境非常惡劣，柴油機(jī)上渦輪工作溫度可高達(dá) 750°C，而在汽油機(jī)上更高達(dá)1050°C，渦輪轉(zhuǎn)速可達(dá)20萬轉(zhuǎn)/分以上，同時渦輪葉片受周期 性氣流沖擊，易產(chǎn)生共振，導(dǎo)致疲勞損壞。為了使增壓器能夠在較惡劣的工況下正常工作， 提高增壓器的可靠性和耐久性，需要從渦輪結(jié)構(gòu)、渦輪選材和成形工藝三個方面進(jìn)行優(yōu)化。
[0004] 由于渦輪截面尺寸差異大，渦輪四周布滿細(xì)薄的葉片，中間輪盤較為厚大，對于常 規(guī)精密鑄造來說，希望極力避免的就是同一鑄件壁厚差異過大。此類鑄件厚大熱節(jié)位置也 是最后凝固的部位，集中縮孔也往往產(chǎn)生于此。從組織均勻性角度考量，液態(tài)鑄造時，薄的 葉片易形成細(xì)晶，不能滿足耐熱性要求（持久和蠕變性能較差），而厚的輪盤則形成粗大晶 粒，又不能滿足強(qiáng)度和低周疲勞性能的要求。除了在鑄造工藝凝固環(huán)節(jié)上采取措施之外最 有效的方法便是從結(jié)構(gòu)上減小壁厚差，采取中空設(shè)計是最簡捷且行之有效的途徑。
[0005] 中空渦輪使得結(jié)構(gòu)上壁厚差降低和心部熱節(jié)尺寸減小，可以有效減輕渦輪鑄造成 形的凝固缺陷，同時可以改善整個渦輪鑄件的組織均勻性。同時中空設(shè)計也使得利用粉末 注射成形技術(shù)成形渦輪成為可能，中空設(shè)計使決定渦輪生坯脫脂速度與完全性的最大壁厚 減小，進(jìn)而擴(kuò)大了粉末注射成形技術(shù)在渦輪制造上的工藝適用窗口。
[0006] 中空渦輪設(shè)計的優(yōu)勢除了體現(xiàn)在制造工藝和成形質(zhì)量之外，其最大的優(yōu)勢是可以 降低渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，有效提高渦輪增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)特性以及車輛的加速性。對于 采用粉末注射成形技術(shù)制造的中空渦輪，由于其材料強(qiáng)度的提高，渦輪葉片厚度可以減薄， 可以更進(jìn)一步的提高渦輪增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)特性和車輛的加速性，同時渦輪增壓器的效率 可以得到提高，進(jìn)而提高發(fā)動機(jī)的功率，降低發(fā)動機(jī)的油耗和排放。
[0007] 渦輪中空設(shè)計后會導(dǎo)致蝸輪整體旋轉(zhuǎn)過程中應(yīng)力大小和分布發(fā)生變化，對渦輪的 頻率也有一定的影響。如何確定中空渦輪工作的穩(wěn)定性以及可靠性是現(xiàn)有中空渦輪設(shè)計的 一個難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種中空渦輪的設(shè)計方法，其 步驟簡便，確保中空渦輪使用時的穩(wěn)定性以及可靠性。
[0009] 按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，一種中空渦輪的設(shè)計方法，所述中空渦輪的設(shè)計方 法包括如下步驟：
[0010] a、給定所需尺寸的實心增壓渦輪，并根據(jù)所述實心增壓渦輪的尺寸確定與實心增 壓渦輪適配的圓內(nèi)孔，以得到所需的中空渦輪；
[0011] b、利用有限元建模軟件建立上述實心增壓渦輪以及中空渦輪相對應(yīng)的有限元模 型，并給定實心增壓渦輪的工作承受載荷，且在實心增壓渦輪的工作承受載荷下，確定中空 渦輪的最大離心應(yīng)力以及振動模態(tài)；
[0012]c、若中空渦輪的最大離心應(yīng)力與實心增壓渦輪的最大離心應(yīng)力之間的偏差大于 應(yīng)力偏差閾值，或中空渦輪的振動模態(tài)與實心增壓渦輪的振動模態(tài)之間的偏差大于模態(tài)偏 差閾值，則對中空渦輪葉片根部的圓角以及厚度進(jìn)行修正，以使得修正后中空渦輪的最大 離心應(yīng)力與實心增壓渦輪的最大離心應(yīng)力之間的偏差小于應(yīng)力偏差閾值，且修正后中空渦 輪的振動模態(tài)與實心增壓渦輪的振動模態(tài)之間的偏差小模態(tài)偏差閾值。
[0013] 所述實心增壓渦輪的工作承受載荷包括渦輪工作的高溫、渦輪的最高轉(zhuǎn)速以及氣 流沖擊共振。
[0014] 對中空渦輪葉片根部的圓角或厚度進(jìn)行修正時，采用逐步增大葉片根部圓角或厚 度，所述應(yīng)力偏差閾值為5%，模態(tài)偏差閾值為1 %。
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)點：將中空渦輪與實心增壓渦輪相對應(yīng)的最大應(yīng)力、振動模態(tài)進(jìn)行分 析對比，再對中空渦輪葉根部的圓角以及厚度進(jìn)行修正，直至使得修正后中空渦輪的最大 離心應(yīng)力與實心增壓渦輪的最大離心應(yīng)力之間的偏差小于應(yīng)力偏差閾值，且修正后中空渦 輪的振動模態(tài)與實心增壓禍輪的振動模態(tài)之間的偏差小模態(tài)偏差閾值，確保中空禍輪運行 的穩(wěn)定性以及可靠性。
【具體實施方式】
[0016] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0017] 為了確保中空渦輪使用時的穩(wěn)定性以及可靠性，本發(fā)明中空渦輪的設(shè)計方法包括 如下步驟：
[0018] a、給定所需尺寸的實心增壓渦輪，并根據(jù)所述實心增壓渦輪的尺寸確定與實心增 壓渦輪適配的圓內(nèi)孔，以得到所需的中空渦輪；
[0019] 本發(fā)明實施例中，實心增壓渦輪與中空渦輪的基本結(jié)構(gòu)尺寸相一致，在實心增壓 渦輪的尺寸給定后，可以得到適配的圓內(nèi)孔，即得到中空渦輪。根據(jù)實心增壓渦輪的尺寸確 定適配圓內(nèi)孔尺寸的過程為本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知，此處不再贅述。
[0020] b、利用有限元建模軟件建立上述實心增壓渦輪以及中空渦輪相對應(yīng)的有限元模 型，并給定實心增壓渦輪的工作承受載荷，且在實心增壓渦輪的工作承受載荷下，確定中空 渦輪的最大離心應(yīng)力以及振動模態(tài)；
[0021] 本發(fā)明實施例中，利用現(xiàn)有常用的有限元軟件得到實心增壓渦輪以及中空渦輪的 有限元模型，具體建模過程為本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知，此處不再贅述。實心增壓渦輪的工作 承受載荷主要有：高溫、高轉(zhuǎn)速以及氣流沖擊導(dǎo)致的共振。
[0022] 高轉(zhuǎn)速帶來較大的離心力作用渦輪，葉片根部圓角通常是應(yīng)力最大的部位，通過 有限元分析方法，可以得到葉根圓角的應(yīng)力分布及其具體數(shù)值。由于中空渦輪的結(jié)構(gòu)剛度 比實心渦輪小，因此導(dǎo)致中空渦輪在相同離心力作用下其應(yīng)力值較大，但是應(yīng)力分布沒有 變化。
[0023] 渦輪葉片在氣流沖擊作用下，會導(dǎo)致渦輪葉片產(chǎn)生共振，為了避免渦輪中空后其 葉片振動加劇，需要保證中空渦輪自身的模態(tài)參數(shù)固有屬性與實心增壓渦輪保持一致。保 證手段是通過有限元模態(tài)分析，得到渦輪的模態(tài)頻率和模態(tài)振型，使其與實心增壓渦輪一 致。
[0024] 對中空渦輪以及實心增壓渦輪分析時，分別考慮渦輪高溫、高轉(zhuǎn)速、氣流沖擊共振 情況下，渦輪實際的載荷及其應(yīng)力、模態(tài)等參數(shù)，保證中空渦輪的各種參數(shù)與實心渦輪保持 一致或改變幅度不超過允許范圍：
[0025]中空渦輪和實心增壓渦輪的離心應(yīng)力分析模型的邊界條件包括自由度約束、集中 力、壓力轉(zhuǎn)動角速度等。根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，一個運動的物體可以看作是一個動平衡問題， 作用在渦輪上的離心力便是一個等效力，在動平衡狀態(tài)下離心力可以看作一個外載荷。渦 輪離心應(yīng)力計算所需要的主要參數(shù)包括：渦輪外緣直徑、葉片個數(shù)、中空孔直徑與深度，渦 輪材料的彈性模量、泊松比、渦輪材料的密度。
[0026] 禍輪單元體離心力計算公式為
[0027] dC = R ?2dm = p R co 2dV
[0028] 其c
，略去三階及以上高階無窮小，得
[0029] dV = RydRd 0
[0030] dC = P R2?2ydRd 9