增压器涡轮叶片设计及模态分析

从 顶 部 到底 部 的温度 变 化 明显 ， 气进 入 活 塞 的大 燃
部 分 热量 都 是从 活 塞 的环槽 区域流 走 ； 活塞 温度 满
足活塞 材料 设计 要求 。
（） ３ 最大径向变形出现在活塞的头部 ， ０ ０ ｒ 为 ． ７ ｍ， ４ ａ
活 塞 头部 和裙 部 的变 形 在 配 合 间 隙设 计 值 范 围 内 （ 塞和 缸套 在活 塞头 部位 置 的 间隙 为 ０８ ｍ， 活 ． ｍ 不 ９ 含配缸 间隙 ） 。 （） ４ 通过 对 活 塞 强 度 预 测评 价 可 知 ， 塞 材 料 活
处 分 成 两 段 ，分 别 采 用 一 条 三 次 多 项 式 曲线 来 构
造， 其定 义如下 ：
率， 在这 种 情 况 下 ， 如何 提 高对 叶轮 进 行 合 理 性设 计 成为 当前对 涡轮 增压器 研究 的 主要技术 点 。
１ 叶 片 叶身 造 型 流 程
１１ 多项 式构 造 叶型 中弧线 ．
活 塞销 孔 改进 优化 设 计 ， 活塞 销 孑 部 位 的应 力和 变 Ｌ
［］ １ 赵耀 如 ． 塞 损 坏 及 其 考 核． 验交 流 ， ９ ８２． ０ 活 经 １９ （）
作 者 简 介 ： 岗 ， ， 级 Ｔ 程 师 ， 要 从 事产 品 Ｃ Ｅ 分 张 男 高 主 Ａ
形 满足 活 塞设计 要 求 ． Ｌ Ｉ ｅ活 塞取 消 铜套 设 计方 案 Ｓ 可行 ；取消铜 套后 的 ＩＬ Ｓ ｅ活 塞经 过在市 场 上验证 ，
度， 有足 够 的强度 和刚度 ， 具有 良好 的工 艺性 。对 于分析 叶片 的 变形 原 因具有 一定 的参考 价值 。
［ 关键词 ］ 压器 涡轮 叶 片 三 维建模 Ａ Ｙ 增 ＮＳ Ｓ 模 态分析
Ｋｅ ｒ ｓ ｕ ｂ ｎ ｍｐ ｌ ｒ ｈ ｅ — ｉ ｎ ｉｎ ｌｍｏ ｅ ｉ ｇ ｙ ｗｏ ｄ ：Ｔ ｒ ｉ ｅ Ｉ ｅｌ Ｔ ｒ ｅ ｄ ｍｅ ｓｏ ａ ｄ ｌ ＡＮＳ Ｍｏ ａ ｎ ｌ ｓｓ ｅ ｎ ＹＳ ｄ ｌａ ａ ｙ ｉ
没 有 出现活 塞销孑 失效 故 障 ， Ｌ 用户 反应 良好 。 参 考文献
『】 世 英 等 ． 孑 结 构 设 计 对 活塞 可靠 性 影 响 的 研 究 『］内 １刘 销 Ｌ Ｊ． 燃机丁程 ． ２ 第 ８卷 第 １期 ，０ ７ ２０ ． ［】 ２ 白敏 丽 ， 国朝 ， 家 骅 ， 志 千 ． 朱 陈 张 内燃 机 燃 烧 室 瞬 态 导 热 有 限元 计 算 网格 剖分 规 则 研 究 ． 内燃 机 Ｔ 程，０ ０ ２０． ［］白敏 丽 ， 惠 强， 家 骅 ． 动机 活 塞 组 ２缸 套 整 体 耦 合 ３ 蒋 陈 发 系统 瞬态 温 度 场 数值 模 拟 ． 型 内燃 机 ， ９ ２ ． 小 １ ４， ９ ２ 【］ 先辉 ． ４周 活塞 有 限 元 分 析 华 北 丁 学 院学 报 ， ９ ８１ １９ ，９ ［】 景 伟 ． 温 度 和 机 械 载 荷 作 用 下 活 塞 应 力 与 变 形 的三 ５佟 在 维 有 限元 分 析 『． Ｊ 内燃 机 学 报 ， ９ ５ １ ２： ３ １ １ 】 １９ ， ３（） ２ ～ ３ ． １ 【】 明德 ． 油 机 活 塞 的 温 度 场 、 变 形 与 应 力 三 维 有 限元 ６薛 柴 热
用多 段 曲线 分别 定 义 叶型 的 中弧线 和 厚度 分 布 ， 然 后 再通 过坐标 变换 得 到叶型 内弧 和背 弧的坐 标 。常 用 的定 义 叶型 的曲线有 ：Ｕ Ｂ 、 Ｎ Ｒ Ｓ 圆弧 、 圆弧 、 椭 多项
线 后半 段 ， 采用 中弧 线终 止 点 Ｑ 的坐标 （ ｙ） ： ｘ ， 和该 点 的斜 率 ｔｎ （ 、最 大 弯 度 位 置 处 的坐 标 （一， ａ ｐ） ｘ ｙ 和 斜 率 ｔｎ ｐ ） 人 定 义 式 也 得 到 一 个 四方 程 一） ａ （ 带
强 度能 满 足 ＩＬ Ｓ ｅ增 压柴 油 机 在 正常 运 行状 态 下 的
分 析『 ． 工 学 报， ０ １ ）１— ４ Ｊ兵 ］ ２ ０ （ ： １． ２ １
［ 邱 晓 玲 ． 油 机 活 塞 温 度 场 测 量 及 降 温 措 施 ． 械 工 业 出 ７ ］ 柴 机
版 社 １ ８ ． ９ ９
［ 苏 洪 吉 ． 用 柴油 机 的活 塞 设 计研 究． 车科 技 ， ９ （） ８ ］ 车 汽 １ ８６． ９ １Ｊ 鹏 等 ． ９翟 车用 高 负 荷 活 塞 异 形 销 孔 结 构 发 展 趋 势 及 加 Ｔ 技 术 研 究 ． 车技 术 ， ０ ６ ３ 汽 ２０， ．
可靠 性 要 求 ， 活塞 头 部和 裙部 的变形 也 在 配合 间隙 设计 值 范 围内。 通 过 以上分 析 ， Ｌ Ｉ ｅ活塞 取 消铜 套后 ，经 过 对 Ｓ
为 ３弯 ２扭 ，最 大振动 应 力在 叶片 的进气 边 和 出气
边 均有 出现 ２３ 增 压器涡 轮 叶片 的共振 特性分 析 ．
３ 总 结
增 压 器 涡 轮 叶 片设 计 是 发 动 机 中 涡 轮 部 件 设 计 的重要 部 分 ． 其设 计 的优 劣 直接 关 系 到 涡轮 工 作 的效率 。其工 作环境 是 高温 、 高压 和高 速 ， 承受 的载 荷 主 要有 ： 动 载荷 、 气 离心 载荷 和 热载 荷 ， 片设 计 叶 具有广 泛 的发展 空 间和前 景 。
振 频 率 为 １ ６ ｎ Ｈ ，即是 ： １６ Ｈ 、３ ２Ｈ 、４ ８ １６ ｚ １６ ｚ２ ３ ｚ ３ ９
Ｈｚ ４ ６ ８ ０ Ｈｚ ６ ９ １ ２ Ｈｚ ９ ３ 、 ６ ４ Ｈｚ ５ ３ ９ ６ Ｈｚ ８ ６ ３ ３ Ｈｚ １５０ ０ ０ Ｈｚ １ ６ ７ Ｈｚ １ ８ ３ Ｈｚ １ ０ ０ Ｈｚ １ １ ６ 、 １６ 、２ ３ 、４ ０ 、５ ６
从 增 压器 涡轮 叶 片 的设计 过程 中可 以看 出 ， 直
接的 ３ Ｄ叶片 成 型仍存 在 困难 ， 目前 的 叶片 设计 都
是在 ２ Ｄ叶型优 化成 型 的基础 上 ， 进行 ３ Ｄ径 向积 叠
对 于 中 弧线 前半 段 ，采用 中弧 线起 始 点 Ｑ 的坐标
（ ，）和该 点 的斜 率 ｔ （ 、最大 弯度 位 置处 的 ００ ａ ｐ） ｎ 坐标 （ ，ｙ ｘ ～）和斜率 ｔｎ （ ａ ｐ ）带 入定 义式 ，得
４
内 燃 机 与 配 件
２１ ０ ２年 第 １期
增压器 涡轮 叶片设计及模态分析
Ｄｅ ｉ ｎ ｎｇ ｏ ｒ ｏ ｈａ ｇ ｒ Ｉ ｐｅ ｌｒ ａ ｄ ｓｇ ｉ ｆＴｕ ｂ ｃ ｒ ｅ ｍ ｌｅ ｎ Ｍ ｏ ａ ｄ ｌＡｎａ ｙ ｉ ｌ ｓｓ
杨帆
胡 国 良 黄幼 林
振 动 应力 在 叶 片的进 气 边 和叶 片 中部 ： 五 阶振 型 第
共 振 的可能性 比较大 ，即其 工作 可靠 性 比较低 。解 决 叶 片共振 的有效 方法 是 ： 变 叶片厚度 ， 尽量 减 改 并 少 叶 片 的不 均匀 度 ， 以及 避 免 叶片 的 激振 频 率 落 在 其 共振 频率 范 围内 。
恶 劣工 况 ， 又要 尽 量减 少 叶 片质 量 以提 高 增压 器 效
阶和 二 阶导 数 的连 续 ． 用于 叶 轮机 械 叶 型 的型 适
面特 点 ［。 ２ １
多 项式 曲线 中包括 ｎ １个未 知 系 数 ， 求解 多 ＋ 欲 项式 表达 式 ，只需 利 用 已知条 件构 建 一个 包括 ｎ １ ＋ 个 方程 的方程 组 ， 可 以求 解 出多 项式 未 知 系 数 的 就 值 ， 到该 多 项式 的表达 式 。将 中弧线 冲最 大 弯度 得
一
增 加最 大 扭 矩 ， 高扭 矩 储 备 ， 提 同时 还 可 以改 善热 效率 ， 高 经济 性 ， 少排 气尾 气 中的 Ｈ Ｃ 以及 提 减 Ｃ、 Ｏ
碳 烟颗 粒 等有 害成 分 ， 低 噪声 。柴油 机 采用 涡 轮 降 增 压 已经 越来 越成 为一种 大 的趋势 。同时 涡轮增 压 器处 在 一个 高 温高 压 的工 作环 境 中 ． 压器 废 气 涡 增 轮 端 的温 度在 ６ ０度 以上 ， ０ 叶片 受 到脉 冲 气流 的冲 击力 。 容易 造 成结 构 振动 和疲 劳 。既要 使 叶 片适 应
０ 引 言
在 内燃机 的发展 过 程 中 ． 轮增 压技 术 的应用 涡 可 以提 高充 气 密度 ， 仅 几成 ， 至 几倍 增 加 功率 ， 不 甚
式 曲线 、 络线 等¨ 包 Ｊ 文章 采用 多项式 定 义 叶型 中 。本
弧线 和厚度 分 布 的方 法构 造增 压器 涡轮 叶片 叶型 。 多 项 式 曲线 具 有 简 单 的 代 数 表 达 式 ．曲线 光 滑 ， 仅 能保 证 在 设 计 空 问 的 连 续 性 ， 能保 证 其 不 且
析 和 产 品 失 效分 析 研 究 。
（ 上接第５ ） 页
从 图可 以看 出 涡轮 叶片 的第一 阶 振型 表现 为 １
叶片 的损坏 ， 这说 明增压 器在 工作 转速下 ， 叶片发 生
弯 ， 大振动 应力 在叶 片的进 气边 处 ； 最 第二 阶振 型表
现 为 １ 最 大振 动应 力在 叶片 的 出气边 最 高处 ： 弯， 第 三 阶振 型 表 现为 １ １ ． 大振 动应 力 在 垂直 于 弯 扭 最 叶片 的进气边 处 ； 四阶振型 表现 为 ２弯 ２扭 ， 第 最大
的方程 组 ， 如式 （ ） ｉ： ｉ
１ ２
内 燃 机 与 配 件
２１ 第 ｌ ０ ２年 期
面 ， 为 １ ２６ Ｍ ａ 通 过对 活塞 各危 险部位 疲劳 安 约 ６． Ｐ 。 ７
全 系数 计算 ，活 塞 的材料 强 度满 足 发 动机 的要 求 ； 通 过对 活 塞强 度 预测 评价 可 知 ． 活塞 材 料 强度 能 满 足增 压 柴油机 在正 常运 行状 态下 的可靠 性要求 。 （ ） 过 对 活塞 的温 度 场 分 析 可 知 ， 塞 的最 ２通 活 高 温度 为 ３ ３６ ， ４ ． 出现在 燃烧 室 喉 口边 缘 活塞 温度 ℃
ｙ Ｃ０Ｃ ｌ Ｃ２ ＋ ｌ ｌ １ ｌ＋ １ Ｃ３ ＝ ＋ ｘ Ｘ ｘ ｙ ＣｏＣ１ Ｃ２ ＋ ２ ２ ２ ２ ＋ ２ Ｃ３ ＝ ＋ ｘ Ｘ Ｘ
ｘ ［， Ｅ Ｘ］ ０ ｘ ［ Ｂ ｅ ， 】 ｘ
可 见 ，每个 三 次 多项 式 中有 四个 未 知 系数 ， 因 而需 要 四个 条 件 建 立 一 个 封 闭 的方 程 组 来 求 解 。
（ 中北 大学） （ 要 ］ 篇 文章介 绍 了 内燃机 径流 式废 气涡轮 增压 器叶 片三 维设计 方案及 有 限元分析 。 涡 摘 本 该 轮 叶 片采 用经验 设计 法进 行设 计 ，通过 Ｃ Ｄ 和 Ｐ Ａ Ｒ０／ Ｅ等 三 维建模 软件 绘 出其 工 程 图 ，并 导入 ＡＮＳ ＹＳ对其 进行 有 限元 网格剖 分 ，再加 载 边界 条件 对其进 行 模 态分析 ．以确保 符合 材 料 的热 强
参 考 文 献
［］ 士 甄 等 ．叶轮 机 械 原 理 ．清 华
增 压 器涡 轮 叶 片共 １ ０个 。涡 轮 的激 振 频率 为
（ ０ ０６ ）１ （ ７ ０ ／０ ０ｎ ｎ为 正 整 数 ） 从 而 得 到 涡 轮 的激 ，
到一个 包 含 四个 方程 的方 程 组 ， 式 （） 对 于 中 弧 如 ｉ；
实 现 的。 Ｄ 叶型的参 数化 造型方 法一 般是 先采 用 圆 ２
弧 或样 条 曲线来定 义 叶型 的前后缘 。叶 型的 内弧和 背 弧有 两种 常用 的定义方 法 ： 种 定义 方法 是直 接 一
用 多段 曲线定 义 叶 型 的 内弧 和 背弧 。 一 种 方法 是 另