汽车涡轮增压器的三维建模与有限元分析

张　纬，杨尉平，王　曌

（长安大学汽车学院，陕西西安　710064）

摘　要：在汽车刚起步时，由于发动机废气量的不足，轿车涡轮增压器经常会出现涡轮增压压力不足、燃烧过量的情况，使得涡轮增压器在低工况运转时不能很好地介入发动机工作。针对以上工况，本文提出了一种通过在涡轮端加喷嘴环来提高增压器的压比和空气量，使得增压器与汽油机在低负荷工况运行时也能很好地匹配，达到增压的效果的方法。安装有涡轮增压器的发动机有效地提高了自身的动力性，也降低了尾气污染。使用Proe对涡轮增压器进行三维实体建模，利用Ansys软件进行有限元分析。

关键词：Proe；Ansys；涡轮增压器；有限元分析；喷嘴环

Abstract：When the car has just started，because of insufficient amount of the engine exhaust gases，car turbochargers often occur turbo pressure is insufficient，the case of an excess of combustion，such that the turbocharger at low operating condition of the engine does not work very well intervention for the above conditions is proposed by the turbine side plus a nozzle ring methods to improve the turbocharger pressure ratio and the amount of air，so that the turbocharger and gasoline engine running at low load conditions can be very good matching，to achieve the effect of supercharging.Equipped with a turbocharger engine effectively improve its own power is also reduced exhaust pollution.Proe turbocharger use three－dimensional solid modeling using finite element analysis software Ansys.

Key words：Proe；Finite element analysis；Ansys；Turbocharger nozzle ring

1　引言

20世纪初期，涡轮增压器技术就开始出现，它带动了汽车内燃机的发展，近几年，在国内外内燃机发展中，发动机进气增压技术逐渐成为汽车行业发展的重要方向，增压器从最初只应用在柴油机上，到现在汽油机上也开始广泛的使用。为了充分利用废气的能量，我们目前研究探讨了可变截面、可调喷嘴环的径流式涡轮，并对涡轮增压器的内部进行了内流场分析。

1.1废气涡轮增压器的工作原理和总体结构

由涡轮机体、中间体和压气机体共同组成的废气涡轮增压器，通过发动机排出的废气能量来工作。发动机排出的废气以一定的排气压力经排气歧管进入涡轮壳内的喷嘴环中。由于喷嘴环的面积是逐渐收缩的，所以废气在流动过程中压力和温度逐步下降，但速度却有了很大地提高，从而增加了废气流的动能，使涡轮叶片转动的速度也加快了，从而带动了同一转子轴上的压气机叶片同速转动。图1为涡轮增压器的工作原理图。由于压气机叶片旋转，压气机壳入口处形成负压，所以负压就将通过进气道的气流吸入压气机壳内，再由高速旋转的压气机叶片把空气流甩向叶轮的边缘，从而得到速度和压力都增加的空气，使得燃烧更加充分。

图1　涡轮增压器的工作原理图

1.2　离心式压气机

离心式压气机由进气道、压气机叶轮、扩压器和压气机壳组成。在本次设计中进气道与压气机壳被制成一体，使用的压气机叶片是半开式后弯叶片，材料是铝合金。扩压器一般也是铝合金材料。采用的可变截面的压气机壳，也是由铝合金铸造而成。

作者简介：张　纬（1991－），女，长安大学汽车学院硕士研究生，车辆工程专业。

　　　　　杨尉平（1993－），女，长安大学汽车学院硕士研究生，车辆工程专业。

　　　　　王　曌（1991－），女，长安大学汽车学院硕士研究生，车辆工程专业。

1.3　废气涡轮机

废气涡轮是将发动机排出的废气能量的膨胀功转换为机械功。本次设计中使用的是径向向心式蜗轮，涡轮壳的进气口与发动机排气歧管连接，从而把发动机的废气通过涡轮壳有序地导入喷嘴环中。一般将涡轮的出气口与涡轮的进气壳铸成一体。用精密铸造的方法将径流式涡轮叶片和其轮盘铸成一体，抛物线或二次曲线形是涡轮叶片常采用的形状。

1.4　转子系统

转子是通过焊接技术将涡轮与转轴连接起来的，并不是一个独立的部件，它将压气机叶轮、轴承、止推片和转轴通过轴端螺母固定。

1.5　中间体

中间体上部为润滑油进油口，它与发动机主机的润滑油为同油路，一般进入中间体的润滑油要有一定的压力。中间体内部设有不同的油道，使高压润滑油容易进入浮动轴承、止推板中，并从下方的出油孔流出，回到发动机润滑油路中。全浮动轴承是汽车涡轮增压器中应用最多的用来支撑转子的轴承。

1.6　可调喷嘴环

本次设计，在进气蜗壳与工作轮间装有喷嘴环，使废气经喷嘴环进入叶轮。由许多喷嘴叶片和环形底板组成的环形叶栅是径流式涡轮的喷嘴环，叶片之间形成收缩通道，另外喷嘴环还有导流的作用，在设计中总共有12个喷嘴叶片，喷嘴叶片均匀分布在喷嘴环上。由于喷嘴环叶片设计了安装角，这使废气流经其后会按叶片安装角的方向流入涡轮叶片；废气气流在流动过程中将势能转换为动能。如图2。

图2　可调喷嘴环

2　压气机与涡轮机的匹配

2.1　压气机的主要工作参数

（1）增压比

它是压气机出口压力值和进口压力值的比值，也是压气机最主要的工作指标。

式中：P0为环境压力（压气机进口气流压力）；P4为压气机出口气流压力。

（2）流量Gc

定义：单位时间内流过压气机的气体流量的重量或体积。压气机的流量范围可以用涡轮增压器的最大流量和最小流量的比值来表示。

（3）转速nc

压气机工作轮每分钟的旋转速度称为压气机转速。由于压气机与涡轮机同轴转动，所以压气机的转速就是涡轮机的转速。

（4）绝热效率ηc

它是指压气机中绝热压缩功Hc和消耗的总功H之比，是离心式压气机的经济性指标。其计算式为：

式中：T0为空气进入压气机入口温度；T4为空气离开压气机出口温度；k为空气绝热指数，取1.4。

2.2　压气机与涡轮机的匹配

自由平衡运转的条件应在涡轮增压器匹配计算中得到满足：

（1）转速平衡：涡轮机与压气机同轴装配，它们的转速相同；

（2）功率平衡：除过机械损失后，涡轮机的输出功率应和压气机的消耗功率相等；

（3）流量平衡：流过压气机的气体流量与燃油流量之和应与流过涡轮机的气体总量相等。

3　增压器的匹配计算

3.1　离心式压气机的结构设计

3.1.1　根据设计参数进行热力计算

3.1.2　导风轮的初步设计

（1）工作轮外径处圆周速度

（2）导风轮进口前轴向气体速度

（3）导风轮进口前气体温度

（4）导风轮进口前气体压力

（5）导风轮叶片数

Zh＝6片

（6）导风轮进口后气流轴向速度

（7）轮径比选取

（8）工作轮外径

（9）压气机转速

（10）导风轮进口外径

（11）导风轮进口外径周速

3.1.3　叶轮的初步设计

（1）工作轮的叶片数

Zc＝12片

（2）功率系数

（3）工作轮出口叶片宽度

（4）工作轮出口气流速度

（5）工作轮出口气流温度

（6）工作轮出口气体压力

（7）验算工作轮出口气体比重

3.1.4　扩压器的初步设计

（1）马赫数

（2）无叶扩压器出口直径

（3）无叶扩压器出口气流速度

（4）无叶扩压器出口气流温度

（5）无叶扩压器出口气流压力(www.zuozong.com)

3.1.5　其他参数设计计算

（1）蜗壳出口气流速度

选取Cc＝65m/s

（2）蜗壳出口气体温度

（3）蜗壳出口气体压力

（4）蜗壳出口面积

3.2　废气涡轮结构设计

3.2.1　设计的原始数据

D＝82.5mm　S＝84.1mm　Vh＝1.798L

发动机过量空气系数α＝0.85

容积系数ηv＝0.98

扫气系数ηs＝1.01

扫气过量空气系数Φs＝ηvηs＝1

3.2.2　废气在单级涡轮内的膨胀过程及效率

（1）绝热膨胀功H

（2）涡轮驱动功率Nt

涡轮效率ηt＝0.8

增压器总效率ηtc＝0.52

增压器机械效率ηm＝0.96

涡轮流量Gt＝Gc＝0.063kg/s

（3）涡轮机的膨胀比πt

Pt＇为涡轮机前的废气滞止压力Pt＇＝92kPa

P2为气体背压，P2等于1.5倍的大气压力

P2＝1.5＊101330＝151.995kPa

（4）喷嘴环出口绝对速度

（5）喷嘴环出口气体温度T3

Tt为喷嘴环进口温度Tt＝1123K

（6）喷嘴环出口气体压力P3

Pt喷嘴环进口压力（涡轮进口燃气压力）

（7）喷嘴环出口气体密度ρ3

（8）喷嘴环出口截面面积Ft

（9）选择喷嘴环为12个，工作轮叶片也为12片，由此可以计算出大圆半径

下表1为涡轮增压气的一些主要参数

表1

4　PROE三维建模

对于压气机壳实体建模，主要采用新建平面、旋转阵列、混合扫描等操作命令，首先选择新建进入草图绘制模式，绘制出二维草图；然后进入三维绘图模式，进行混合扫描生成三维实体；最后再进行打孔和倒圆等操作对模型进行处理。图3是涡轮增压器压气孔壳的三维渲染图。

图3　涡轮增压器压气机壳

5　PROE的装配设计

在PROE的装配模块中，我们通过约束定义零件之间的位置关系，可以把子零件装配成一个装配件，并通过检查，确定零件之间是否有干涉以及装配体的运动情况是否符合设计要求。当我们的模型在装配中有问题时，我们可以在生成装配体中，根据需要添加或修改生成新的零件和特征。图4、图5分别为涡轮增压器的整体装配和爆炸视图。

图4　整体装配

图5　爆炸视图

6　涡轮增压器的流场分析

软件主要包括3个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

前处理模块：可以进行实体建模和网格划分，用户可以在草绘中比较方便地构造有限元模型。

分析计算模块：包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析等单个模块的分析，也具有可以对多个物理介质的相互作用的场进行分析以及优化分析的能力。

后处理模块：是将计算结果以等值线、矢量或粒子流迹的方式显示出来，也可将计算的结果以图表、曲线的形式输出。

6.1　压气机内流场分析

首先考虑压气机内流场的特点，将压气机模型简化为3部分，即进气道，叶片流道和压气机壳内流道，然后用PROE进行绘制并装配，最后导成sat格式，为有限元分析做好准备。

第一步：导入模型，如图6。

第二步：对模型进行网格划分，网格的精密程度对分析结果有很大的影响，所以其内部流道要采用空间四面体结构的非结构化网格。如图7。

图6　压气机模块

图7　压气机模块网格化

第三步：对模型的边界及物理模型进行定义，材料选用的是空气，模型中采用的是湍能方程中的k－ε方程，边界区条件是3部分模型的类型都是流动的，对于叶片通道要定义它的旋转速度，本次设计中旋转速度指定为100000r/min。边界条件定义了进口速度为40m/s，出口压力为156700Pa，叶片为旋转。

第四步：对设置的结果进行迭步计算，设定结果的迭代步骤数为1000步，图8为迭代过程。

图8　模型迭代

第五步：观察结果。

图9　压气机壳的静压云图

对结果进行分析可知，图9为压气机壳的静压云图，压气机进口处为负压，叶轮旋转，使得沿着气流的流动方向压力逐渐增大，图中可以看出压气机壳壁处压力较大。这是由于气流与涡轮壳采用了无滑移的固壁面，根据能量守恒，壁面处的流速小，所以其压力较大。

图10　压气机速度云图

图10表示的是压气机的速度，由图可以看出气流速度从进气口流入的时候，流速是增加的，由于进气道是渐渐缩小的，后面由于气流截面由小变大使得速度减小，压力增压。

7　结束语

针对涡轮增压器的结构和分析，以及在参考国内外各种涡轮增压器的模型的基础上，设计了一种可变喷嘴的废气涡轮增压器。论文主要完成的工作包括以下4个方面：

（1）对废气涡轮增压器进行了研究。在参考大量的涡轮增压器的设计及模型的基础上，通过选定一款发动机，对涡轮增压器进行匹配设计。

（2）通过计算，初步确定涡轮增压器的各种设计参数。

（3）设计计算完成后，对涡轮增压器进行三维绘制。

（4）利用有限元分析软件ANSYS　Workbench可对所设计涡轮增压器进行模拟试验，有效地分析预测所设计涡轮增压器压气机的内部流场。

参考文献

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