涡轮增压器转子涡轮级气动轴向力数值计算
发布时间：2022-01-08 16:47
应用计算流体动力学软件CFX,以某柴油发动机的涡轮增压器涡轮级为研究对象,对其进行了轴向力传统理论计算与数值模拟计算。计算出不同发动机折合转速下涡轮端轴向力的大小,并与传统计算方法进行对比,通过对窄缝间隙的流场分析,找出两者之间差异的原因。研究结果表明,随着增压器转子转速增加,涡轮端轴向力合力越来越大,且两种计算方法结果差异随之减小,由最大值146.314N减至125.4N,减小了14.3%;研究密封环间隙、叶顶间隙对轴向力的影响,发现叶顶间隙对轴向力影响比密封环间隙小0.155～2.955N,并且发现在整个计算的过程中,传统计算给予的假设近乎理想状态,并非实际情况。
【文章来源】：机械设计与制造. 2019,(04)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
涡轮转子轴向力简图Fig.1TurbineRotorAxialForceDiagram涡轮叶轮进口气体压力作用在叶轮上所产生的轴向力：FT3FT1
擦，使轮背间隙中的气体转速不同于叶轮中气体的转速。该计算方法基于假设轮背间隙旋转角速度是叶轮角速度的一半，缝隙间密度取平均值。3轴向力数值模拟计算方法数值模拟实际上利用数值解析来求解表示流体运动的数学方程，涡轮级内流体的流动可用Narvier-Stokes方程来进行描述，这是使用CFD求解气动轴向力最基本的方法。以某柴油发动机的涡轮增压器涡轮级为研究对象，运用ICEM对蜗壳和叶片部分进行网格划分，分析软件CFX对网格模型进行计算分析。3.1网格模型模型各部分的网格结构，如图2所示。均采用了六面体结构网格，涡轮部分网格单元数为445139，如图2（a）所示。叶轮部分网格单元数为3712512，如图2（b）所示。涡轮叶轮背部间隙网格单元数为383688，如图2（c）所示。（a）涡轮箱网格（b）叶轮网格（c）轮背间隙网格图2网格示意图Fig.2TheGridDiagram3.2边界条件对于亚音速径流式增压器涡轮级数值模拟计算时，主流区域采用SST方程模型，近壁区域采用标准壁面方程。涡轮级的边界条件均按照试验数据设定，进口给定总压、总温，出口给定静压，对固体壁面设定为无滑移、无流动、绝热等边界条件，在缝隙出口边界定义为开放式，常温，常压状态。边界条件，如表1所示。表1增压器涡轮流通特性数据Tab.1SizeunderVariousTurbochargerRotorSpeedTurbineMassFlow折合转速r/min涡轮进口总温℃涡轮进口总压kPa涡轮进口静压kPa涡轮实测流量kg/s40000646.844.6442.7070.38145000651.557.2882.6590.43950000647.675.722.5380.52455000651.291.6492.4390.5876000064
轴向力、轮背间隙轴向力以及涡轮端轴向力合力，结果如图3、图4所示。1550150014501400135013001250120011501100F/Nr/104r/min4.04.55.05.56.06.57.07.5传统理论计算方法数值模拟计算方法传统理论计算方法数值模拟计算方法F/Nr/104r/min4.04.55.05.56.06.57.07.5220020001800160014001200（a）涡轮叶轮轴向力（b）涡轮轮背轴向力图3涡轮轴向力分力Fig.3TurbineAxialForceComponentr/104r/min4.04.55.05.56.06.57.07.5F/N数值模拟计算方法传统理论计算方法8007006005004003002001000图4涡轮端轴向力合力Fig.4TheTurbineEndAxialForceTogether由图3可以看出，当折合转速在40000r/min低转速时，涡轮叶轮轴向力传统数值算法与数值模拟算法相差57.564N，涡轮轮背轴向力相差88.75N，随着增压器转子转速增加而增加，在折合转速70000r/min高转速时，两种算法涡轮叶轮轴向力相差50.107N，涡轮轮背轴向力相差75.293N，且对涡轮端轴向力合力的影响越来越明显。涡轮端轴向力合力的计算结果，如图4所示。折合转速40000r/min低转速时，涡轮端轴向力合力的两种计算方法相差146.314N，随着转子转速的不断增加，折合转速70000r/min高转速时，二者相差125.4N，且涡轮端轴向力合力越来越大。因为合力为负，所以轴向力的方向是压气机端指向涡轮端。对比两种计算轴向力合力的方法，随着发动机转速的增加，两种计算方法的误差在缩小，但结果仍有较大的差别。主要原因是传统计算方法在满足所有假设条件的情况下，通过方程（1）～（3），其中若所选择的经验公式和气
【参考文献】：
期刊论文
[1]车用涡轮增压器转子轴向力数值计算与分析[J]. 王云龙,张虹,田锐. 机械设计与制造. 2014(03)
[2]涡轮增压器轴向力稳态数值模拟及优化[J]. 李庆斌,胡辽平,杨迪,曹刚,闫海东. 车用发动机. 2012(04)
[3]车用涡轮增压器轴向力数值计算[J]. 洪汉池,马朝臣. 车辆与动力技术. 2006(02)
本文编号：3576919
【文章来源】：机械设计与制造. 2019,(04)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
涡轮转子轴向力简图Fig.1TurbineRotorAxialForceDiagram涡轮叶轮进口气体压力作用在叶轮上所产生的轴向力：FT3FT1
擦，使轮背间隙中的气体转速不同于叶轮中气体的转速。该计算方法基于假设轮背间隙旋转角速度是叶轮角速度的一半，缝隙间密度取平均值。3轴向力数值模拟计算方法数值模拟实际上利用数值解析来求解表示流体运动的数学方程，涡轮级内流体的流动可用Narvier-Stokes方程来进行描述，这是使用CFD求解气动轴向力最基本的方法。以某柴油发动机的涡轮增压器涡轮级为研究对象，运用ICEM对蜗壳和叶片部分进行网格划分，分析软件CFX对网格模型进行计算分析。3.1网格模型模型各部分的网格结构，如图2所示。均采用了六面体结构网格，涡轮部分网格单元数为445139，如图2（a）所示。叶轮部分网格单元数为3712512，如图2（b）所示。涡轮叶轮背部间隙网格单元数为383688，如图2（c）所示。（a）涡轮箱网格（b）叶轮网格（c）轮背间隙网格图2网格示意图Fig.2TheGridDiagram3.2边界条件对于亚音速径流式增压器涡轮级数值模拟计算时，主流区域采用SST方程模型，近壁区域采用标准壁面方程。涡轮级的边界条件均按照试验数据设定，进口给定总压、总温，出口给定静压，对固体壁面设定为无滑移、无流动、绝热等边界条件，在缝隙出口边界定义为开放式，常温，常压状态。边界条件，如表1所示。表1增压器涡轮流通特性数据Tab.1SizeunderVariousTurbochargerRotorSpeedTurbineMassFlow折合转速r/min涡轮进口总温℃涡轮进口总压kPa涡轮进口静压kPa涡轮实测流量kg/s40000646.844.6442.7070.38145000651.557.2882.6590.43950000647.675.722.5380.52455000651.291.6492.4390.5876000064
轴向力、轮背间隙轴向力以及涡轮端轴向力合力，结果如图3、图4所示。1550150014501400135013001250120011501100F/Nr/104r/min4.04.55.05.56.06.57.07.5传统理论计算方法数值模拟计算方法传统理论计算方法数值模拟计算方法F/Nr/104r/min4.04.55.05.56.06.57.07.5220020001800160014001200（a）涡轮叶轮轴向力（b）涡轮轮背轴向力图3涡轮轴向力分力Fig.3TurbineAxialForceComponentr/104r/min4.04.55.05.56.06.57.07.5F/N数值模拟计算方法传统理论计算方法8007006005004003002001000图4涡轮端轴向力合力Fig.4TheTurbineEndAxialForceTogether由图3可以看出，当折合转速在40000r/min低转速时，涡轮叶轮轴向力传统数值算法与数值模拟算法相差57.564N，涡轮轮背轴向力相差88.75N，随着增压器转子转速增加而增加，在折合转速70000r/min高转速时，两种算法涡轮叶轮轴向力相差50.107N，涡轮轮背轴向力相差75.293N，且对涡轮端轴向力合力的影响越来越明显。涡轮端轴向力合力的计算结果，如图4所示。折合转速40000r/min低转速时，涡轮端轴向力合力的两种计算方法相差146.314N，随着转子转速的不断增加，折合转速70000r/min高转速时，二者相差125.4N，且涡轮端轴向力合力越来越大。因为合力为负，所以轴向力的方向是压气机端指向涡轮端。对比两种计算轴向力合力的方法，随着发动机转速的增加，两种计算方法的误差在缩小，但结果仍有较大的差别。主要原因是传统计算方法在满足所有假设条件的情况下，通过方程（1）～（3），其中若所选择的经验公式和气
【参考文献】：
期刊论文
[1]车用涡轮增压器转子轴向力数值计算与分析[J]. 王云龙,张虹,田锐. 机械设计与制造. 2014(03)
[2]涡轮增压器轴向力稳态数值模拟及优化[J]. 李庆斌,胡辽平,杨迪,曹刚,闫海东. 车用发动机. 2012(04)
[3]车用涡轮增压器轴向力数值计算[J]. 洪汉池,马朝臣. 车辆与动力技术. 2006(02)
本文编号：3576919
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