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涡轮叶轮热结构耦合分析真空箱

叶轮    
2022年08月05日

涡轮叶轮热-结构耦合分析

涡轮叶轮热-结构耦合分析 2011年12月04日 来源: 摘 要:本文采用热-结构耦合分析方法,分析涡轮叶轮采用轻质材料-钛铝合金后,在高排温、高转速下的应力情况。并将分析结果与试验测试结果进行对比,分析涡轮叶轮破坏的原因,并验证计算方法。关键词:叶轮,热-结构耦合分析,钛铝合金1 前言增压器的工作原理是,通过发动机废气推动涡轮叶轮高速旋转,吸收发动机排气的能量,同时带动同轴的压气机叶轮,压缩新鲜空气到发动机气缸内,起到增压的目的。涡轮叶轮不仅承受着高转速所带来的离心力作用,还要面对发动机所排出的700℃左右的高温,因此涡轮叶轮的可靠性就显得尤为重要。一般的涡轮叶轮采用镍基高温耐热合金材料,有良好的高温机械性能,但由于其密度大,直接影响增压器的加速性。采用轻质材料可以大幅度提高增压器瞬态响应性,但材料的高温特性还需要进一步验证。本文讨论涡轮叶轮采用钛铝合金后,针对试验前期的强度计算、试验结果分析以及试验后再进行的强度验算等情况的变化,进行了分析和总结,同时根据分析结果修改了叶轮设计过程的强度计算方法,进一步提高了设计准确度。2 涡轮叶轮结构、材料特性和计算边界条件本文研究的涡轮叶轮为向心混流式叶轮,叶轮最大直径为136.2mm,叶片由12 片组成,整个叶轮重量在采用了钛铝合金材料后,由原来的2.4 公斤减为1.15 公斤。该材料密度为3.9g/cm3,常温下屈服强度σp0.2=452MPa,抗拉强度σb=533Mpa,随温度变化趋势图见图1,材料性能如表1 所示。

图1 钛铝材料抗拉强度、屈服强度趋势图

表1 TiAl 涡轮叶轮材料性能

为了降低计算规模,根据涡轮叶轮旋转对称结构的特点,在计算过程中取叶轮的1/12 模型,设置周期性边界进行计算、分析。网格选用8 节点六面体实体单元SOLID45,在叶片的圆角处进行了网格细化,同时根据实际情况定义了位移约束。3 试验结果分析涡轮叶轮采用钛铝合金材料后,为验证其可靠性,进行了超速破坏试验,当增压器转速达到90000 转/分钟后,涡轮叶轮发生断裂,如图2 所示。经初步分析,叶轮可能是从轮背与轴的交界处开始断裂的,断裂位置如图3 所示。

图2 TiAl 涡轮叶轮破坏情况 图3 TiAl 涡轮叶轮断裂位置

试验结果和前期设计过程中叶轮静强度计算结果对比发现,叶片最大应力集中的区域,并不在试验样件断裂的位置,最大应力集中区域为图4 标识区域中叶片根部,为605.259MPa,实际断裂位置为470.962MPa。因此,实际断裂位置未达到抗拉强度σb≥533MPa,但最大应力区叶片根部超过了抗拉强度。而在前期进行的强度计算,只考虑了离心力作用,但在实际情况中,涡轮叶轮不仅只受到离心载荷的作用,温度对其也存在着一定的影响,尤其叶轮轮背转轴端由于冷却而造成的温差,直接影响到叶轮载荷分布。为进一步分析其断裂原因,我们利用ansys 软件对该叶轮进行了进一步计算、分析,分别从热、结构以及二者的耦合角度进行计算,以期达到试验结果。

图4 TiAl 涡轮叶轮静强度分析

4 涡轮叶轮热-结构耦合计算分析4.1 热应力计算分析根据试验测试结果,分别在叶轮进口施加了654℃的热载荷,叶轮出口施加428℃的热载荷,由于冷却,在轮背轴端部的温度仅为150℃,其它由于气动产生温差和散热暂不考虑,我们进行了计算,应力情况如图5 所示。

图5 热应力计算结果云图

由图可知,最大热应力集中区域为图5 标识区域,为246.555MPa。因为此处温差最大,是由于温度场分布不均而产生了热应力。说明温度场分布不均会在叶轮本体产生很大的热应力,热应力大小和叶轮本身结构没有关系,但和温度分布有关系。4.2 热-结构顺序耦合分析根据上面的分析,对涡轮叶轮进行强度分析时,如果只施加离心载荷,不能正确的模拟涡轮叶轮在实际工况下的受力情况,我们采用顺序耦合的方法,分别在涡轮叶轮施加热载荷和离心载荷,进行叶轮强度的计算。首先根据热分析计算结果,将叶轮温度场作为体载荷施加在涡轮叶轮上,然后对涡轮叶轮绕转轴施加90000 转/分钟角速度,使之产生离心载荷,将两个载荷耦合进行计算,结果分析如图6 所示。

图6 热-结构耦合分析结果云图

由图可知,最大应力集中区域为图6 标识区域,为691.691MPa,已经大大超过了700℃抗拉强度σb=588MPa,最大应力集中区域为两处,一处为叶片根部,一处为轮毂轴端处。由热应力分析和静强度分析结果可知,由于温度变化的影响,叶轮的载荷分布会发生很大的变化,在超速破坏试验中,叶轮会很有可能从应力最大的部位开始发生断裂。5 结论根据上述计算和试验结果的对比、分析,我们可以发现,在进行涡轮叶轮结构强度计算时,如果单纯的考虑离心力作用,计算结果和试验会有较大的出入,这给设计带来较大的误差。由于温度场的分布不均,会对涡轮叶轮产生很大的热应力,在计算时已无法忽略。在本文的计算中,施加的温度边界条件,只是通过温度测量的平均值而给出的,并不十分精确,在进行了热载荷和离心载荷二者的耦合计算后,虽然计算结果值偏大,但已经能够较为准确的计算出涡轮叶轮可能发生断裂的位置,有助于进行工程分析。如果通过三维流场计算,能够较准确地计算出涡轮叶轮内部温度分布,同时还可以将气体压力的影响考虑进去,再进行耦合计算,会更加接近真实的情况,进一步提高设计精度。超速破坏试验是在增压器试验台架上进行的,试验台燃烧室会给涡轮叶轮提供稳定燃气气流。而增压器在发动机上工作时,随着发动机转速的不断变化,其排气是非稳态的,涡轮叶轮会受到高温、高压气体的脉动冲击,振动会对涡轮叶轮造成极大的破坏。因此,在进行实际工作状态下的涡轮叶轮可靠性计算时,振动也是一个至关重要的影响因素。[参考文献][1] 朱大鑫,涡轮增压与涡轮增压器,机械工业出版社,1992[2] 杨策、施新,径流式叶轮机械理论及设计,国防工业出版社,2004.10[3] 王勖成,邵敏,有限单元法基本原理和数值方法,清华大学出版社,1997.3(end)

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