一种低转动惯量涡轮设计方法与流程

本发明涉及涡轮增压器领域，特别是指一种低转动惯量涡轮设计方法。

背景技术：

进入本世纪以来，国内外政府相继提高道路车辆和非道路车辆的燃油消耗与尾气排放标准，以应对全球变暖和石油危机。石油资源的日益枯竭和排放标准的日益提高，使得不少国家开始在政策上引导发动机朝小排量大功率的方向发展，发动机小排量大功率的要求，促使发动机的轻量化、高效率、低燃油消耗率的发展，涡轮增压技术可以提高汽车发动机功率、降低能耗和减少排放，这一技术是目前实现汽车工业节能减排目标和提升发动机效率最有效的手段之一。

涡轮是增压器的核心零部件之一，涡轮的结构设计、结构强度与耐久可靠性要求直接决定了增压器的性能、使用寿命、排放效果，因此，对于涡轮的结构优化就显得尤为重要。增压器的主要性能指标为功率性能(高效率、低燃油消耗率等)、低速响应性(发动机从怠速工况到最大扭矩工况所需加速时间)和NVH(Noise Vibration and Harshness，噪声与振动)，其中，涡轮对增压器的低速响应性有着直接的影响，降低涡轮转动惯量是提高涡轮低速响应性的有效手段之一。现有技术中主要对涡轮叶片的进行优化，并未对笨重的涡轮轮背进行优化，而涡轮轮背占据了涡轮自重的很大一部分，因此现有技术不能有效地降低涡轮的转动惯量，从而无法有效地提高增压器的低速响应性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种低转动惯量涡轮设计方法，采用该方法制造的涡轮相比现有涡轮具有更低的质量和转动惯量，有效提高增压器的低速响应性。

基于上述目的本发明提供的一种低转动惯量涡轮设计方法，包括：设置低转动惯量涡轮的初步方案，建立现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的数字模型；对所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案进行热-机械应力和模态应力分析；处理所述热-机械应力分析结果和所述模态应力分析结果，得到所述低转动惯量涡轮和所述现有涡轮的强度的差值，对所述低转动惯量涡轮的初步方案进行调整，再次进行所述热-机械应力分析和所述模态分析，直至调整后的所述低转动惯量涡轮的初步方案的强度与所述现有涡轮的强度之间的差值低于预设的限值；采用调整后的所述低转动惯量涡轮的初步方案，生产制造低转动惯量涡轮。

可选地，所述设置低转动惯量涡轮的初步方案，建立现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的数字模型的方法包括：选取所需尺寸的所述现有涡轮，去除所述现有涡轮的轮背上部分材料，使得所述轮背的剩余部分形成若干条加强筋，根据所述现有涡轮的叶片数量、涡轮叶型、轮毂尺寸等因素，设置所述加强筋的类型、数量、宽度、厚度以及加强筋的分布中心与拔模斜度，形成所述低转动惯量涡轮的初步方案，并建立所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的数字模型。

可选地，所述数字模型包括CFD模型、温度场分析模型和模态分析模型。

可选地，所述对所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案进行热-机械应力分析和模态应力分析包括：通过所述CFD模型，对所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案与相应的涡轮箱之间形成的流道进行CFD分析；通过所述温度场分析模型，对涡轮箱、涡轮及相应附属件进行FEA温度场分析；将所述CFD分析模型和所述温度场分析模型进行多次流-固耦合迭代，得到所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的温度场分布；将所述温度场分布施加到所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案上，同时将所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案旋转时的离心载荷代入，构造所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的热-机械应力分析模型，通过所述热-机械应力分析模型，获得所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案各节点的热-机械应力；通过所述模态分析模型，得出所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的各阶自由模态，从而得到所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案各节点的各阶模态应力。

可选地，所述处理热-机械应力分析结果和模态应力分析结果包括：将所述现有涡轮的各节点对应的热-机械应力和一阶模态应力进行归一化叠加，并将所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点对应的热-机械应力和一阶模态应力进行归一化叠加，将两个叠加结果进行比较，若差值大于设计要求限值，则调整所述低转动惯量涡轮的初步方案中的加强筋的位置分布、数量、厚度、宽度、分布中心与拔模斜度，并对调整后的所述低转动惯量涡轮重新进行建立数字模型、热-机械应力分析和模态应力分析以及热-机械应力分析结果和模态应力分析结果处理；若所述差值低于设计要求限值，则认为所述低转动惯量涡轮具有良好的强度和可靠性，符合设计需求，由此可根据本发明提供的低转动惯量设计方法指导低转动惯量涡轮的生产制造。所述归一化叠加方法包括：将所述现有涡轮的各节点对应的热-机械应力分别除以各节点中的热-机械应力的最大值，得到所述现有涡轮的各节点的热-机械应力的归一化结果；将所述现有涡轮的各节点对应的一阶模态应力分别除以各节点中的一阶模态应力的最大值，得到所述现有涡轮的各节点的一阶模态应力的归一化结果；将各节点对应的热-机械应力归一化结果和一阶模态应力归一化结果相加；同时，将所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点对应的热-机械应力分别除以各节点中的热-机械应力的最大值，得到所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点的热-机械应力的归一化结果；将所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点对应的一阶模态应力分别除以各节点中的一阶模态应力的最大值，得到所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点的一阶模态应力的归一化结果；将各节点对应的热-机械应力归一化结果和一阶模态应力归一化结果相加。

在一些可选的实施例中，所述处理热-机械应力分析结果和模态应力分析结果包括：将所述现有涡轮的各节点对应的热-机械应力和所需阶次的模态应力进行归一化叠加，并将所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点对应的热-机械应力和所需阶次的模态应力进行归一化叠加，将两个叠加结果进行比较，若差值大于设计要求限值，则调整所述低转动惯量涡轮的初步方案中的加强筋的位置分布、数量、厚度、宽度、分布中心与拔模斜度，并对调整后的所述低转动惯量涡轮重新进行建立数字模型、热-机械应力分析和模态应力分析以及热-机械应力分析结果和模态应力分析结果处理；若所述差值低于设计要求限值，则认为所述低转动惯量涡轮具有良好的强度和可靠性，符合设计需求，由此可根据本发明提供的低转动惯量设计方法指导低转动惯量涡轮的生产制造。所述归一化叠加方法为：将所述现有涡轮的各节点对应的热-机械应力分别除以各节点中的热-机械应力的最大值，得到所述现有涡轮的各节点的热-机械应力的归一化结果；将所述现有涡轮的各节点对应的所需阶次的模态应力分别除以各节点中的所需阶次的模态应力的最大值，得到所述现有涡轮的各节点的所需阶次的模态应力的归一化结果；将各节点对应的热-机械应力归一化结果和所需阶次的模态应力归一化结果相加；同时，将所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点对应的热-机械应力分别除以各节点中的热-机械应力的最大值，得到所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点的热-机械应力的归一化结果；将所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点对应的所需阶次模态应力分别除以各节点中的所需阶次的模态应力的最大值，得到所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点的所需阶次的模态应力的归一化结果；将各节点对应的热-机械应力归一化结果和所需阶次的模态应力归一化结果相加。

可选地，所述加强筋呈中心放射状均匀分布。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种低转动惯量涡轮设计方法得到低转动惯量涡轮在具有良好的机械强度和寿命的同时，相比现有涡轮重量减轻8％以上，转动惯量降低5％以上，能够有效提高增压系统的低速响应性；所述低转动惯量涡轮与相应部件组成的旋转系统的质心相比现有涡轮与相应部件组成的旋转系统向压气端浮动轴承偏移了2mm以上，有效提高了轴承系统的机械效率和可靠性，从而提高了增压器效率；同时，由于所述低转动惯量涡轮相比现有涡轮移除了轮背上的部分材料，使得涡轮轮背结构上的壁厚差减小，轮毂裙部尺寸减小，降低了涡轮铸造成型的过程中产生凝固缺陷的概率，提高了涡轮的整体均匀性，降低了涡轮的生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例一种低转动惯量涡轮设计方法的流程图；

图2为本发明实施例1一种低转动惯量涡轮的轮背结构图；

图3为本发明实施例2一种低转动惯量涡轮的轮背结构图；

图4为本发明实施例3一种低转动惯量涡轮的轮背结构图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，为本发明实施例一种低转动惯量涡轮设计方法的流程图，本发明实施例提供的一种低转动惯量涡轮设计方法的流程包括如下步骤：

1.设置初步方案

研究低速响应性必须要通过能量平衡方程来解释。增压器模型与发动机模型之间是通过能力平衡方程来建立联系，增压器模型则是通过涡轮端与压气机端建立能量平衡关系，增压器涡轮端的能量平衡方程为：

Q_e(t)＝Q_c(t)+Q_m(t)+Q_outside(t)+I_p(ω/2π)(Δω/Δt)

Q_e(t)：增压器输出的能量或者发动机输入增压器的排气能量；

Q_c(t)：压气机输入的能量；

Q_m(t)：机械损失；

Q_outside(t)：增压器热辐射、对流换热和增压器冷却系统的能量损失

I_p：涡轮的转动惯量；

ω：涡轮的角速度；

在上述能量平衡方程中，增压器输出的能量或者发动机输入增压器的排气能量保持不变，压气机输入能量和增压器热辐射、对流换热和增压器冷却系统的能量损失保持不变，由于涡轮转子系统的质心向压气机端偏移，轴承系统的机械损失减小，降低转动惯量，涡轮的角加速度会提高，角加速度提高则增压器的响应性提高，尤其在低速时，增压器输出的能量或者发动机输入增压器的排气能量较小，降低涡轮转动惯量有利于提高低速响应性。

根据上述分析结果，选取所需尺寸的现有涡轮，去除所述现有涡轮的轮背上部分材料，使得轮背剩余部分形成若干条呈中心放射状的加强筋，根据所述现有涡轮的叶片数量、涡轮叶型、轮毂尺寸等因素，设置低转动惯量涡轮轮背的加强筋类型、加强筋数量、加强筋的宽度、厚度以及加强筋中心与外围的落差高度，形成低转动惯量涡轮的初步方案，并建立所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的数字模型，所述数字模型包括CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体力学)模型、温度场分析模型和模态分析模型。

2.热-机械应力分析与模态分析

a.通过所述CFD模型，对所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案与相应的涡轮箱之间形成的流道进行CFD分析；通过所述温度场分析模型，对涡轮端的涡轮箱、涡轮及相应附属件进行FEA(Finite Element Analysis，有限元分析)温度场分析；将所述CFD分析模型和所述温度场模型进行多次流-固耦合迭代，得到所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的温度场分布；

b.将所述温度场分布施加到所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案上，同时将所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案旋转时的离心载荷代入，构造所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的热-机械应力模型，通过所述热-机械应力模型，获得所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的热-机械应力；

c.通过所述模态分析模型，得出所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的自由模态分析，从而得到所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案各节点在不同阶次下的模态应力。

3.比较分析

将所述现有涡轮的热-机械应力和模态应力进行归一化叠加，并将所述低转动惯量涡轮的初步方案的热-机械应力和模态应力进行归一化叠加，将两个叠加结果进行比较，并进行比较，若差值大于设计要求限值，则调整所述低转动惯量涡轮的初步方案中的加强筋的位置分布、数量、厚度、宽度以及分布中心与拔模斜度，对调整后的所述低转动惯量涡轮重复进行步骤1和步骤2；若所述差值低于预设的设计要求限值，则认为所述低转动惯量涡轮具有良好的强度和可靠性，符合设计需求，由此可根据本发明提供的低转动惯量涡轮设计方法指导低转动惯量涡轮的生产制造。

所述归一化叠加的方法包括：将所述现有涡轮的各节点对应的热-机械应力分别除以所有节点中热-机械应力的最大值，得到所述现有涡轮的各节点的热-机械应力的归一化结果；将所述现有涡轮的各节点对应的一阶模态应力分别除以所有节点中一阶模态应力的最大值，得到所述现有涡轮的各节点的一阶模态应力的归一化结果；将各节点对应的热-机械应力归一化结果和一阶模态应力归一化结果相加；

同时，将所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点对应的热-机械应力分别除以所有节点中热-机械应力的最大值，得到所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点的热-机械应力的归一化结果；将所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点对应的一阶模态应力分别除以所有节点中一阶模态应力的最大值，得到所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点的一阶模态应力的归一化结果；将各节点对应的热-机械应力归一化结果和一阶模态应力归一化结果相加。

在一些可选的实施例中，需要考虑高阶次的模态应力，此时所述归一化叠加的方法包括：将所述现有涡轮的各节点对应的热-机械应力分别除以所有节点中热-机械应力的最大值，得到所述现有涡轮的各节点的热-机械应力的归一化结果；将所述现有涡轮的各节点对应的所需阶次的模态应力分别除以所有节点中所需阶次的模态应力的最大值，得到所述现有涡轮的各节点的所需阶次的模态应力的归一化结果；将各节点对应的热-机械应力归一化结果和所需阶次的模态应力归一化结果相加；

同时，将所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点对应的热-机械应力分别除以所有节点中热-机械应力的最大值，得到所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点的热-机械应力的归一化结果；将所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点对应的所需阶次的模态应力分别除以所有节点中所需阶次的模态应力的最大值，得到所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点的所需阶次的模态应力的归一化结果；将各节点对应的热-机械应力归一化结果和所需阶次的模态应力归一化结果相加。

本发明实施例提供的一种低转动惯量涡轮设计方法得到低转动惯量涡轮在具有良好的机械强度和寿命的同时，相比现有涡轮重量减轻8％以上，转动惯量降低5％以上，能够有效提高增压系统的低速响应性；所述低转动惯量涡轮与相应部件组成的旋转系统的质心相比现有涡轮与相应部件组成的旋转系统向压气机端浮动轴承偏移了2mm以上，有效提高了轴承系统的机械效率和可靠性，从而提高了增压器效率；同时，由于所述低转动惯量涡轮相比现有涡轮移除了轮背上的部分材料，使得涡轮轮背结构上的壁厚差减小，轮毂裙部尺寸减小，降低了涡轮铸造成型的过程中产生凝固缺陷的概率，提高了涡轮的整体均匀性，降低了涡轮的生产成本。

实施例1：

如图2所示，为本发明实施例1提供的一种低转动惯量涡轮的轮背结构图，右图中空白部分为相比现有涡轮去除掉的部分，阴影部分为保留的轮背和加强筋。采用5根中心发射状加强筋均匀布置的结构，所述加强筋截面为长方形，每根所述加强筋上各段宽度和厚度相等。

本发明实施例1提供的低转动惯量涡轮相比现有涡轮重量减轻9％，转动惯量降低7％，与相应部件构成的旋转系统的质心相比现有涡轮旋转系统向压气机端浮动轴承偏移2.2mm，有效提高了增压器的低速响应性和机械效率。

实施例2：

如图3所示，为本发明实施例2提供的一种低转动惯量涡轮的轮背结构图，所述低转动惯量涡轮采用8根中心发射状加强筋均匀布置的结构，所述加强筋截面为圆形，每根所述加强筋的直径从中心向外逐渐减小。

本发明实施例2提供的低转动惯量涡轮相比现有涡轮重量减轻12％，转动惯量降低9％，与相应部件构成的旋转系统的质心相比现有涡轮旋转系统向压气机端浮动轴承偏移2.5mm，有效提高了增压器的低速响应性和机械效率。

实施例3：

如图4所示，为本发明实施例3提供的一种低转动惯量涡轮的轮背结构图，所述低转动惯量涡轮采用8根中心发射状加强筋均匀布置的结构，所述加强筋截面为长方形，每根所述加强筋的宽度从中心向外逐渐减小，厚度保持不变。

本发明实施例3提供的低转动惯量涡轮相比现有涡轮重量减轻8％，转动惯量降低6％，与相应部件构成的旋转系统的质心相比现有涡轮旋转系统向压气机端浮动轴承偏移2.1mm，有效提高了增压器的低速响应性和机械效率。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。