中空涡轮的设计方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种中空涡轮，尤其是一种中空涡轮的设计方法，属于中空涡轮设计 的技术领域。
【背景技术】
[0002] 近年来各国政府相继以立法形式对车辆的燃油消耗与尾气排放进行强制性约束， 以应对日趋恶化的大气环境和石油危机。日益严格的排放标准促进了汽车发动机的升级换 代，使得最初应用于航空发动机的涡轮增压技术在汽车行业得以推广，成为提高汽车动力 性能的主流方向。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，是目前实 现汽车工业节能减排目标最有效的手段之一。
[0003] 涡轮是汽车涡轮增压器的核心零部件，其性能直接决定了涡轮增压发动机的节 能减排效果、使用寿命和可靠性。涡轮工作环境非常恶劣，柴油机上涡轮工作温度可高达 750°C，而在汽油机上更高达1050°C，涡轮转速可达20万转/分以上，同时涡轮叶片受周期 性气流冲击，易产生共振，导致疲劳损坏。为了使增压器能够在较恶劣的工况下正常工作， 提高增压器的可靠性和耐久性，需要从涡轮结构、涡轮选材和成形工艺三个方面进行优化。
[0004] 由于涡轮截面尺寸差异大，涡轮四周布满细薄的叶片，中间轮盘较为厚大，对于常 规精密铸造来说，希望极力避免的就是同一铸件壁厚差异过大。此类铸件厚大热节位置也 是最后凝固的部位，集中缩孔也往往产生于此。从组织均匀性角度考量，液态铸造时，薄的 叶片易形成细晶，不能满足耐热性要求（持久和蠕变性能较差），而厚的轮盘则形成粗大晶 粒，又不能满足强度和低周疲劳性能的要求。除了在铸造工艺凝固环节上采取措施之外最 有效的方法便是从结构上减小壁厚差，采取中空设计是最简捷且行之有效的途径。
[0005] 中空涡轮使得结构上壁厚差降低和心部热节尺寸减小，可以有效减轻涡轮铸造成 形的凝固缺陷，同时可以改善整个涡轮铸件的组织均匀性。同时中空设计也使得利用粉末 注射成形技术成形涡轮成为可能，中空设计使决定涡轮生坯脱脂速度与完全性的最大壁厚 减小，进而扩大了粉末注射成形技术在涡轮制造上的工艺适用窗口。
[0006] 中空涡轮设计的优势除了体现在制造工艺和成形质量之外，其最大的优势是可以 降低涡轮转子的转动惯量，有效提高涡轮增压器的瞬态响应特性以及车辆的加速性。对于 采用粉末注射成形技术制造的中空涡轮，由于其材料强度的提高，涡轮叶片厚度可以减薄， 可以更进一步的提高涡轮增压器的瞬态响应特性和车辆的加速性，同时涡轮增压器的效率 可以得到提高，进而提高发动机的功率，降低发动机的油耗和排放。
[0007] 涡轮中空设计后会导致蜗轮整体旋转过程中应力大小和分布发生变化，对涡轮的 频率也有一定的影响。如何确定中空涡轮工作的稳定性以及可靠性是现有中空涡轮设计的 一个难题。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种中空涡轮的设计方法，其 步骤简便，确保中空涡轮使用时的稳定性以及可靠性。
[0009] 按照本发明提供的技术方案，一种中空涡轮的设计方法，所述中空涡轮的设计方 法包括如下步骤：
[0010] a、给定所需尺寸的实心增压涡轮，并根据所述实心增压涡轮的尺寸确定与实心增 压涡轮适配的圆内孔，以得到所需的中空涡轮；
[0011] b、利用有限元建模软件建立上述实心增压涡轮以及中空涡轮相对应的有限元模 型，并给定实心增压涡轮的工作承受载荷，且在实心增压涡轮的工作承受载荷下，确定中空 涡轮的最大离心应力以及振动模态；
[0012]c、若中空涡轮的最大离心应力与实心增压涡轮的最大离心应力之间的偏差大于 应力偏差阈值，或中空涡轮的振动模态与实心增压涡轮的振动模态之间的偏差大于模态偏 差阈值，则对中空涡轮叶片根部的圆角以及厚度进行修正，以使得修正后中空涡轮的最大 离心应力与实心增压涡轮的最大离心应力之间的偏差小于应力偏差阈值，且修正后中空涡 轮的振动模态与实心增压涡轮的振动模态之间的偏差小模态偏差阈值。
[0013] 所述实心增压涡轮的工作承受载荷包括涡轮工作的高温、涡轮的最高转速以及气 流冲击共振。
[0014] 对中空涡轮叶片根部的圆角或厚度进行修正时，采用逐步增大叶片根部圆角或厚 度，所述应力偏差阈值为5%，模态偏差阈值为1 %。
[0015] 本发明的优点：将中空涡轮与实心增压涡轮相对应的最大应力、振动模态进行分 析对比，再对中空涡轮叶根部的圆角以及厚度进行修正，直至使得修正后中空涡轮的最大 离心应力与实心增压涡轮的最大离心应力之间的偏差小于应力偏差阈值，且修正后中空涡 轮的振动模态与实心增压祸轮的振动模态之间的偏差小模态偏差阈值，确保中空祸轮运行 的稳定性以及可靠性。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0017] 为了确保中空涡轮使用时的稳定性以及可靠性，本发明中空涡轮的设计方法包括 如下步骤：
[0018] a、给定所需尺寸的实心增压涡轮，并根据所述实心增压涡轮的尺寸确定与实心增 压涡轮适配的圆内孔，以得到所需的中空涡轮；
[0019] 本发明实施例中，实心增压涡轮与中空涡轮的基本结构尺寸相一致，在实心增压 涡轮的尺寸给定后，可以得到适配的圆内孔，即得到中空涡轮。根据实心增压涡轮的尺寸确 定适配圆内孔尺寸的过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
[0020] b、利用有限元建模软件建立上述实心增压涡轮以及中空涡轮相对应的有限元模 型，并给定实心增压涡轮的工作承受载荷，且在实心增压涡轮的工作承受载荷下，确定中空 涡轮的最大离心应力以及振动模态；
[0021] 本发明实施例中，利用现有常用的有限元软件得到实心增压涡轮以及中空涡轮的 有限元模型，具体建模过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。实心增压涡轮的工作 承受载荷主要有：高温、高转速以及气流冲击导致的共振。
[0022] 高转速带来较大的离心力作用涡轮，叶片根部圆角通常是应力最大的部位，通过 有限元分析方法，可以得到叶根圆角的应力分布及其具体数值。由于中空涡轮的结构刚度 比实心涡轮小，因此导致中空涡轮在相同离心力作用下其应力值较大，但是应力分布没有 变化。
[0023] 涡轮叶片在气流冲击作用下，会导致涡轮叶片产生共振，为了避免涡轮中空后其 叶片振动加剧，需要保证中空涡轮自身的模态参数固有属性与实心增压涡轮保持一致。保 证手段是通过有限元模态分析，得到涡轮的模态频率和模态振型，使其与实心增压涡轮一 致。
[0024] 对中空涡轮以及实心增压涡轮分析时，分别考虑涡轮高温、高转速、气流冲击共振 情况下，涡轮实际的载荷及其应力、模态等参数，保证中空涡轮的各种参数与实心涡轮保持 一致或改变幅度不超过允许范围：
[0025]中空涡轮和实心增压涡轮的离心应力分析模型的边界条件包括自由度约束、集中 力、压力转动角速度等。根据达朗贝尔原理，一个运动的物体可以看作是一个动平衡问题， 作用在涡轮上的离心力便是一个等效力，在动平衡状态下离心力可以看作一个外载荷。涡 轮离心应力计算所需要的主要参数包括：涡轮外缘直径、叶片个数、中空孔直径与深度，涡 轮材料的弹性模量、泊松比、涡轮材料的密度。
[0026] 祸轮单元体离心力计算公式为
[0027] dC = R ?2dm = p R co 2dV
[0028] 其c
，略去三阶及以上高阶无穷小，得
[0029] dV = RydRd 0
[0030] dC = P R2?2ydRd 9