某船用涡轮增压器压气机在复杂载荷下的仿真研究

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涡轮增压器通过压缩空气提高空气的密度使燃油更加充分的燃烧,提高动力的同时降低了油耗,因此被广泛应用于内燃机上。压气机作为涡轮增压器中压缩空气的零部件,对其进行优化设计使其达到更优的性能是工程师们一直追求的目标。本文对某船用涡轮增压器压气机进行了仿真研究,通过理论方法确定了压气叶轮拉杆预紧力的大小,通过有限元的方法判断了在该预紧力下的间隙值,分析了在轴向预紧力以及复杂载荷下压气机内部的流场规律。
  本文首先介绍了流体分析的相关理论知识,为后面进行流场分析提供理论依据,然后通过压气叶轮几何模型建立了压气机的流体域计算模型,再将该计算模型导入到CFX中分析得出了压气机叶轮表面的温度场,将模拟得到的温度场结果耦合到增压器表面进行结构分析,可以得到压气机叶轮的应力和应变情况。通过螺母和压气叶轮之间的间隙值判断螺母与叶轮是否发生分离,在此基础上对该型号压气叶轮进行了模态分析。
  本文的研究结果表明,在额定工况下,压气机内部的流动情况比较符合实际的工作情况,流场分析得出的温度场结果也贴合了增压器实际运行时测量得出的温度值。在综合考虑离心力、气动力和热应力三种载荷作用下,得到压气叶轮的应力和应变结果较为可靠,分析其结果可得到压紧螺母与压气叶轮之间处于压紧的状态。模态计算的campbell图可以发现2倍频与1阶、4倍频与2阶均有交点,因此可能会激发共振,引发高周疲劳,初始叶片振型图可知叶片叶尖发生弯曲振动,查看其频率为1887.7HZ是叶轮基频(520HZ)的3.63倍,满足CN经验值要求所有的叶片及轮盘的模态值低于4.4倍基频,叶轮叶片振型图Harmonicindex=0,mode为5,可知振动主要发生在主页片叶尖上,并且表现为弯曲扭转耦合振动,同样考虑是由进气引发的。
  
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