涡轮叶片流固耦合仿真分析

【摘 要】本文综合考虑了增压器涡轮叶片旋转产生的离心力载荷、废气产生的热应力载荷、气流运动产生的气动载荷这三种不可忽略的情况，基于Ansys Workbench软件平台运用CFX模块、稳态热分析（Steady-State Thermal）模块和静力结构分析（Static Structural）模块对涡轮叶片进行流固耦合分析，计算出涡轮叶片应力及应变的分布情况。

【关键词】流固耦合；增压器；涡轮叶片

涡轮增压技术被誉为内燃机发展史上的第二个里程碑[1]。在增压过程中涡轮增压器与发动机没有任何机械联系，它将发动机排出的废气直接引入涡轮机中[2]，因此增压器涡轮机的涡轮经常在900°C高温的排气冲击下工作，并且涡轮承受着巨大的离心力作用[3]。涡轮叶片在高温排气的冲击下容易产生结构振动和疲劳[4]。所以既要使叶片适应高温度高转速的工况，又要尽量减轻涡轮质量以改善加速滞后的问题[5]。因此如何提高涡轮叶片的结构强度就成为当前对增压技术研究的主要难点。

1 流固耦合的控制方程

质量守恒方程：

■+？荦・（ρ■v）=0（1）

动量守恒方程：

■+？荦・（ρ■vv-τf）=ff（2）

其中，t表示时间，ff是体积力矢量。ρ■是流体密度，v是流体速度矢量，τf是剪切力张量，可表示为：

τf=（-p+μ？荦・v）I+2μe（3）

其中，p是流体压力，μ是动力粘度，e是速度应力张量。

由牛顿第二定律导出：

ρsds=？荦・σs+fs（4）

其中，ρs是固体密度，σs是柯西应力张量，fs是体积力矢量，ds是固体域当地加速度矢量。

2 流固耦合仿真分析

2.1 计算模型的建立

计算模型以某型号废气涡轮增压器为研究对象，涡轮增压器实体模型由学校实验室提供，运用三维画图软件CATIA绘制出废气涡轮增压器的实体模型。因为计算所需要流体域的结构与涡轮箱外部的结构没有任何关系，所以将涡轮箱外壳部分进行适当的简化。将简化后的增压器涡轮模型如图1所示。

图1 流固耦合计算模型

2.2 边界条件的施加

根据某1.8T汽油机3600RPM工况下得出的增压器涡轮转速量为67316.53rad/min，增压器涡轮进口压力量为1.52bar，涡轮进口流速量为347.6m/s，增压器涡轮进口温度量为1166.31K，将它们作为流体分析和固体分析的边界条件。

2.3 应力及应变结果

将气动力、离心力以及热应力载荷全部加载，施加约束完毕之后，进行涡轮叶片应力场分析。图2显示的是涡轮应力分布。在图中，整个涡轮端应力最大值位于叶片压力面根部，最大值达到了522.8MPa，因此涡轮压力面叶片根部是最容易产生断裂的地方。查表得到制造涡轮叶片的K418材料在700°C以下的拉伸屈服极限的数值为780MPa，所以涡轮叶片在离心载荷、热载荷和气动载荷的作用下的最大等效应力低于材料的屈服极限。

图2 涡轮叶片应力分布

图3显示的是涡轮应变分布。从图中得到涡轮叶片应变最大处位于进气端叶片叶背部分，变形的最大值为0.18894mm，计算得到的涡轮叶片变形的最大值小于叶片与蜗壳之间的安装距离，因此涡轮叶片的结构是可靠的。

图3 涡轮叶片应变分布

3 结论

本文运用了流固耦合的方法对增压器涡轮进行仿真分析，获得了涡轮叶片的应力及应变，可以得到以下几点结论：

3.1 流固耦合的方法综合考虑了废气热应力载荷、气动载荷以及涡轮离心力载荷，与涡轮实际工作状况非常相似。

3.2 从应力和应变的结果得出涡轮压力面叶片根部是最容易产生断裂的地方，叶片应变最大处位于进气端叶片叶背部分。

3.3 为今后的涡轮机涡轮以及压气机叶轮的应力分析提供帮助，减少增压器涡轮的设计成本，降低增压器设计周期。

【参考文献】

[1]常思勤.汽车动力装置[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M].北京：机械工业出版社，1992.

[3]郭凯，王正，王晓春，等.多场载荷对增压器涡轮应力的影响分析[J].车用发动机，2011，6：47-52.

[4]朱大鑫.涡轮增压器可靠性的研究[J].内燃机学报，1992，4：310-316.

[5]杨帆.多场耦合条件下增压器涡轮叶轮结构强度分析[D].中北大学，2012.