流线隧道式涡轮增压器，在不同的质料下，特性不同的厘革

文/峰哥

弁言

涡轮是涡轮增压器的中心零件之一，通常接纳开式或半开式叶轮，这是由于这种叶轮布局简便，强度与刚度较好。

但是由于叶顶与涡轮壳之间存在间隙，因此间隙泄漏丧失较大。

尤其是小型叶轮中相对叶顶间隙更高，丧失更大。

文献的研讨标明，轴流涡轮中叶顶间隙惹起的丧失占总丧失的三分之一以上，很大水平上影响涡轮听从及寿命。

古代轴流燃气涡轮已开头使用带冠布局，即一种闭式叶轮情势，可好效变小泄漏流量。

在径流式涡轮中，尤其是体积较小的燃气轮机或涡轮增压器中，则几乎没有闭式叶轮的使用。

流线隧道式涡轮作为一种新型闭式叶轮布局，它的流道安插办法自在，泄漏丧失更小、布局强度更好，尤其顺应于小型叶轮。

并且随着工艺的提高，3D打印武艺渐渐成熟，为繁复流道的加工提供了约莫，小型关闭式繁复流道叶轮也遭到了局部人的器重。

文献起首对这种涡轮举行了开头功能及强度盘算，关于其计划的60kW燃气轮机涡轮级。

在入口温度为1350℃条件下，开头盘算取得其涡轮听从为81.2%，循环听从为38.03%，高于常规微型燃气轮机。

在颠末验证的某型号涡轮增压器转子体系模子及研讨办法基本上，将其叶片式涡轮交换为流线隧道式涡轮。

参考文献的模子创建新的思索密封流体激振力和轮缘间隙激振力的转子动力学模子。

分析了K418低温合金和SiC陶瓷两种质料的隧道涡轮轮缘间隙对转子体系临界转速、稳态呼应和瞬态呼应的影响。

转子体系气流激振动力学分析

转子体系中，气流激振会在一定水平上影响动力学呼应。

在增压器转子体系中，气流激振主要由密封流体和叶尖间隙泄漏流惹起，关于流线隧道式涡轮，其与涡轮壳间存在的轮缘间隙也会惹起气流激振。

1.密封流体激振动力学分析

在轴径处安装密封环可避免压气机内氛围和涡轮中的废气进入光滑油腔，和避免光滑油泄漏进入压气机和涡轮。

通常，压气机端安装双密封环，而涡轮端安装一个。

密封流体激振则是由转子偏心活动惹起的密封腔周向压力分布不均招致，密封流体激振力可由八参数线性流体激振力模子来盘算。

在小偏心率条件下，刚度和阻尼系数可提出公式举行盘算：

2.叶顶间隙流体激振动力学分析

叶轮偏心活动会形成叶顶间隙周向不均，进而招致载荷分布不均，产生的周向力矩会使转子产生自激活动，进一步增大转子偏心率。

叶片式叶轮机器的叶顶间隙气流激振力可由Alford模子来形貌，其公式为：

式中：T—作用在叶轮上的转矩；β—Alford系数；e—偏心距；D—叶轮中央处直径；h—叶片高度。

关于涡轮增压器，压气机端和涡轮端转矩Tc、Tt分散为：

式中：n—转子转速；Hc—压气机焓升；Ht—涡轮焓降；Qc—压气机质量流量；Qt—涡轮质量流量。

各参干系包含：

式中：Ti—压气机进气温度；πc—压气机压比；k—绝热指数；N—脉冲收益系数；ηtc—增压器总听从；ηc—压气机听从；ηt—涡轮听从；ηm—机器听从。

3.流线隧道式涡轮轮缘间隙流体激振动力学分析

流线隧道式涡轮模子依据提供的参数干系创建，如图1所示。

轮缘间隙（RC）内活动机理愈加接近密封间隙，由于不会遭到内里流道影响，产生的激振力比叶片涡轮愈加匀称。

隧道涡轮轮缘间隙与密封间隙的区别在于，前者外形不端正，难以直接盘算刚度和阻尼系数。

转子以转速ω转动，轴心为Or，涡动速率为Ω，涡动轨迹近似为一圆形，圆心Os为涡轮壳的几多中央，半径为涡动偏心距e。

可经过CFD办法盘算隧道涡轮轮缘间隙激振力，以图2所示地点为初始地点，则轴心位移为：

由此可得初始条件：x（0）=0，y（0）=-e，x′（0）=eΩ，y′（0）=0。

该转子处于小偏心率形态，故可接纳八参数模子来表达激振力，将初始条件带入式可得：

由此可见，在小偏心率条件下，激振力与涡动速率呈线性干系，这与文献的研讨后果切合。

隧道涡轮轮缘间隙内压力场可由CFD办法盘算取得，进而经过压力积分可得横向激振力Fx与纵向激振力Fy。

相应的刚度或阻尼可由多组Ω和Fx或Fy的线性拟合取得。

转子体系模子

以某型号涡轮增压器为研讨目标，使用Creo软件创建了转子三维模子，并导入Samcef软件举行转子动力学盘算。

1.转子基本参数

支承轴承为球轴承，压气机端安装两个密封环，涡轮端安装一个密封环。

在质料选择上，思索了模子所用的SiC陶瓷以及与原涡轮相反的K418低温合金两种质料的隧道涡轮，以研讨不同布局和不同质料涡轮对转子体系动力学特性的影响。

在不屈衡呼应分析中，压气机重心和涡轮重心分散添加一个不屈衡质量，此中，压气机端最大许用不屈权衡为0.4g?mm，涡轮端最大许用不屈权衡为0.55g?mm。

2.转子刚度和阻尼参数

球轴承刚度KB可由下式举行预算：

式中：Db—滚珠直径；FR—径向载荷；Z—滚珠数目；α—轴承交往角。

依据该模子轴承参数，由式（24）盘算得轴承刚度为63542.79N?mm-1。

流体激振可经过刚度和阻尼反应出来，此中交织刚度与主阻尼系数对转子安定性有较大影响。

关于隧道涡轮，分散创建了间隙为0.2、0.4、0.6、0.8和1mm的间隙网格模子，使用Fluent软件分散盘算了轮缘间隙激振力轻重，激振参数则经过线性拟合得出。

转子动力学呼应后果分析

1.临界转速分析

叶片涡轮转子的临界转速实行数据和数值盘算后果，如表5所示。

与实行数据比拟，两种条件下的仿真后果中，一阶临界转速和二阶临界转速数值盘算偏差均小于0.5%，在可承受范围内。

关于隧道涡轮转子，改动涡轮轮缘间隙会直接影响激振力轻重，进而影响刚度和阻尼系数。

而刚度远小于轴承刚度，以是对临界转速影响极小。

临界转速仅产生弱小厘革，表6中一阶和二阶临界转速厘革率最大仅为0.61%和0.01%。

与K418叶片涡轮转子比拟，K418隧道涡轮转子一阶临界转速下降幅度达43%，SiC隧道涡轮转子下降幅度约8%，两者均愈加阔别增压器事情转速。

别的，后者仅小幅下降也分析陶瓷隧道轮质量愈加接近原涡轮。

两者二阶临界转速均厘革不大，这是由于在轴承刚度宏大于各局部激振刚度系数时，二阶临界转速主要受轴承刚度影响，受激振刚度系数影响很小。

K418隧道涡轮转子下降0.6%支配，距离事情转速更远；SiC隧道涡轮转子增长0.6%，愈加接近事情转速。

但增压器启开工况、超过二阶临界转速时振幅在允许范围内，不会对转子宁静性产生影响。

2.稳态呼应分析

在稳态呼应分析中，隧道涡轮与叶片涡轮施加相反的不屈衡质量，在0~150000r/min-1转速范围内，K418和SiC隧道涡轮转子稳态呼应振幅。

因一阶临界转速阔别事情转速，故该转速下有较大的振幅对增压器转子动力学安定性影响不大，而二阶临界转速下较小的振幅对其振动安定性愈加有利。

关于隧道涡轮转子，图6和图7展现出，涡轮接纳K418低温合金时，轮缘间隙激振的存在使二阶临界转速下的振幅略有上升，且间隙轻重几乎不影响振幅。

由此可知，当涡轮过重时，其间隙激振会变坏转子二阶临界转速安定性；当涡轮较轻时，其间隙激振的存在则对安定性多益。

但从二阶临界转速下稳态呼应幅值来看，K418低温合金涡轮转子安定性更佳。

别的，由于球轴承涡轮增压器主要在二阶与三阶临界转速之间事情，需超过二阶临界转速，为制止隧道涡轮转子压气机端与蜗壳产生碰撞。

在现有布局下，接纳K418质料时，压气机叶尖间隙应最少为0.45mm支配；接纳陶瓷质料时，压气机叶尖间隙应最少为0.51mm支配。

3.瞬态呼应分析

在瞬态呼应分析中，接纳在5秒内将转子以恒定增速率从0增速至150000r?min-1的办法，压气机与涡轮重心添加与稳态呼应分析中相反的不屈衡质量。

转子在短时间内增速至最大转速，这一历程愈加接近真实启开工况，历程中的振幅通常远小于稳态呼应振幅，这是由于转子在任一转速下均未到达安定形态。

叶片涡轮交换为隧道涡轮后，瞬态呼应曲线振荡范围产生厘革。

接纳K418隧道涡轮的转子压气机端和涡轮端振荡范围均增大，压气机端在思索涡轮间隙激振后振荡范围分明减小，但涡轮端在增速历程中仍产生剧烈振动，这对转子可靠性和寿命会产生宏大影响。

因此隧道涡轮使用高密度K418低温合金必要进一步展开布局计划研讨。

而图可以看出，比拟于K418叶片涡轮转子，SiC隧道涡轮转子的压气机重心瞬态呼应振荡范围变小，涡轮重心振荡范围有所变大，全体安定性远远优于K418低温合金隧道涡轮转子。

为分析SiC隧道涡轮转子在不同轮缘间隙下的振荡范围，引入瞬态呼应曲线上包络线fu以及下包络线fl，并界说振荡系数φ为：

式中：t0—初始时候；t1—停止时候；ā—均匀振幅。

压气机端和涡轮端振荡系数均在仅思索轴承刚度时最大，故流体激振的存在有利于转子体系瞬态呼应安定性。

随着隧道涡轮轮缘间隙的减小、间隙激振力的增长，压气机端振荡系数有增长趋向，涡轮端振荡系数有低落趋向，但幅度很小。

结论

初次创建了接纳流线隧道式涡轮的增压器转子动力学模子，思索了密封流体激振、叶尖间隙激振和隧道涡轮轮缘间隙激振条件相耦合的转子体系。

使用该模子盘算分析了不同质料的隧道涡轮及其不同轮缘间隙对转子动力学特性的影响，主要结论：

（1）隧道涡轮轮缘间隙与流道断绝，间隙激振比叶片涡轮愈加匀称、交织刚度更低，激振力与涡动速率呈线性干系，其相对值随着轮缘间隙的减小而增大；

（2）K418隧道涡轮转子和SiC隧道涡轮转子一阶临界转速均低落，更阔别事情转速；两者二阶临界转速分散减、增0.6%，但对转子宁静性影响不大；

（3）接纳隧道涡轮后，两种质料涡轮转子二阶临界转速下稳态振幅均分明下降，对转子安定性有利；K418隧道涡轮转子瞬态呼应振荡范围大、失稳，SiC隧道涡轮转子瞬态呼应振荡范围较小、安定性较优。

参考文献：

［1］黄若，张威力，邢卫东，等.气流激振对球轴承涡轮增压器转子动力学特性的影响［J］.振动与打击，2014，33（19）：140-146.

［2］刘阳，陶继忠，郑越青，等.粘弹性支承柔性转子的动力学分析［J］.机器计划与制造，2014（06）：191-194.