车用涡轮增压器涡轮叶轮减重结构优化.PDF

上海：2007年10月 中国内燃机学会第七届学术年会论文集 车用涡轮增压器涡轮叶轮减重结构优化 赵俊生1，马朝臣1，胡辽平2 (1北京理工大学机械与车辆工程学院，北京100081；2．湖南天雁机械有限责任公司，衡阳421005) 摘要：以车用增压器JP60涡轮叶轮为研究对象，基于最优化设计的原理，在不改变叶型及流道并保证涡轮叶轮结构 强度的基础上，利用ANSYS优化设计模块及APDL语言编制用户程序，以涡轮叶轮重量最小为目标对增压器涡轮叶 轮进行了减重结构优化。在此基础上考虑涡轮叶轮铸造和装配工艺等因素，确定了新型的减重涡轮叶轮结构。使得涡 轮叶轮重量减少了6．91％。优化后的涡轮叶轮结构不仅节省了材料的消耗，同时使得涡轮增压器转子质量分配进一步 趋于合理，有助于提高增压器轴系的机械效率和可靠性。强度校核及寿命分析表明，优化结果满足使用要求。为增压器 的实际工程应用提供了参考依据。 关键词：有限元法；涡轮叶轮；参数化建模；结构优化 库 压器转子的转动惯量，改善涡轮叶轮与压气机叶 引 言 轮的质量分配，提高增压器轴系的机械效率，从 例 而利于提高增压器轴系的效率和可靠性。 由涡轮叶轮和压气机叶轮组成的转子是涡轮 案 增压器的核心零部件。前期的数值计算及试验表 1基于ANSYS的涡轮叶轮结构优化 E A 明涡轮叶轮的强度储备大大高于压气机叶轮的强 C 度储备。而涡轮叶轮材料使用昂贵的K418镍基1．1涡轮叶轮有限元模型的建立 铸造合金，价格高[11。同时由于这种材料的密度 JP60增压器涡轮叶轮工作状态受力情况非常 模 大大高于压气机叶轮的密度。使得涡轮叶轮与压 复杂，但主要是高速旋转的离心力。由于相对整 气机叶轮组成的增压器转子质量分配很不均匀。 个涡轮叶轮来说，轮毂直径较小。盘体温差不 凯 涡轮叶轮重量是压气机叶轮重量的2．7倍．增压 大。因此计算破裂转速时，忽略温差应力的影 O 器转子质量分配不够合理。因此。对涡轮叶轮进 响。只考虑转子高速旋转的离心力的作用。涡轮 行结构优化、适当减轻转子的重量是非常必要 叶轮最大直径为55．00mm。压气机叶轮最大直径 E M 的。达到减少其重量、节约成本、改善转子的质 为62．50ram。涡轮叶轮所用材料为K418铸造合 A 量分配的目的。 金，其机械性能参数嘲见表1。优化时所受载荷 C 目前常用的结构优化设计中较实用的是优化 为工程要求的最低破裂转速。对于该型号的增压 000—140 准则法与大型有限元分析程序的软件集成化阁。 器，其标定转速为120 000r·min一．最 ANSYS系统在机械、土木和航空航天等领域有着高可达150000r·min～。国内涡轮叶轮安全因数 广泛和良好的应用基础，APDL语言为结构优化设范围为1．4—2，因此本文在优化时取最高转速150 000 000 计的数值分析提供了一个很好的开发环境【3，田。 r·rain4的1．4倍(即210r·mi