一种低转动惯量涡轮设计方法技术

本发明专利技术公开了一种低转动惯量涡轮设计方法，包括：设置低转动惯量涡轮的初步方案，建立现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的数字模型；对所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案进行应力分析；处理应力分析结果。本发明专利技术提供的一种低转动惯量涡轮设计方法得到的低转动惯量涡轮在具有良好的机械强度和寿命的同时，降低了涡轮的质量和转动惯量，能够有效提高增压系统的低速响应性和轴承系统的机械效率和可靠性，从而提高了增压器效率；同时，由于所述低转动惯量涡轮相比现有涡轮移除了轮背上的部分材料，提高了涡轮的整体均匀性。

A design method of low rotary inertia turbine

The invention discloses a low inertia turbine design method, including: the establishment of a preliminary plan of low inertia turbine rotation, preliminary scheme of establishing digital model of existing turbine and the low inertia turbine; stress analysis on the preliminary scheme of existing turbine and the low inertia turbine; stress the analysis results. The invention provides a low inertia turbine design method of low inertia turbine has good mechanical strength and life at the same time, reducing the turbine mass and inertia, can effectively improve the speed of response and bearing system of mechanical efficiency and reliability of the pressurization system, thereby improving the efficiency of turbocharger; at the same time, due to the low inertia turbine turbine wheel part removed compared to existing materials on the back, to improve the turbine overall uniformity.

【技术实现步骤摘要】
一种低转动惯量涡轮设计方法
本专利技术涉及涡轮增压器领域，特别是指一种低转动惯量涡轮设计方法。
技术介绍
进入本世纪以来，国内外政府相继提高道路车辆和非道路车辆的燃油消耗与尾气排放标准，以应对全球变暖和石油危机。石油资源的日益枯竭和排放标准的日益提高，使得不少国家开始在政策上引导发动机朝小排量大功率的方向发展，发动机小排量大功率的要求，促使发动机的轻量化、高效率、低燃油消耗率的发展，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，这一技术是目前实现汽车工业节能减排目标和提升发动机效率最有效的手段之一。涡轮是增压器的核心零部件之一，涡轮的结构设计、结构强度与耐久可靠性要求直接决定了增压器的性能、使用寿命、排放效果，因此，对于涡轮的结构优化就显得尤为重要。增压器的主要性能指标为功率性能(高效率、低燃油消耗率等)、低速响应性(发动机从怠速工况到最大扭矩工况所需加速时间)和NVH(NoiseVibrationandHarshness，噪声与振动)，其中，涡轮对增压器的低速响应性有着直接的影响，降低涡轮转动惯量是提高涡轮低速响应性的有效手段之一。现有技术中主要对涡轮叶片的进行优化，并未对笨重的涡轮轮背进行优化，而涡轮轮背占据了涡轮自重的很大一部分，因此现有技术不能有效地降低涡轮的转动惯量，从而无法有效地提高增压器的低速响应性。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种低转动惯量涡轮设计方法，采用该方法制造的涡轮相比现有涡轮具有更低的质量和转动惯量，有效提高增压器的低速响应性。基于上述目的本专利技术提供的一种低转动惯量涡轮设计方法，包括：设置低转动惯量涡轮的初步方案，建立现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的数字模型；对所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案进行热-机械应力和模态应力分析；处理所述热-机械应力分析结果和所述模态应力分析结果，得到所述低转动惯量涡轮和所述现有涡轮的强度的差值，对所述低转动惯量涡轮的初步方案进行调整，再次进行所述热-机械应力分析和所述模态分析，直至调整后的所述低转动惯量涡轮的初步方案的强度与所述现有涡轮的强度之间的差值低于预设的限值；采用调整后的所述低转动惯量涡轮的初步方案，生产制造低转动惯量涡轮。可选地，所述设置低转动惯量涡轮的初步方案，建立现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的数字模型的方法包括：选取所需尺寸的所述现有涡轮，去除所述现有涡轮的轮背上部分材料，使得所述轮背的剩余部分形成若干条加强筋，根据所述现有涡轮的叶片数量、涡轮叶型、轮毂尺寸等因素，设置所述加强筋的类型、数量、宽度、厚度以及加强筋的分布中心与拔模斜度，形成所述低转动惯量涡轮的初步方案，并建立所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的数字模型。可选地，所述数字模型包括CFD模型、温度场分析模型和模态分析模型。可选地，所述对所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案进行热-机械应力分析和模态应力分析包括：通过所述CFD模型，对所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案与相应的涡轮箱之间形成的流道进行CFD分析；通过所述温度场分析模型，对涡轮箱、涡轮及相应附属件进行FEA温度场分析；将所述CFD分析模型和所述温度场分析模型进行多次流-固耦合迭代，得到所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的温度场分布；将所述温度场分布施加到所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案上，同时将所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案旋转时的离心载荷代入，构造所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的热-机械应力分析模型，通过所述热-机械应力分析模型，获得所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案各节点的热-机械应力；通过所述模态分析模型，得出所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的各阶自由模态，从而得到所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案各节点的各阶模态应力。可选地，所述处理热-机械应力分析结果和模态应力分析结果包括：将所述现有涡轮的各节点对应的热-机械应力和一阶模态应力进行归一化叠加，并将所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点对应的热-机械应力和一阶模态应力进行归一化叠加，将两个叠加结果进行比较，若差值大于设计要求限值，则调整所述低转动惯量涡轮的初步方案中的加强筋的位置分布、数量、厚度、宽度、分布中心与拔模斜度，并对调整后的所述低转动惯量涡轮重新进行建立数字模型、热-机械应力分析和模态应力分析以及热-机械应力分析结果和模态应力分析结果处理；若所述差值低于设计要求限值，则认为所述低转动惯量涡轮具有良好的强度和可靠性，符合设计需求，由此可根据本专利技术提供的低转动惯量设计方法指导低转动惯量涡轮的生产制造。所述归一化叠加方法包括：将所述现有涡轮的各节点对应的热-机械应力分别除以各节点中的热-机械应力的最大值，得到所述现有涡轮的各节点的热-机械应力的归一化结果；将所述现有涡轮的各节点对应的一阶模态应力分别除以各节点中的一阶模态应力的最大值，得到所述现有涡轮的各节点的一阶模态应力的归一化结果；将各节点对应的热-机械应力归一化结果和一阶模态应力归一化结果相加；同时，将所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点对应的热-机械应力分别除以各节点中的热-机械应力的最大值，得到所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点的热-机械应力的归一化结果；将所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点对应的一阶模态应力分别除以各节点中的一阶模态应力的最大值，得到所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点的一阶模态应力的归一化结果；将各节点对应的热-机械应力归一化结果和一阶模态应力归一化结果相加。在一些可选的实施例中，所述处理热-机械应力分析结果和模态应力分析结果包括：将所述现有涡轮的各节点对应的热-机械应力和所需阶次的模态应力进行归一化叠加，并将所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点对应的热-机械应力和所需阶次的模态应力进行归一化叠加，将两个叠加结果进行比较，若差值大于设计要求限值，则调整所述低转动惯量涡轮的初步方案中的加强筋的位置分布、数量、厚度、宽度、分布中心与拔模斜度，并对调整后的所述低转动惯量涡轮重新进行建立数字模型、热-机械应力分析和模态应力分析以及热-机械应力分析结果和模态应力分析结果处理；若所述差值低于设计要求限值，则认为所述低转动惯量涡轮具有良好的强度和可靠性，符合设计需求，由此可根据本专利技术提供的低转动惯量设计方法指导低转动惯量涡轮的生产制造。所述归一化叠加方法为：将所述现有涡轮的各节点对应的热-机械应力分别除以各节点中的热-机械应力的最大值，得到所述现有涡轮的各节点的热-机械应力的归一化结果；将所述现有涡轮的各节点对应的所需阶次的模态应力分别除以各节点中的所需阶次的模态应力的最大值，得到所述现有涡轮的各节点的所需阶次的模态应力的归一化结果；将各节点对应的热-机械应力归一化结果和所需阶次的模态应力归一化结果相加；同时，将所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点对应的热-机械应力分别除以各节点中的热-机械应力的最大值，得到所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点的热-机械应力的归一化结果；将所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点对应的所需阶次模态应力分别除以各节点中的所需阶次的模态应力的最大值，得到所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点的所需阶次的模态应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低转动惯量涡轮设计方法，其特征在于，包括：设置低转动惯量涡轮的初步方案，建立现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的数字模型；对所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案进行热‑机械应力和模态应力分析；处理所述热‑机械应力分析结果和所述模态应力分析结果，得到所述低转动惯量涡轮和所述现有涡轮的强度的差值，对所述低转动惯量涡轮的初步方案进行调整，再次进行所述热‑机械应力分析和所述模态分析，直至调整后的所述低转动惯量涡轮的初步方案的强度与所述现有涡轮的强度之间的差值低于预设的限值；采用调整后的所述低转动惯量涡轮的初步方案，生产制造低转动惯量涡轮。

【技术特征摘要】
1.一种低转动惯量涡轮设计方法，其特征在于，包括：设置低转动惯量涡轮的初步方案，建立现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的数字模型；对所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案进行热-机械应力和模态应力分析；处理所述热-机械应力分析结果和所述模态应力分析结果，得到所述低转动惯量涡轮和所述现有涡轮的强度的差值，对所述低转动惯量涡轮的初步方案进行调整，再次进行所述热-机械应力分析和所述模态分析，直至调整后的所述低转动惯量涡轮的初步方案的强度与所述现有涡轮的强度之间的差值低于预设的限值；采用调整后的所述低转动惯量涡轮的初步方案，生产制造低转动惯量涡轮。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置低转动惯量涡轮的初步方案，建立现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的数字模型的方法包括：选取所需尺寸的所述现有涡轮，去除所述现有涡轮的轮背上部分材料，使得所述轮背的剩余部分形成若干条加强筋，根据所述现有涡轮的叶片数量、涡轮叶型、轮毂尺寸等因素，设置所述加强筋的类型、数量、宽度、厚度以及加强筋的分布中心与拔模斜度，形成所述低转动惯量涡轮的初步方案，并建立所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的数字模型。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数字模型包括CFD模型、温度场分析模型和模态分析模型。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案进行热-机械应力分析和模态应力分析包括：通过所述CFD模型，对所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案与相应的涡轮箱之间形成的流道进行CFD分析；通过所述温度场分析模型，对涡轮箱、涡轮及相应附属件进行FEA温度场分析；将所述CFD分析模型和所述温度场分析模型进行多次流-固耦合迭代，得到所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的温度场分布；将所述温度场分布施加到所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案上，同时将所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案旋转时的离心载荷代入，构造所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的热-机械应力分析模型，通过所述热-机械应力分析模型，获得所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案各节点的热-机械应力；通过所述模态分析模型，得出所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案的各阶自由模态，从而得到所述现有涡轮和所述低转动惯量涡轮的初步方案各节点的各阶模态应力。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理热-机械应力分析结果和模态应力分析结果包括：将所述现有涡轮的各节点对应的热-机械应力和一阶模态应力进行归一化叠加，并将所述低转动惯量涡轮的初步方案的各节点对应的热-机械应力和一阶模态应力进行归一化叠加，将两个叠加结果进行比较，若差值大于设计要求限值，则调整所述低转动惯量涡轮的初步方案中的加强筋的位置分布、数量、厚度、宽度、分布中心与拔模斜度，并对调整后的所述低转动惯量涡轮重新进行建立数字模型、热-机械应力分析和模态应力分析以及热-机械应力分析结果和模态应力分析结果处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈少林，刘朝峰，靳鹏，龙鑫，吴葱，史亚东，朱茂蒙，刘艳东，张涛，
申请(专利权)人：湖南天雁机械有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43