隧道式压气机工作轮多场耦合强度分析

黄仕豪¹，续彦芳¹，黄 若²，郭文杰²

(1. 中北大学能源动力工程学院，山西 太原 030051）

(2. 北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081)

作者简介：黄仕豪（1995—），男，硕士研究生，主要研究方向为离心式压气机气动、结构设计及强度研究，297020381@qq.com.

摘要：为了对隧道轮的强度进行研究，提出了压气机隧道轮应力的计算方法并建立了压气机隧道轮三维实体模型，在ANSYS Workbench软件中建立多场耦合计算平台，分析流体压力和温度对隧道轮应力大小及分布的影响，获得了考虑不同载荷状态时隧道轮的最大应力以及变形，验证了离心载荷、气动载荷和热载荷共同作用下隧道轮最大工作转速时强度的可靠性；同时通过计算获得了隧道轮在离心载荷、气动载荷和热应载荷共同作用下的极限转速与低周疲劳临界转速，可为隧道式压气机最高转速的确定提供参考。

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关键词：离心式压气机；隧道轮；多物理场耦合；强度

中图分类号：TK402   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2021)04-0001-07

涡轮增压器利用发动机排出的废气推动涡轮旋转，同时带动同轴的压气机向发动机气缸输送高压空气。压气机工作轮在工作过程中承受高速旋转带来的离心载荷，以及空气气动载荷、压缩空气热量产生的温差热载荷和不均匀流场相互作用产生的振动交变负荷等，受力情况极为复杂。发动机性能的不断增强使得涡轮增压器的压比和转速不断提高，压气机工作轮的机械、气动与热负荷也随之增加。与此同时，寿命要求更长、成本要求更低，使得传统的叶片式工作轮对材料性能的要求大幅度提高。新型隧道式工作轮^［1］作为一种闭式旋转机械，其具有强度高、泄漏损失小、流线设计优化空间大、能适应高转速等优势。

压气机工作轮的强度分析和气动分析的结果是相关联的，气动分析所产生的流道内表面压力载荷以及热应力分析结果可以在强度分析中进一步讨论^［2］。对于高速、高压比的压气机工作轮，低周疲劳是其主要失效模式^［3］。压气机工作时，隧道轮受到气流场、温度场、应力场等多场耦合的综合影响，结构设计不佳与动力学特性耦合也容易造成压气机工作轮一次性强度破坏。为了确保隧道轮在试验阶段以及工作过程中能够保持安全、可靠，那么确定其极限转速、低周疲劳临界转速是十分有必要的。

本文采用全尺寸完整模型，综合考虑压气机工作过程所受的机械载荷、气动载荷与热负荷，对某新型隧道式压气机工作轮进行耦合强度分析。

1 建模与计算方法

文献^{［4］~［7］}主要考虑离心力与气动力，采用不同的简化方法与模型，运用单向流固耦合方法对叶轮强度进行分析，其结果与试验结果相符合，验证了模型与计算方法的正确性。

本文的研究对象为某新设计的单级低压比隧道式压气机轮，其模型如图1所示，主要结构特征与参数如下：

1)压气机工作轮采用流线隧道式结构，共有6组18个流道，每组流道分为长流道（第一流道）、中流道（第二流道）与短流道（第三流道）；2)扩压器采用无叶扩压器；3)隧道轮进口直径为54.8 mm，出口直径为71 mm，隧道轮出口宽度为7.2 mm；

4)设计点转速为66 232 r/min，压比为1.61，质量流量为0.117 kg/s;

5)最大工作转速为110 000 r/min，总压比为3.2，质量流量最大为0.182 kg/s。

数值计算基于ANSYS Workbench搭建流-热-固耦合平台。由于最大工作转速时隧道轮内部流场最复杂，受到的离心力最大，对隧道轮的强度要求最高，因此本文对比分析隧道轮在最大工作转速下受到离心载荷、离心-气动耦合载荷、离心-热耦合载荷以及离心-热-气动耦合载荷等4种载荷作用下的应力与变形。首先，对压气机全流道进行三维定常数值模拟，得到最大工作转速下隧道轮流道表面的温度和压力分布；然后，将流体分析得到的流道壁面温度分布作为隧道轮热稳态分析的边界条件，得到隧道轮整体的温度分布；最后，将流体分析的气动载荷、热稳态分析的温度分布以及高速旋转产生的离心力作为流固耦合、热固耦合、流热固耦合时的载荷，从而得到不同载荷下隧道轮的应力以及变形的分布情况。具体计算过程如图2所示。