某型渦輪增壓器軸流渦輪強(qiáng)度和模態(tài)分析

0 引言

世界上最早開發(fā)的廢氣渦輪增壓器是軸流式的，1915年開始設(shè)想把渦輪增壓器在柴油機(jī)上的使用

。在內(nèi)燃機(jī)中，渦輪增壓是很重要的技術(shù)，渦輪作為渦輪增壓技術(shù)的重要部分，它的工作環(huán)境往往是高溫廢氣，因此，必須保證渦輪的結(jié)構(gòu)安全。

綜上所述，公共性觀念的發(fā)展對(duì)西方美術(shù)館建筑空間形態(tài)的演變有重要影響，西方建筑師對(duì)美術(shù)館建筑空間形態(tài)的探索始終是站在時(shí)代背景和社會(huì)背景下，對(duì)人們的公共生活模式做出回應(yīng)。筆者希望以上對(duì)西方美術(shù)館空間形態(tài)演變的研究能為我們深刻理解美術(shù)館各項(xiàng)活動(dòng)的本質(zhì)屬性提供參考，并為當(dāng)下及未來美術(shù)館的發(fā)展方向提供歷史借鑒。

2017年Jianhao Gong的研究表明：部分有機(jī)溶液粒子對(duì)微波傳播的影響和其碳鏈的長(zhǎng)度有關(guān).而且對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的粒子而言，這種影響在不同頻段也存在較大差異[9].為了精確測(cè)量這種差異以確定液體的成分，檢測(cè)儀器需要較寬的檢測(cè)頻段.近幾年，基于厘米波的超寬帶設(shè)備成本優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯.因此，研究如何利用基于厘米波的超寬帶設(shè)備識(shí)別液體的危險(xiǎn)程度具有實(shí)際意義.

而對(duì)渦輪強(qiáng)的分析早有研究。其中有限單元法成為了現(xiàn)代工程中強(qiáng)度及振動(dòng)分析的最有效的方法之一，到上世紀(jì)八十年代后，有限元分析已普遍應(yīng)用于透平膨脹機(jī)、汽輪機(jī)、渦輪增壓器等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的強(qiáng)度及振動(dòng)分析

。Asoy.S等人用有限元法分析了渦輪、葉輪等結(jié)構(gòu)的表面應(yīng)力，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了理論計(jì)算的可靠性

。國(guó)內(nèi)利用參數(shù)建模方法和六面體網(wǎng)格對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械機(jī)型分析，并且也研究了渦輪在汽車上的強(qiáng)度分析

。

目前，渦輪增壓器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各型船舶中，渦輪作為增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)核心部件之一，在渦輪增壓器的設(shè)計(jì)研究時(shí)，需重點(diǎn)對(duì)渦輪的強(qiáng)度和模態(tài)進(jìn)行分析。本文利用有限元法，針對(duì)某型渦輪增壓器渦輪，計(jì)算其在離心載荷和溫度場(chǎng)耦合作用下的強(qiáng)度分析及模態(tài)分析。

應(yīng)力云圖分布沿軸向?qū)ΨQ，且無突變值。因此該耦合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可靠，可作為該渦輪在最高轉(zhuǎn)速與溫度載荷耦合下的計(jì)算結(jié)果。

1 計(jì)算模型

1.1 模型介紹

依據(jù)某型渦輪增壓器研制要求，氣動(dòng)及結(jié)構(gòu)組提交的軸流渦輪設(shè)計(jì)原型的Parasolid文件實(shí)體。該渦輪是一個(gè)裝配體，三維模型如圖1所示。渦輪葉片均勻分布在渦輪盤上，渦輪盤一端摩擦焊方式和主軸連接在一起。

1.2 有限元模型

更老一點(diǎn)的徽式宅子是有天井的，還有畫窗和閣樓。郭村這樣帶天井的老宅已不多了，也不再住人，空在那里，里面堆著些鄉(xiāng)間常見的物什：做茶葉的器具，耕田種地的器具。

在最高允許工作轉(zhuǎn)速(31200r/min)下的應(yīng)力與位移計(jì)算結(jié)果如圖5與圖6所示。

最大熱應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)槿~片背弧出口根部，為215MPa，如圖12所示。這是由于該區(qū)域的溫差最大，是由于溫度場(chǎng)分布不均而產(chǎn)生了熱應(yīng)力。說明溫度場(chǎng)分布不均會(huì)在渦輪本體產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，熱應(yīng)力大小和溫度分布有關(guān)。

1.3 邊界條件

本文中渦輪轉(zhuǎn)速載荷為31200r/min，而溫度載荷有兩組：(1)渦輪前后進(jìn)出溫度分別為750℃、550℃；(2)渦輪前后進(jìn)出溫度分別為600℃、450℃。

軸流渦輪的約束加載可由該渦輪與主軸的安裝形式簡(jiǎn)化為渦輪出口輪轂凸臺(tái)各項(xiàng)鎖定。根據(jù)葉片的安裝形式，計(jì)算葉片模態(tài)時(shí)約束葉片根部，約束情況如圖4所示。

2 渦輪強(qiáng)度計(jì)算

2.1 最高轉(zhuǎn)速下離心力、位移有限元計(jì)算

課堂提問的有效性，能夠很好地將學(xué)生的精力集中起來，提高學(xué)生參與到課堂學(xué)習(xí)中的意識(shí)，從而提高學(xué)生的能力，其重要性不言而喻。

根據(jù)離心力計(jì)算公式

=

可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，

或

值增加都會(huì)導(dǎo)致離心力增加，葉片根部由于半徑

較大，并且又是倒角處，應(yīng)力比較集中，因此可能為應(yīng)力最大的發(fā)生處。而渦輪輪轂處，盡管旋轉(zhuǎn)半徑

較小，但質(zhì)量

很大，所以也可能是渦輪最大應(yīng)力發(fā)生處。

從圖6中可以看出渦輪最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉片背弧根部，最大值為565MPa。應(yīng)力云圖分布沿軸向?qū)ΨQ，且無應(yīng)力突變值。因此該應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可靠，可作為渦輪在最高轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

本刊訊：2018年11月16日，2018中國(guó)國(guó)際酒業(yè)博覽會(huì)（秋季）在上海國(guó)家會(huì)展中心盛大開幕。本屆酒博會(huì)以“世界名酒，共享榮耀”為主題，由中國(guó)酒業(yè)協(xié)會(huì)主辦，四川博覽事務(wù)局、瀘州市人民政府協(xié)辦，酒企高管、行業(yè)專家、商業(yè)巨擘、消費(fèi)精英濟(jì)濟(jì)一堂，共襄盛舉。

從圖7中可以看出渦輪最大位移(0.373mm)出現(xiàn)在葉片的進(jìn)口葉尖處。位移云圖分布沿軸向?qū)ΨQ，且無位移突變值。因此該位移計(jì)算結(jié)果可靠，可作為該渦輪在最高轉(zhuǎn)速下的位移計(jì)算結(jié)果。

由于為了方便劃分六面體網(wǎng)格，文中的軸流渦輪模型是簡(jiǎn)化了拉筋絲的，從上述結(jié)果可以看出在最高轉(zhuǎn)速工況下，簡(jiǎn)化后的渦輪模型強(qiáng)度滿足要求。但是原本渦輪葉片上存在拉筋絲孔，擔(dān)心其會(huì)對(duì)渦輪的強(qiáng)度有影響，現(xiàn)校核在最高轉(zhuǎn)速下的渦輪(帶拉筋絲孔)強(qiáng)度，為方便計(jì)算，此處采用四面體網(wǎng)格，計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示。

從圖7可以看出本文中帶拉筋絲孔的軸流渦輪模型在最高轉(zhuǎn)速(31200r/min)下最大應(yīng)力為609MPa，位于葉片背弧出口根部處，而拉筋絲孔區(qū)域的最大應(yīng)力為不超過410MPa。從圖8可知渦輪的最大位移為0.366mm，位移葉片進(jìn)口葉尖處。以上結(jié)果與用六面體網(wǎng)格計(jì)算出的結(jié)果相近，且拉筋絲孔區(qū)域的最大應(yīng)力不超過葉片材料的屈服強(qiáng)度770MPa(750℃)，也不是渦輪的最大應(yīng)力發(fā)生處。因此渦輪原有的拉筋絲孔對(duì)其強(qiáng)度無其他較大影響，該渦輪模型在計(jì)算時(shí)可以簡(jiǎn)化拉筋絲來計(jì)算。

2.2 溫度應(yīng)力計(jì)算(550℃～750℃)

在進(jìn)口750℃，出口550℃下的溫度分布及熱應(yīng)力算結(jié)果如圖9和圖10所示。

由圖可知最大熱應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)閳D10所示的葉片背弧出口根部，為283MPa。這是由于該區(qū)域的溫差最大，是由于溫度場(chǎng)分布不均而產(chǎn)生了熱應(yīng)力。說明溫度場(chǎng)分布不均會(huì)在渦輪本體產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，熱應(yīng)力大小和溫度分布有關(guān)。

熱應(yīng)力云圖分布沿軸向?qū)ΨQ，且無突變值。因此該熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可靠，可作為該渦輪在溫度載荷下的計(jì)算結(jié)果。

針對(duì)圖1渦輪幾何模型建立有限元模型，運(yùn)用有限元法計(jì)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和模態(tài)分析。單元質(zhì)量差在計(jì)算時(shí)容易出現(xiàn)單元奇點(diǎn)和應(yīng)力局部集中，單元網(wǎng)格數(shù)量不夠容易導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相差太大

。采用八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元對(duì)整體渦輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)量以根據(jù)兩次不同數(shù)量單元計(jì)算結(jié)果相差不超過2%就行。圖2和圖3為建立好的渦輪和葉片的有限元模型。

2.3 溫度應(yīng)力計(jì)算(450℃～600℃)

在進(jìn)口600℃，出氣450℃下的溫度分布及熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖11和圖12。

本文渦輪盤材料為NiCr15MoTi，渦輪葉片材料為G-Ni110，渦輪盤和葉片的材料常數(shù)如表1所示。

在最高允許工作轉(zhuǎn)速(31200r/min)，進(jìn)氣600℃，出氣450℃工況下的綜合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖14。在最高允許工作轉(zhuǎn)速(31200r/min)，進(jìn)口600℃，出氣450℃工況下的綜合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖14所示。渦輪最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉片背弧根部，最大值為723MPa，通過整理渦輪在五種工況下的計(jì)算結(jié)果，結(jié)果如表2所示。渦輪不管在單獨(dú)的溫度場(chǎng)、離心荷載作用，還是溫度場(chǎng)與離心荷載耦合場(chǎng)作用下，渦輪都是滿足材料的強(qiáng)度要求的，是安全的。

曲塊在儲(chǔ)存過程中水分不斷散失，受物理作用容易出現(xiàn)裂縫和脫殼的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在現(xiàn)用曲中極為常見。為了研究裂縫和脫殼的影響性，我們采集了1.1中的4#裂縫樣品，進(jìn)行高通量測(cè)序研究（見圖3、表5）。

2.4 離心力與溫度耦合計(jì)算

在最高允許工作轉(zhuǎn)速(31200r/min)，進(jìn)氣750℃，出氣550℃工況下的綜合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖13。渦輪最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉片背弧根部，最大值為732MPa。應(yīng)力云圖分布沿軸向?qū)ΨQ，且無突變值。因此該耦合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可靠，可作為該渦輪在最高轉(zhuǎn)速與溫度載荷耦合下的計(jì)算結(jié)果。

熱應(yīng)力云圖分布沿軸向?qū)ΨQ，且無突變值。因此該熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可靠，可作為該渦輪在溫度載荷下的計(jì)算結(jié)果。

厄瓜多爾被認(rèn)為是未來銅礦新增供應(yīng)最有前景的國(guó)家。銅是所有礦業(yè)公司都希望擁有的第一資產(chǎn)，但是其勘查難度越來越大，成本越來越高。

3 渦輪模態(tài)分析

3.1 軸流渦輪模態(tài)

模擬軸流渦輪安裝后的模態(tài)振動(dòng)計(jì)算，結(jié)果見表3所示。

由上述結(jié)果可知，渦輪整體模態(tài)為1252.1～1313.3Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該渦輪的最大使用頻率(520Hz)，因此避免了在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中軸流渦輪發(fā)生共振的可能。

3.2 軸流渦輪葉片模態(tài)

以葉片根部為約束，計(jì)算葉片的1～6階振動(dòng)模態(tài)。葉片計(jì)算結(jié)果見表4。

長(zhǎng)葉片的第1和2階振型表現(xiàn)為葉尖的彎曲振動(dòng)，第3-6階振型表現(xiàn)為葉身的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。葉尖相對(duì)于葉身更容易振動(dòng)破壞，如圖15所示。渦輪增壓器葉片1階固有頻率值的標(biāo)準(zhǔn)為：

>3

5

，式中，

為渦輪增壓器的轉(zhuǎn)頻。該增壓器設(shè)計(jì)的最高轉(zhuǎn)速為31200r/min，轉(zhuǎn)速頻率為520Hz。渦輪葉片1階固有頻率

(2018

5Hz)>3

5

(1820Hz)，同時(shí)在渦輪葉片葉身中部布設(shè)有拉筋絲，其葉片1階固有頻還要高些，故渦輪葉片結(jié)構(gòu)模態(tài)避開了滿足渦輪使用工況的要求。

4 結(jié)論

1、渦輪原有的拉筋絲孔對(duì)其強(qiáng)度無其他較大影響，該渦輪模型在計(jì)算時(shí)可以簡(jiǎn)化拉筋絲來計(jì)算。

2、模態(tài)頻率比工作轉(zhuǎn)速頻率(520Hz)高出兩倍多，滿足振動(dòng)上的要求。某型渦輪增壓器的軸流渦輪分別在兩種耦合工況(31200r/min與進(jìn)氣750℃，出氣550℃；31200r/min與進(jìn)氣600℃，出氣450℃)下的強(qiáng)度均可靠，且有1.4的安全系數(shù)。因此該渦輪增壓器的軸流渦輪可使用本文的結(jié)構(gòu)進(jìn)行下一步試制。

整黨運(yùn)動(dòng)經(jīng)過四個(gè)階段。第一階段，訓(xùn)練整黨工作的干部。第二階段，對(duì)黨員普遍進(jìn)行以怎樣做一個(gè)共產(chǎn)黨員的教育，使所有的黨員都明白做一個(gè)共產(chǎn)黨員的標(biāo)準(zhǔn)。第三階段，進(jìn)行典型試驗(yàn)，取得經(jīng)驗(yàn)，保證整黨能夠健康進(jìn)行。第四階段，進(jìn)行組織整頓工作，一般按下列次序進(jìn)行：(1)黨員登記；(2)對(duì)黨員進(jìn)行審查和鑒定；(3)進(jìn)入組織處理環(huán)節(jié)，將不符合黨員標(biāo)準(zhǔn)的清理出黨。

3、以渦輪葉片材料(G-Ni110)的屈服強(qiáng)度極限為該渦輪的計(jì)算指標(biāo)，該渦輪的最大轉(zhuǎn)速可達(dá)32100r/min。當(dāng)本文的渦輪模型施加32100r/min的轉(zhuǎn)速載荷與進(jìn)氣600℃，出氣450℃的溫度載荷時(shí)，最大應(yīng)力為723MPa，位于葉片根部，接近渦輪葉片G-Ni110材料的屈服強(qiáng)度。因此可把32100r/min這個(gè)轉(zhuǎn)速定做為本文渦輪模型的極限轉(zhuǎn)速。

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