废气涡轮增压器叶片模态特性的探究.pdfVIP

学兔兔 第2期(总第183期) 机 械 工程 与 自动 化 No．2 20l4年04月 MECHANICAI ENGINEERING AUT()MA FI()N Apr． 文章编号：1672—6413(2014)02-007卜O2 废气涡轮增压器叶片模态特性的探究 殷 勃，易圣先 (中北大学机械212程与自动化学院．山西 太原 030051) 摘要：针对增压器常发生的由于叶片振动产生的叶片损坏现象。利用三维CAD建模软件对废气涡轮增压器 涡轮叶片及压气机叶片进行建模．并采用有限元分析软件对其分别进行振型模态分析．找出发生共振的频 率．为叶片的优化设计提供了理论依据。 关键词：叶片；模态分析；有限元法 中图分类号：TI，391．7：TK413．5 2 文献标识码：A 0 引言 1、图2、图3所示的涡轮叶片、压气机大叶片和压气机 随着现代社会对于能源紧张问题的认识越来越深 小叶片。 刻，以及我国节能减排战略的逐步推行，废气涡轮增压 器以其自身增加功率和扭矩并减小排放的优势，在机 动车上已得到越来越广泛的应用。如何设计出更稳定 的废气涡轮增压器已成为各大汽车厂商追逐的技术目 标。 增压器的核心是其转子系统，转子系统由废气涡 轮、压气机叶轮、转子轴及轴承构成。发动机排气管排 图1 涡轮叶片 图2’压气机大叶片 图3 压气机小叶片 出的带有高能量的尾气推动涡轮旋转，进而通过转子 2 振动基础理论 轴带动叶轮旋转，将空滤带来的新鲜空气压缩后送人 根据振动学理论 j，多自由度无阻尼系统的自由 气缸之中，增大气缸中的空气密度，进而提高效率。由 振动方程为： 于废气涡轮增压器固有的迟滞效应，常常被人们诟病 rM]{ }+[K]{ }一0． (1) 反应速度慢，故近年来对其叶轮叶片的性能改善成为 其中．[M]为质量矩阵；{ }为节点加速度向量；[K] 了研究热点。叶轮尺寸、材料、角度等是影响废气涡轮 增压器效率的重要因素。 为刚度矩阵；{ )为节点位移向量。 在增压器叶片高速旋转时，常常会出现由于振动 对式(1)求解就可得到叶片的振动模态，在此，我 而导致叶片损坏的现象。究其原因是由于叶片较薄以 们将模型简化，其上任何部位的振动均为相同的简谐 及过度的前掠或后掠，使其重心偏离叶根截面中心，在 振动，可解得： 高速旋转下产生的离心力和不均匀流场造成叶片升力 {K }f }一 [M]{ )． (2) 变化，激发了叶片振动，当激振力的频率与叶片的固有 其中：K 为考虑离心力作用后的微分刚度矩阵； 为 频率相等或成整数倍时，叶片就会发生共振u]，引起叶 第 阶特征向量；叫 为第 阶自振频率。 片损坏，甚至造成难以挽回的损失。因此，对涡轮增压 3 叶片的有限元计算 器叶片进行模态特性研究，可为防止其产生共振及其