本發明涉及渦輪增壓器領域，特別是指一種低轉動慣量渦輪設計方法。

背景技術：

進入本世紀以來，國內外政府相繼提高道路車輛和非道路車輛的燃油消耗與尾氣排放標準，以應對全球變暖和石油危機。石油資源的日益枯竭和排放標準的日益提高，使得不少國家開始在政策上引導發動機朝小排量大功率的方向發展，發動機小排量大功率的要求，促使發動機的輕量化、高效率、低燃油消耗率的發展，渦輪增壓技術可以提高汽車發動機功率、降低能耗和減少排放，這一技術是目前實現汽車工業節能減排目標和提升發動機效率最有效的手段之一。

渦輪是增壓器的核心零部件之一，渦輪的結構設計、結構強度與耐久可靠性要求直接決定了增壓器的性能、使用壽命、排放效果，因此，對于渦輪的結構優化就顯得尤為重要。增壓器的主要性能指標為功率性能(高效率、低燃油消耗率等)、低速響應性(發動機從怠速工況到最大扭矩工況所需加速時間)和NVH(Noise Vibration and Harshness，噪聲與振動)，其中，渦輪對增壓器的低速響應性有著直接的影響，降低渦輪轉動慣量是提高渦輪低速響應性的有效手段之一?，F有技術中主要對渦輪葉片的進行優化，并未對笨重的渦輪輪背進行優化，而渦輪輪背占據了渦輪自重的很大一部分，因此現有技術不能有效地降低渦輪的轉動慣量，從而無法有效地提高增壓器的低速響應性。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的在于提出一種低轉動慣量渦輪設計方法，采用該方法制造的渦輪相比現有渦輪具有更低的質量和轉動慣量，有效提高增壓器的低速響應性。

基于上述目的本發明提供的一種低轉動慣量渦輪設計方法，包括：設置低轉動慣量渦輪的初步方案，建立現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案的數字模型；對所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案進行熱-機械應力和模態應力分析；處理所述熱-機械應力分析結果和所述模態應力分析結果，得到所述低轉動慣量渦輪和所述現有渦輪的強度的差值，對所述低轉動慣量渦輪的初步方案進行調整，再次進行所述熱-機械應力分析和所述模態分析，直至調整后的所述低轉動慣量渦輪的初步方案的強度與所述現有渦輪的強度之間的差值低于預設的限值；采用調整后的所述低轉動慣量渦輪的初步方案，生產制造低轉動慣量渦輪。

可選地，所述設置低轉動慣量渦輪的初步方案，建立現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案的數字模型的方法包括：選取所需尺寸的所述現有渦輪，去除所述現有渦輪的輪背上部分材料，使得所述輪背的剩余部分形成若干條加強筋，根據所述現有渦輪的葉片數量、渦輪葉型、輪轂尺寸等因素，設置所述加強筋的類型、數量、寬度、厚度以及加強筋的分布中心與拔模斜度，形成所述低轉動慣量渦輪的初步方案，并建立所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案的數字模型。

可選地，所述數字模型包括CFD模型、溫度場分析模型和模態分析模型。

可選地，所述對所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案進行熱-機械應力分析和模態應力分析包括：通過所述CFD模型，對所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案與相應的渦輪箱之間形成的流道進行CFD分析；通過所述溫度場分析模型，對渦輪箱、渦輪及相應附屬件進行FEA溫度場分析；將所述CFD分析模型和所述溫度場分析模型進行多次流-固耦合迭代，得到所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案的溫度場分布；將所述溫度場分布施加到所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案上，同時將所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案旋轉時的離心載荷代入，構造所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案的熱-機械應力分析模型，通過所述熱-機械應力分析模型，獲得所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案各節點的熱-機械應力；通過所述模態分析模型，得出所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案的各階自由模態，從而得到所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案各節點的各階模態應力。

可選地，所述處理熱-機械應力分析結果和模態應力分析結果包括：將所述現有渦輪的各節點對應的熱-機械應力和一階模態應力進行歸一化疊加，并將所述低轉動慣量渦輪的初步方案的各節點對應的熱-機械應力和一階模態應力進行歸一化疊加，將兩個疊加結果進行比較，若差值大于設計要求限值，則調整所述低轉動慣量渦輪的初步方案中的加強筋的位置分布、數量、厚度、寬度、分布中心與拔模斜度，并對調整后的所述低轉動慣量渦輪重新進行建立數字模型、熱-機械應力分析和模態應力分析以及熱-機械應力分析結果和模態應力分析結果處理；若所述差值低于設計要求限值，則認為所述低轉動慣量渦輪具有良好的強度和可靠性，符合設計需求，由此可根據本發明提供的低轉動慣量設計方法指導低轉動慣量渦輪的生產制造。所述歸一化疊加方法包括：將所述現有渦輪的各節點對應的熱-機械應力分別除以各節點中的熱-機械應力的最大值，得到所述現有渦輪的各節點的熱-機械應力的歸一化結果；將所述現有渦輪的各節點對應的一階模態應力分別除以各節點中的一階模態應力的最大值，得到所述現有渦輪的各節點的一階模態應力的歸一化結果；將各節點對應的熱-機械應力歸一化結果和一階模態應力歸一化結果相加；同時，將所述低轉動慣量渦輪的初步方案的各節點對應的熱-機械應力分別除以各節點中的熱-機械應力的最大值，得到所述低轉動慣量渦輪的初步方案的各節點的熱-機械應力的歸一化結果；將所述低轉動慣量渦輪的初步方案的各節點對應的一階模態應力分別除以各節點中的一階模態應力的最大值，得到所述低轉動慣量渦輪的初步方案的各節點的一階模態應力的歸一化結果；將各節點對應的熱-機械應力歸一化結果和一階模態應力歸一化結果相加。

在一些可選的實施例中，所述處理熱-機械應力分析結果和模態應力分析結果包括：將所述現有渦輪的各節點對應的熱-機械應力和所需階次的模態應力進行歸一化疊加，并將所述低轉動慣量渦輪的初步方案的各節點對應的熱-機械應力和所需階次的模態應力進行歸一化疊加，將兩個疊加結果進行比較，若差值大于設計要求限值，則調整所述低轉動慣量渦輪的初步方案中的加強筋的位置分布、數量、厚度、寬度、分布中心與拔模斜度，并對調整后的所述低轉動慣量渦輪重新進行建立數字模型、熱-機械應力分析和模態應力分析以及熱-機械應力分析結果和模態應力分析結果處理；若所述差值低于設計要求限值，則認為所述低轉動慣量渦輪具有良好的強度和可靠性，符合設計需求，由此可根據本發明提供的低轉動慣量設計方法指導低轉動慣量渦輪的生產制造。所述歸一化疊加方法為：將所述現有渦輪的各節點對應的熱-機械應力分別除以各節點中的熱-機械應力的最大值，得到所述現有渦輪的各節點的熱-機械應力的歸一化結果；將所述現有渦輪的各節點對應的所需階次的模態應力分別除以各節點中的所需階次的模態應力的最大值，得到所述現有渦輪的各節點的所需階次的模態應力的歸一化結果；將各節點對應的熱-機械應力歸一化結果和所需階次的模態應力歸一化結果相加；同時，將所述低轉動慣量渦輪的初步方案的各節點對應的熱-機械應力分別除以各節點中的熱-機械應力的最大值，得到所述低轉動慣量渦輪的初步方案的各節點的熱-機械應力的歸一化結果；將所述低轉動慣量渦輪的初步方案的各節點對應的所需階次模態應力分別除以各節點中的所需階次的模態應力的最大值，得到所述低轉動慣量渦輪的初步方案的各節點的所需階次的模態應力的歸一化結果；將各節點對應的熱-機械應力歸一化結果和所需階次的模態應力歸一化結果相加。

可選地，所述加強筋呈中心放射狀均勻分布。

從上面所述可以看出，本發明提供的一種低轉動慣量渦輪設計方法得到低轉動慣量渦輪在具有良好的機械強度和壽命的同時，相比現有渦輪重量減輕8％以上，轉動慣量降低5％以上，能夠有效提高增壓系統的低速響應性；所述低轉動慣量渦輪與相應部件組成的旋轉系統的質心相比現有渦輪與相應部件組成的旋轉系統向壓氣端浮動軸承偏移了2mm以上，有效提高了軸承系統的機械效率和可靠性，從而提高了增壓器效率；同時，由于所述低轉動慣量渦輪相比現有渦輪移除了輪背上的部分材料，使得渦輪輪背結構上的壁厚差減小，輪轂裙部尺寸減小，降低了渦輪鑄造成型的過程中產生凝固缺陷的概率，提高了渦輪的整體均勻性，降低了渦輪的生產成本。

附圖說明

圖1為本發明實施例一種低轉動慣量渦輪設計方法的流程圖；

圖2為本發明實施例1一種低轉動慣量渦輪的輪背結構圖；

圖3為本發明實施例2一種低轉動慣量渦輪的輪背結構圖；

圖4為本發明實施例3一種低轉動慣量渦輪的輪背結構圖；

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。

如圖1所示，為本發明實施例一種低轉動慣量渦輪設計方法的流程圖，本發明實施例提供的一種低轉動慣量渦輪設計方法的流程包括如下步驟：

1.設置初步方案

研究低速響應性必須要通過能量平衡方程來解釋。增壓器模型與發動機模型之間是通過能力平衡方程來建立聯系，增壓器模型則是通過渦輪端與壓氣機端建立能量平衡關系，增壓器渦輪端的能量平衡方程為：

Q_e(t)＝Q_c(t)+Q_m(t)+Q_outside(t)+I_p(ω/2π)(Δω/Δt)

Q_e(t)：增壓器輸出的能量或者發動機輸入增壓器的排氣能量；

Q_c(t)：壓氣機輸入的能量；

Q_m(t)：機械損失；

Q_outside(t)：增壓器熱輻射、對流換熱和增壓器冷卻系統的能量損失

I_p：渦輪的轉動慣量；

ω：渦輪的角速度；

在上述能量平衡方程中，增壓器輸出的能量或者發動機輸入增壓器的排氣能量保持不變，壓氣機輸入能量和增壓器熱輻射、對流換熱和增壓器冷卻系統的能量損失保持不變，由于渦輪轉子系統的質心向壓氣機端偏移，軸承系統的機械損失減小，降低轉動慣量，渦輪的角加速度會提高，角加速度提高則增壓器的響應性提高，尤其在低速時，增壓器輸出的能量或者發動機輸入增壓器的排氣能量較小，降低渦輪轉動慣量有利于提高低速響應性。

根據上述分析結果，選取所需尺寸的現有渦輪，去除所述現有渦輪的輪背上部分材料，使得輪背剩余部分形成若干條呈中心放射狀的加強筋，根據所述現有渦輪的葉片數量、渦輪葉型、輪轂尺寸等因素，設置低轉動慣量渦輪輪背的加強筋類型、加強筋數量、加強筋的寬度、厚度以及加強筋中心與外圍的落差高度，形成低轉動慣量渦輪的初步方案，并建立所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案的數字模型，所述數字模型包括CFD(Computational Fluid Dynamics，計算流體力學)模型、溫度場分析模型和模態分析模型。

2.熱-機械應力分析與模態分析

a.通過所述CFD模型，對所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案與相應的渦輪箱之間形成的流道進行CFD分析；通過所述溫度場分析模型，對渦輪端的渦輪箱、渦輪及相應附屬件進行FEA(Finite Element Analysis，有限元分析)溫度場分析；將所述CFD分析模型和所述溫度場模型進行多次流-固耦合迭代，得到所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案的溫度場分布；

b.將所述溫度場分布施加到所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案上，同時將所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案旋轉時的離心載荷代入，構造所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案的熱-機械應力模型，通過所述熱-機械應力模型，獲得所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案的熱-機械應力；

c.通過所述模態分析模型，得出所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案的自由模態分析，從而得到所述現有渦輪和所述低轉動慣量渦輪的初步方案各節點在不同階次下的模態應力。

3.比較分析

將所述現有渦輪的熱-機械應力和模態應力進行歸一化疊加，并將所述低轉動慣量渦輪的初步方案的熱-機械應力和模態應力進行歸一化疊加，將兩個疊加結果進行比較，并進行比較，若差值大于設計要求限值，則調整所述低轉動慣量渦輪的初步方案中的加強筋的位置分布、數量、厚度、寬度以及分布中心與拔模斜度，對調整后的所述低轉動慣量渦輪重復進行步驟1和步驟2；若所述差值低于預設的設計要求限值，則認為所述低轉動慣量渦輪具有良好的強度和可靠性，符合設計需求，由此可根據本發明提供的低轉動慣量渦輪設計方法指導低轉動慣量渦輪的生產制造。

所述歸一化疊加的方法包括：將所述現有渦輪的各節點對應的熱-機械應力分別除以所有節點中熱-機械應力的最大值，得到所述現有渦輪的各節點的熱-機械應力的歸一化結果；將所述現有渦輪的各節點對應的一階模態應力分別除以所有節點中一階模態應力的最大值，得到所述現有渦輪的各節點的一階模態應力的歸一化結果；將各節點對應的熱-機械應力歸一化結果和一階模態應力歸一化結果相加；

同時，將所述低轉動慣量渦輪的初步方案的各節點對應的熱-機械應力分別除以所有節點中熱-機械應力的最大值，得到所述低轉動慣量渦輪的初步方案的各節點的熱-機械應力的歸一化結果；將所述低轉動慣量渦輪的初步方案的各節點對應的一階模態應力分別除以所有節點中一階模態應力的最大值，得到所述低轉動慣量渦輪的初步方案的各節點的一階模態應力的歸一化結果；將各節點對應的熱-機械應力歸一化結果和一階模態應力歸一化結果相加。

在一些可選的實施例中，需要考慮高階次的模態應力，此時所述歸一化疊加的方法包括：將所述現有渦輪的各節點對應的熱-機械應力分別除以所有節點中熱-機械應力的最大值，得到所述現有渦輪的各節點的熱-機械應力的歸一化結果；將所述現有渦輪的各節點對應的所需階次的模態應力分別除以所有節點中所需階次的模態應力的最大值，得到所述現有渦輪的各節點的所需階次的模態應力的歸一化結果；將各節點對應的熱-機械應力歸一化結果和所需階次的模態應力歸一化結果相加；

同時，將所述低轉動慣量渦輪的初步方案的各節點對應的熱-機械應力分別除以所有節點中熱-機械應力的最大值，得到所述低轉動慣量渦輪的初步方案的各節點的熱-機械應力的歸一化結果；將所述低轉動慣量渦輪的初步方案的各節點對應的所需階次的模態應力分別除以所有節點中所需階次的模態應力的最大值，得到所述低轉動慣量渦輪的初步方案的各節點的所需階次的模態應力的歸一化結果；將各節點對應的熱-機械應力歸一化結果和所需階次的模態應力歸一化結果相加。

本發明實施例提供的一種低轉動慣量渦輪設計方法得到低轉動慣量渦輪在具有良好的機械強度和壽命的同時，相比現有渦輪重量減輕8％以上，轉動慣量降低5％以上，能夠有效提高增壓系統的低速響應性；所述低轉動慣量渦輪與相應部件組成的旋轉系統的質心相比現有渦輪與相應部件組成的旋轉系統向壓氣機端浮動軸承偏移了2mm以上，有效提高了軸承系統的機械效率和可靠性，從而提高了增壓器效率；同時，由于所述低轉動慣量渦輪相比現有渦輪移除了輪背上的部分材料，使得渦輪輪背結構上的壁厚差減小，輪轂裙部尺寸減小，降低了渦輪鑄造成型的過程中產生凝固缺陷的概率，提高了渦輪的整體均勻性，降低了渦輪的生產成本。

實施例1：

如圖2所示，為本發明實施例1提供的一種低轉動慣量渦輪的輪背結構圖，右圖中空白部分為相比現有渦輪去除掉的部分，陰影部分為保留的輪背和加強筋。采用5根中心發射狀加強筋均勻布置的結構，所述加強筋截面為長方形，每根所述加強筋上各段寬度和厚度相等。

本發明實施例1提供的低轉動慣量渦輪相比現有渦輪重量減輕9％，轉動慣量降低7％，與相應部件構成的旋轉系統的質心相比現有渦輪旋轉系統向壓氣機端浮動軸承偏移2.2mm，有效提高了增壓器的低速響應性和機械效率。

實施例2：

如圖3所示，為本發明實施例2提供的一種低轉動慣量渦輪的輪背結構圖，所述低轉動慣量渦輪采用8根中心發射狀加強筋均勻布置的結構，所述加強筋截面為圓形，每根所述加強筋的直徑從中心向外逐漸減小。

本發明實施例2提供的低轉動慣量渦輪相比現有渦輪重量減輕12％，轉動慣量降低9％，與相應部件構成的旋轉系統的質心相比現有渦輪旋轉系統向壓氣機端浮動軸承偏移2.5mm，有效提高了增壓器的低速響應性和機械效率。

實施例3：

如圖4所示，為本發明實施例3提供的一種低轉動慣量渦輪的輪背結構圖，所述低轉動慣量渦輪采用8根中心發射狀加強筋均勻布置的結構，所述加強筋截面為長方形，每根所述加強筋的寬度從中心向外逐漸減小，厚度保持不變。

本發明實施例3提供的低轉動慣量渦輪相比現有渦輪重量減輕8％，轉動慣量降低6％，與相應部件構成的旋轉系統的質心相比現有渦輪旋轉系統向壓氣機端浮動軸承偏移2.1mm，有效提高了增壓器的低速響應性和機械效率。

所屬領域的普通技術人員應當理解：以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。