机车涡轮增压器涡轮叶片强度分析及结构优化

发布时间：2025-04-26 20:55

　　近年来涡轮增压器已广泛应用于各种往复式发动机来提升其性能,涡轮作为涡轮增压器的关键部件之一,可以回收废气能量供压气机使用。发动机在运行时涡轮叶片与高温高压的废气直接接触,且随着工况的改变气流的状态也不断变化。这些复杂的外力作用必然会在一定程度上损坏涡轮叶片,一旦涡轮叶片发生故障,将会导致发动机无法正常运行。因此对涡轮进行强度分析是非常重要的。基于流固耦合的分析方法,首先分析了涡轮叶片在气动载荷,温度载荷和离心载荷同时作用的情况下的应力应变分布。利用Turbogrid对流动区域进行网格划分后,使用CFX求解得到在满负荷工况稳定运行时涡轮叶片表面的温度和压力分布。随后对涡轮叶片进行热应力分析,流动模拟计算得到的涡轮叶片表面温度作为边界条件输入,得到整个涡轮叶片的热应力分布。将上述分析结果和离心载荷加载到涡轮叶片上,结合轮盘一起进行强度分析,得到涡轮叶片的应力应变分布情况,发现应力集中主要出现在榫头榫卯区域。涡轮叶片最大等效应力值为629MPa,发生在涡轮榫头第四齿与榫卯接触边缘。其次对涡轮的榫卯结构进行优化,参数化结构后选择其中五个参数作为设计变量,得到不同参数对涡轮叶片最大等效应力的影响。...

【文章页数】：75 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外涡轮增压器的研究现状
        1.2.1 流动性能研究
        1.2.2 结构强度研究
        1.2.3 动力学特性研究
    1.3 本文研究内容
2 涡轮流场分析
    2.1 计算流体力学理论基础
        2.1.1 基本控制方程
        2.1.2 湍流模型
    2.2 计算模型建立
        2.2.1 研究对象及方法
        2.2.2 流动域网格划分
        2.2.3 流场分析的设置
    2.3 计算结果分析
    2.4 本章小结
3 涡轮叶片强度分析
    3.1 数值计算方法
        3.1.1 弹性力学基本原理
        3.1.2 弹性力学有限元分析原理
        3.1.3 热应力分析基本原理
        3.1.4 接触分析基础
    3.2 计算模型建立
        3.2.1 研究方法
        3.2.2 网格划分
        3.2.3 接触单元的建立
        3.2.4 计算设定
    3.3 计算结果分析
    3.4 本章小结
4 榫卯结构优化
    4.1 榫卯结构参数化方案设计
    4.2 计算结果分析
        4.2.1 不同楔形角α对榫卯结构最大等效应力的影响
        4.2.2 不同齿距对榫卯结构最大等效应力的影响
        4.2.3 不同榫头颈宽对榫卯结构最大等效应力的影响
        4.2.4 不同榫槽底部宽度对榫卯结构最大等效应力的影响
        4.2.5 不同榫槽底部高度对榫卯结构最大等效应力的影响
    4.3 基于正交实验法对榫卯结构进行优化
        4.3.1 正交实验设计法简介
        4.3.2 确定因素和水平
        4.3.3 正交仿真计算与结果
    4.4 涡轮超转破裂实验研究
        4.4.1 实验系统
        4.4.2 实验步骤与方法
        4.4.3 实验结果
    4.5 本章小结
5 涡轮模态分析
    5.1 模态分析理论基础
    5.2 涡轮叶片模态实验
        5.2.1 实验仪器
        5.2.2 实验结果分析
    5.3 涡轮叶片模态计算
        5.3.1 模态计算结果与实验值对比
        5.3.2 不同转速下的模态计算结果
        5.3.3 涡轮叶片共振分析
    5.4 本章小结
结论
参考文献
致谢



本文编号：4041348