增压器.ppt

1、车用涡轮增压器压气机性能与叶轮设计CAD/CAM技术,报告人：张虹,2005年12月10日,学术讲座,讲座内容,第一部分：车用增压器压气机性能与设计方法 车用增压器压气机设计的主要技术发展 压气机的性能与初步设计 压气机几何参数优化 第二部分：叶轮设计CAD/CAM技术 现代三维CAD设计技术在增压器零部件中的应用 压气机叶轮CAD设计方法 压气机叶轮三维性能仿真计算与分析 增压器叶轮有限元分析 叶轮CAM制造技术 第三部分：应用实例 J76涡轮增压器压气机叶轮的开发实例 汽油机增压器压气机叶轮开发实例,第一部分：,车用增压器压气机性能与设计方法 引言 车用增压器压气机设计的主要技术发展 离心

2、压气机的性能与初步设计 离心压气机几何参数优化,引言,概述 汽车技术发展动向： 节能，提高燃油经济性 降低排放 新能源、新材料的应用蓄电池、燃料电池、混合动力汽车、替代燃料汽车等 系列化、模块化、轻量化、小型化、电子化 发动机技术发展动向： 汽油机：采用提高压缩比、多气门和可变配气系统、增压、空燃比传感器/氧传感器、进气道汽油喷射、气缸内汽油直接喷射、稀混合气分层燃烧、EGR等技术，配合三效催化剂等排气后处理技术 柴油机：采用轻质材料、超高压喷油、高增压、智能EGR、多气门等 汽油机将与柴油机逐步相互接近，界限会越来越模糊 甲醇、乙醇、CNG、LPG、H2等代用燃料在内燃机上的开发应用会进一步

3、发展,增压技术的发展 促进涡轮增压技术发展的主要因素是增大发动机输出功率、提高发动机低速转矩、加快瞬态响应速度、降低排放有害物和改善燃油经济性。增压器的技术关键是改善涡轮和压气机的效率，拓宽工作范围、提高增压压比、降低轴承系统的损失和提高稳定性及耐久性。 发展要求：增压器向更高压比、高效率、高可靠性、使用流量范围宽广的方向发展，同时还应结构简单、体积小、重量轻并且造价低廉，以便更好地适应各种车用动力在不同工况下的性能要求。 新技术包括：可变喷嘴涡轮VNT、铁铝合金、滚动轴承、可擦涂层、混流式涡轮、电子控制执行器总成、电控涡轮复合式发动机等。,可变涡轮增压器（VNT）,电子控制执行器总成,混流涡

4、轮,五轴加工压气机叶轮,先进设计技术的发展 CAD技术的发展：手工绘图二维绘图（Autocad）三维造型（Pro/E, Solidworks, UG, I-deals） 性能仿真技术 一维初步性能计算； 二维性能设计； CFD三维流体性能计算与分析：Fluent, StarCD, Fine, CFX 强度计算与分析：COSMOS、ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、MECHANICA 动力学计算与分析； 先进制造技术CAE/CAM 性能测试技术-利用先进的测试手段对设计进行检验,二维仿真计算模型,CFD仿真计算,有限元强度计算,三维CAD建模,零部件三维虚拟装配,第一部分：,车用增压器压

5、气机性能与设计方法 引言 车用增压器压气机设计的主要技术发展 压气机的性能与初步设计 压气机几何参数优化,车用增压器压气机设计的主要技术发展,车用增压器压气机技术特点 增压技术核心部分 离心压气机的压比、效率和运行范围决定了整个涡轮增压器的性能 车用要求：提高离心压气机气动效率,扩大使用流量范围 压气机叶轮技术 叶轮对压气机的性能的影响：叶片形状复杂，对加工精度要求高 叶轮是高速旋转件，轮缘切线速度高，对结构强度的要求也很高 叶轮中的流动情况非常复杂，对叶轮的设计水平要求更高 车用压气机叶轮结构特点：前倾后弯叶片,国内外技术发展现状,高性能离心压气机，必须具备非常完善可靠的设计、分析和加工方法

6、 离心压气机叶轮设计方法 ：先后出现了几何设计方法，一维气动设计方法，二维气动设计方法，准三维气动设计方法，全三维气动设计方法，离心压气机计算机辅助集成设计系统 设计因素的考虑： 提高设计点的性能为目的。 耐久性（应力情况）、加速特性（惯性）、运行范围和稳定性以及经济性等。 非设计点的性能考虑。 兼顾考虑增压器加速性，宽广的运行范围，经济性和结构可靠性等技术措施都可能会导致最高效率的降低。使压气机在偏离设计点的工况下保持高的效率和宽广的运行范围，是车用涡轮增压器设计领域的研究热点和难点之一。 小直径叶轮整体模具加工,叶轮设计技术发展分析,综合设计技术,离心压气机初步设计技术发展,在初步设计中，

7、首先要根据该型增压器与使用的发动机匹配的性能要求，选择压气机叶轮的设计点。 利用相似理论原理和设计经验，通过优化计算确定压气机叶轮的基本的几何参数，如叶轮外形尺寸、叶片结构形状和叶片进出口角度等。 通过迭代计算，详细考虑每一个设计截面的速度三角形，得出每一分析截面的热力参数，并且估算每一部分的损失，从而预测出所需的性能参数等。,叶轮三维几何设计技术发展,叶片设计的三维几何方法经历了几个发展阶段： 椭圆方程的叶片、雷姆椭圆方程式、 Coons曲面 缺点：二阶曲率上不连续，因此形成的叶片表面的质量不高，在流动计算中一般都不会得到较好的结果。 Bzier（贝塞尔）多项式来进行叶片的几何设计通过，NU

8、RBS（非均匀B样条）曲面 保证n+1个控制点的函数的二阶导数连续来保证轮廓是光滑的，通过相邻点来控制端点处的曲率，可以非常方便地交互调节曲线的形状。 适用于利用计算机系统的交互性操作，使得叶片叶型形状和轮缘、轮毂型线形状等几何设计变得简单而且程序化和合理化。,叶片曲面研究发展历史： 椭圆方程 雷姆椭圆方程式 Coons曲面 Bzier-Bernstein多项式 NURBS（非均匀B样条）曲面 通过Bzier曲面定义 压气机子午面通道 叶片厚度的定义,压气机叶轮内的三元流动技术发展,流动特点：在离心式压气机叶轮中，气流是三维粘性流动并有强烈的二次流，附面层是歪斜且沿流程逐渐加厚，在叶轮流道中往

9、往存在脱流或涡流区，故其内部流动是相当复杂的。 求解方法：一元流计算 ；二元流的设计计算方法，利用准正交流线曲率法进行平均子午流面的计算。三元流的计算方法 准三元分析：进行子午面和叶片表面的非粘性流场的速度和压力场计算和性能预测计算 全三元粘性流分析：叶轮内复杂的二次流和更准确的详细设计计算,CFD分析：Fluent, StarCD, Fine, CFX,准三元流分析轮毂和轮缘的 压力面和吸力面的相对马赫数,全三元流分析压气机叶轮通道相对速度矢量分布,压气机叶轮结构强度分析,应用：强度、振动、疲劳强度和材料 叶轮受力情况分析 分析方法：有限元法 有限元分析软件：COSMOS、ANSYS、NAS

10、TRAN、ABAQUS、MECHANICA,三维应力分析结果,离心压气机叶轮模具制造技术 单片模具 整体模具： 快速成型 五轴NC加工,计算机集成设计技术,将压气机的整套设计、分析、加工制造等工作集合在一个系统形成计算机集成系统。 一套成功的、完整的设计系统集合了许多工程技术于一身，如软件的对象链接（OLE）技术、专家系统的优化技术、制造装配技术（DFMA）的应用以及各种设计工具的广泛集合、各种先进加工手段的应用等。,离心压气机叶轮设计领域内的前沿研究 性能优化方面：同时考虑设计点和压气机性能特性曲线图中非设计点的性能优化 ；喘振和阻塞边界的确定 ；专家系统和人工智能技术在离心压气机叶轮的优化

11、设计 流动方面：二次流的研究 ；叶尖间隙泄漏损失对离心压气机稳定工作范围和效率的影响 压气机内部元件的相互匹配问题：整个压气机级来说，它的性能不仅与叶轮的效率有关，同时还与扩压器与叶轮的匹配、扩压器本身的效率等密切相关的。 反设计技术：通过叶轮内三维理想的流场分布，考虑到边界层和粘性的影响，计算出叶片表面理想的速度分布和压力分布，以此求得叶轮的几何尺寸的方法。,第一部分：,车用增压器压气机性能与设计方法 引言 车用增压器压气机设计的主要技术发展 离心压气机的性能与初步设计 离心压气机几何参数优化,离心压气机的性能与初步设计,离心压气机结构 进口段：简单的园柱形或者圆锥形，作用是引导气流更好地进

12、入工作叶轮，以减少进口处的流动损失和扰流强度。 工作叶轮：将气体从旋转叶轮吸收的机械功转变为压力（势能）及速度（动能），其温度、压力、速度都大幅度增加。 扩压器：进一步将从叶轮流出的气体动能的一部分变成压力能，增大扩压器出口压力，减少动能损失，压力和温度进一步升高，而速度有较大的降低。 蜗壳：将空气引至发动机的进气口方向去，并使气流速度进一步降低到发动机所需要的程度，而随着速度下降，压力和温度又稍微有所增高。,压气机级基本参数,压气机性能 压气机的主要性能参数有：压比 、质量流量 和绝热效率 压比：压气机出口压力和进口压力之比 压气机绝热效率：每单位质量的空气在压缩到一定压比时，所需的绝热功与

13、实际压缩功之比，写成： 压气机特性：压气机的工况变化时，其压比、转速及效率等参数随流量而变化的关系。压气机性能试验是在一定的环境条件下进行，通过温度、压力、流量等参数的测量，计算压气机增压比、压气机绝热效率随压气机流量和压气机转速的变化关系，即: 利用压气机的流量特性曲线，就可以判断压气机本身的性能是否优越及其工作范围的大小，还可利用它与发动机的耗气特性相配合，来检验压气机与发动机的匹配是否合理。,压气机特性线图：,压气机初步设计,初步设计的目的： 构建整个离心压气机级初步设计计算模型，建立压气机各性能参数和几何参数之间的关系。 优化离心压气机叶轮的几何参数并分析其对压气机性能的影响；建立离心

14、压气机初步设计系统的优化策略。 利用初步计算模型进行具体压气机叶轮的设计计算，模拟离心压气机在设计工况及非设计工况的性能变化，得出计算结果。,设计计算模型 分析模型 设计模型 计算过程：包括压气机进口设计计算，叶轮设计计算，扩压器设计计算和蜗壳计算几个部分，,初步几何参数的确定 相似原理：确定出新的压气机设计流量和转速与叶轮尺寸的关系 修正：考虑到雷诺数的影响，在原型机性能曲线图上相应的做一些修正（进口气体的密度和粘性会有变化）来初步预测设计机型效率的大小。 初步确定：设计中确定几何尺寸时考虑了与原型设计的不同处，如叶片的厚度，圆角弧度等，另外需要考虑到比例缩小尺寸会受到叶轮制造的限制。参考经

15、验数据。,热力参数的优化计算过程 压气机级的参数计算关键步骤主要包括：进口部分的参数设计计算，压气机叶轮的参数设计计算和扩压器的参数设计计算。 进口部分 ： 基本的设计原理是：根据进口速度三角形寻找流量流进的最小的进口相对马赫数。进口处流动损失很大，因此进口结构设计很关键，不同的进口设计，如叶轮进口半径、轮毂半径及进口气流角大小等不同，进口的绝对速度也不同，需要找到最小的相对速度值。在几何设计阶段，通过迭代计算找到适当的几何尺寸满足这个要求。,进口部分迭代计算框图,叶轮部分热力计算框图 主要目的是计算叶轮出口的热力参数和几何参数。 整个计算过程可以决定叶轮的出口直径、出口宽度、叶轮进出口的热力

16、参数以及速度三角形。已知的量有：进口总压、进口总温、流量和压气机压比。经验参数根据实际情况和经验图表分析，取一定的参考值。 迭代工作一直到计算压比达到预期的目标压比为止。另外还需要选择的参数如进口平均速度、进口气流角、转速、出口相对速度系数以及叶片出口角等。 在分析过程中，迭代变量是整个压气机级效率，它用于计算每一步压气机级的压比，这个压比反映了叶轮的性能。,扩压器部分热力计算框图 整个压气机初步设计计算过程比较复杂，包括了将近50个等式，其中包括了简单的迭代如NewtonRaphson迭代过程。 概括整个初步设计过程，通常在开始一个新的设计的初期，需要利用一些相似理论以及一些评估模型进行设计

17、，在接下来的每一部分的计算中进行模型循环的迭代计算，计算结果必须达到所需要的几何参数收敛。 在初步设计过程中，同时需要考虑设计点和非设计点。当设计点的几何参数和性能确定以后，非设计点的性能也可以预测，从而可以设计出整个压气机级的性能预测图。,第一部分：,车用增压器压气机性能与设计方法 引言 车用增压器压气机设计的主要技术发展 离心压气机的性能与初步设计 压气机初步设计几何参数优化,压气机初步设计几何参数优化,叶轮进出口速度三角形 为叶片进口结构角， 为叶片进口相对气流角（习惯用负值）； 为进口绝对气流角（无导向叶片时0）； 为气体进口相对速度； 为进口绝对速度； 为叶轮圆周速度； 为进口径向分

18、速度； 为进口圆周分速度。,叶轮出口速度三角形 为叶片出口结构角， 为叶片出口相对气流角（习惯下用负值表示）； 为出口绝对气流角； 为气体出口相对速度； 为出口绝对速度；为叶轮圆周速度； 为叶轮出口理论圆周分速度； 为实际上的圆周分速度； 为滑移速度； 为出口径向分速度（子午向速度）。,叶轮进口几何参数优化设计,设计条件： 在叶轮的进口造成一个低马赫数，均匀的流场对改善叶轮的进口条件，减少叶轮及其扩压器中的损失将是十分重要的。通过优化调节叶轮进口处的结构参数如：叶轮进口相对直径、轮毂比、轮缘进口段的曲率等，使马赫数最小以达到最佳的进口流动条件。,叶轮进口几何参数优化设计,叶轮进口相对直径 叶轮

19、进口相对直径对叶轮中气体流动影响很大，太小和太大的会恶化叶轮中气体的流动。太大时，叶轮出口直径与进口直径相差很小。由于叶轮进出口的圆周速度平方差 很小，叶轮就未能充分利用离心力来提高压力，只能依靠叶轮和固定元件中的流动扩压来提高压力。同时太大的会增加叶片流道的扩张角，容易引起气流分离，使级效率下降。在一定流量和一定圆周速度下，总能选择一个合适的，以得到最小的相对速度值 。在优化此参数时，可利用最小值的求解法，求出最小时的叶轮进口相对直径。,轮毂比 轮毂比，也称轴径比。通常从确定转子临界转速的观点来确定轮毂比，随着同一根轴上转速的增加，在结构上不得不加大。当轮毂比增大时，w1也随之增大，由以上的

20、分析也知，叶轮的进口流动损失是与成正比例。因此轮毂比增大会对效率产生不利影响。在结构设计过程中应设法避免大的轮毂比。车用中，一般，在转子临界转速允许下，尽量取下限值。,叶轮叶片的主要结构参数设计,在叶轮旋转的条件下，叶片使气体获得能量。所以叶片是叶轮中最重要的构成部分。叶片的主要结构参数有：叶片进口结构角、叶片出口结构角、叶片数和叶片的型线等，这些参数与压气机性能关系都很大。 叶片进口结构角 从叶轮最小损失出发，通常按下式得出的气流进口角值能满足相对速度和叶轮损失最小的条件，一般在5065左右。 叶片出口结构角 在车用涡轮增压器上，特别针对小直径压气机叶轮，为了获得较高的效率以及宽广的流量范围

21、，均采用一定大小的后弯角度，一般在 之间选择。,叶片数 1）叶片数太少，使叶片流道的当量扩张角过大，导致压力梯度高和边界层增厚，使效率下降。 2）叶片数增多，降低了单个叶片上的载荷，因而减少了叶轮出口气流的偏斜。在其它条件相同时，叶片数多的叶轮的滑移系数值比叶片数少的叶轮为高，所以提高了能量头。 3）叶片数过多，会增加气流流动摩擦损失和叶片流道进口处的阻塞，使效率下降。,叶轮出口相对宽度 可以看出，一般小流量的压气机，叶轮出口宽度将较小，大流量的压气机，叶轮出口宽度将较大，然而过小、过大的叶轮出口宽度都是不利的。因为叶轮的宽度将影响到流道的扩张角、扩压度和截面的进口直径等，所有这些和流动损失密

22、切相关。同时，在一定的流量下，叶轮出口宽度还对轮阻损失和泄漏损失系数有影响。叶轮出口宽度过小时，由于水利直径和雷诺数小，致使摩擦损失显著增加，同时泄漏和轮阻损失也增加，使级效率降低。叶轮出口宽度过大时，由于叶片不能适应气流在流道内流动的空间特性，因此会增大扩压度以及分离损失，使级效率下降。,性能初步预测及优化,性能设计变量对级效率的影响,效率和转速的关系，在一些情况下，没有太多的自由度来修改这个参数，因为指示转速由循环分析来决定。在另外一些情况，可以在不同的工作转速进行不同的设计（选择不同的叶轮设计直径）找到最优值。 几何尺寸的比例。通常压气机由于大小、重量、外形空间和结构简单的几何限制，要综

23、合考虑尺寸对效率的影响。 显示的是叶轮的后弯角对效率的影响， 叶轮出口的绝对气流角也是一个设计变量，对这个参数的选择同时要考虑稳定性和性能因素，当这个参数变化时，出口宽度同时也会变化。 叶轮叶片出口叶尖间隙对压气机性能影响也很大。一般情况下，每增加流道高度3的间隙会导致效率1个百分点的损失。 要对整个压气机进行优化设计，所有影响因素都要交互进行考虑,满足不同运行点要求的压气机性能图,在设计点能保证最好的设计性能，同时又要保证其它运行点也有好的性能,需要在压气机特性中不同运行点中进行选择计算。 点F和点G是在最高转速线和50转速线的最高效率点，点B和点E是喘振点，点C是靠近阻塞线上的控制点，通常

24、设计点是选在最高效率点FG线上，以保证设计点的性能要求，但是在预测压气机整体性能特性图时，考虑各种设计准则，可以选择点A作为方便实际设计计算的设计点。利用A点作为大本营，开始相邻点的计算并尽量满足各种准则的要求。通常，多点优化计算需要多重计算和假设迭代计算，并依赖进一步的分析优化。,设计转速压气机性能预测图,压气机性能预测,压气机性能预测,压气机整体性能预测图,压气机几何参数优化,叶轮进口直径对性能的影响曲线图,参数优化,叶轮出口宽度对性能的影响曲线图,参数优化,叶片出口后弯角对性能的影响曲线图,参数优化,叶片进口气流角对性能的影响曲线图,参数优化,叶片出口叶尖间隙对性能的影响曲线图,结论,为

25、了增进压气机性能，可以适当通过调整几何参数来实现，具体集中在如下几个方面的工作： 调整叶片进口气流角和进口直径等，减少进口相对马赫数以减少内部尾迹损失； 通过调整叶轮出口角度和叶片出口宽度减少背流损失； 调整出口绝对气流角，减少滑移量； 合理调整叶片出口叶尖间隙的大小，减少漏气损失和背盘与轮缘摩擦损失的大小；,第二部分：,叶轮设计CAD/CAM技术与设计方法 三维CAD设计技术在增压器零部件中的应用 压气机叶轮三维CAD设计方法 压气机叶轮三维性能仿真计算与分析 增压器叶轮有限元分析 叶轮CAM制造技术,三维CAD技术在增压器零部件设计中的应用,增压器零部件设计方法 传统设计方法 现代设计方法

26、： 优化设计、可靠性设计、有限元法、动态设计、计算机辅助设计、人机工程、并行工程、相似性设计、反求工程设计、建模和仿真技术、面向X的设计 二维CAD设计方法：Autocad 三维CAD设计方法：Pro/E,、Solidworks、UG、I-DESA 等,增压器零部件三维设计图,压气机涡壳,压气机叶轮,中间体,浮动轴承,增压器零部件三维设计图,涡轮蜗壳,涡轮叶轮,增压器零部件三维设计图,参数化设计,定义：参数化模型的尺寸用对应的关系表示，而不需要用确定的数值，变化一个参数值，将自动改变所有与它相关的尺寸。 特点：通过调整参数来修改和控制几何形状，自动实现产品的精确造型；存储设计的整个过程，能设计

27、出一族而不是单一的产品模型 ； 类型： 基于几何约束的变量几何法 基于几何推理的人工智能方法 基于构造过程的参数化方法 基于辅助线的参数化方法 基于图形的参数化方法,增压器零部件三维装配图,零部件三维虚拟装配,增压器零部件三维装配图,增压器装配图,轴系装配图,增压器零部件三维图转工程图,零部件设计数据库管理系统,参数化零部件管理：将数据库技术和工程实际相结合，把增压器零部件的参数化原型图及其数据分别存入图形库和工程数据库，通过将对象模型映射到关系数据库，实现零部件参数化图形的创建、检索、调用、添加、修改等功能。 系列化设计：系列化涡轮增压器的开发过程为：基型设计确定相似类型确定参数和尺寸级比计

28、算导出产品的参数和尺寸调整校核计算结果确定结构尺寸和参数完善技术文档输出生产所需图纸。因此，涡轮增压器的基型设计和参数化图库的建立是实现增压器系列化设计的关键，而参数化系统就特别适用于系列化产品的设计。,零部件数据库管理系统,利用三维参数化绘图软件Solid Works等三维绘图软件进行涡轮增压器系列化产品的设计及参数化图形入库工作，这样用户可以从图库中调出零件图，通过更改尺寸参数得到一系列不同尺寸的增压器的零件图。 在机械CAD中，应选择适当的方法处理设计参数。对一些简单数表和线图，可采用公式化或程序化的方式处理，而对于数据量大的设计参数，采用数据库存储和管理则更为有效。采用数据库存储数据时

29、具有最小冗余度，可为用户共享，数据的存储与使用数据的程序互相独立。采用数据库对一些大型表格进行处理，可避免编写程序读取和检索大量数据。 涡轮增压器工程数据库设计的最终目标是为涡轮增压器设计提供数据服务的，因此数据的管理功能和对整个设计过程的支持是对数据库的基本要求，根据涡轮增压器设计数据及管理的特殊性及涡轮增压器设计流程的特点设计涡轮增压器数据管理系统，按涡轮增压器系列化、通用化、标准化特点，建立涡轮增压器图形库、尺寸数据库和设计公式库三大数据库。,参数化设计数据库设计流程,Access建立数据库,建立表的关键是字段的设计、主键的选择 性能参数表 尺寸参数表,增压器零部件数据库管理系统实例,第

30、二部分：,叶轮设计CAD/CAM技术与设计方法 三维CAD设计技术在增压器零部件中的应用 压气机叶轮三维CAD设计方法 压气机叶轮三维性能仿真计算与分析 增压器叶轮有限元分析 叶轮CAM制造技术,压气机叶轮三维CAD设计方法,车用压气机叶轮几何设计特点 前倾后弯型叶轮 ： 叶片弯曲方向与叶轮旋转方向相反，叶片出口角小于90； 叶片出口段向叶轮的旋转方向倾斜，使出口气流沿叶轮轴向分布更为均匀，进一步提高了后弯的效果； 具有效率高、流量范围宽的特点 几何设计方法,Bzier 曲线曲面成型理论基础 在压气机叶轮设计领域中，Bzier曲线是应用最广的曲线； 通过表面形状的定义可以使各种形状变得可控化及

31、系统化，且可以连续地衍生出各种要求的形状； 参数方程可以使得叶片与流道的坐标都很容易得到，次数不太高也有较多自由度、其形状不依赖于坐标系的方位、处理大挠度的情况时没有困难； 在流动计算、强度计算及大规模制造过程中容易进行合适的调节； 利用Bzier曲线和曲面设计特别适合于引入到计算机辅助的设计过程,Bzier曲线是一条用参数方程描述的空间曲线，这种曲线由空间一系列的点描述，在空间给定个点,曲线方程就可以随即确定。 当 时，Bzier曲线为一次Bzier曲线，它实际上就是线性组合方程： 二次Bzier曲线方程为： 次Bzier曲线是由下面参数方程表示： Bzier 曲面表达式,直纹面叶片几何成型

32、方法,在叶片曲面设计之前，子午流道的形状已经确定。 在子午流道范围内，确定叶片对应轮毂和轮缘的导向边缘和尾迹边缘位置四个参数值。 设计沿着轮毂和轮缘子午线距离的叶片分布角度， 确定沿着轮毂和轮缘的中间流线位置。 确定叶片厚度分布，确定吸力面和压力面按照叶片厚度分布规律。 选择曲面片的数量和曲面片的坐标以及沿叶片曲面的分布情况，进行每个曲面片内部控制点的计算，确定整个曲面的方程。, Bezier曲线设计的叶型曲线,可展直纹面叶片几何设计研究,直纹面与可展曲面 高斯曲率： 可展条件：直纹面每一母线上所有点的切平面相同。,可展直纹面叶片的构造条件,Bzier三阶线性曲面片直纹面表示成：,边界曲线,叶

33、片可展直纹面的条件为：,Bzier三阶线性曲面片可展的充要条件,偏移可展直纹面叶片的设计,新的边界Bzier曲线,Bzier直纹曲面同样可展偏移后条件,数学求解,假设,因此,控制点的求解方程：,控制点解：,直纹面叶轮三维CAD模型,三维CAD建模三维CAD软件Pro-E、Solidworks、UG、Catia等。,J76,J80,前倾后弯自由曲面叶片设计过程,自由曲面叶片设计方法介绍 定义：对于自由曲面， 曲面的两族等参数线： 线和 线均为自由型曲线。 降低空间维数 蒙面法 设计截面曲线 设计脊线 变换截面曲线到三维空间 生成曲面,截面曲线,截面曲线沿脊线变换,生成曲面,自由曲面叶片设计,设

34、计 框 图,叶型脊线的求解,沿叶型脊线上叶片厚度变化 等截面上沿叶片截面曲线厚度变化,子午流道底弧顶弧的设计,子午流道底弧示意图,子午流动调节示意图,自由曲面叶片三维几何设计,叶型脊线设计 叶片截面曲线设计 子午面设计,自由曲面叶轮三维模型,J80,J45,第二部分：,叶轮设计CAD/CAM技术与设计方法 三维CAD设计技术在增压器零部件中的应用 压气机叶轮三维CAD设计方法 压气机叶轮三维性能仿真计算与分析 增压器叶轮有限元分析 叶轮CAM制造技术,三维性能仿真流动计算与分析,目的 根据给定的几何形状求出叶轮内部流场，通过流场计算，进一步了解叶片表面和叶轮流道中的压力和速度分布情况，并考虑它

35、们对性能的影响，以此来修正叶轮的形状、完善叶轮的设计。 叶轮内部准确的流场分析对于达到压气机性能目的来说是必不可少的。 离心压气机内的气流,是一种粘性可压缩三元非定常流动,内部流动相当复杂，必须通过叶轮内的三元流分析理论，建立一定的数学模型和计算方法，并借助于计算流体力学（CFD）分析工具来进行分析。 利用CFD软件对具体设计叶轮内的流场进行计算和分析，了解并分析叶轮内部的复杂流动规律。通过对性能仿真和计算结果的分析，对叶片几何设计形状进行调整。,压气机内三元流动情况分析,压气机内部实际流动是三元流动 实际气体具有粘性 压气机内部流场具有复杂的边界条件 压气机内部实际气体流动都是非定常 在一般

36、情况下，实际气体都是可压缩的非理想气体 气流分离 叶轮内尾迹射流现象,叶轮内流动计算的数学模型,连续方程式 运动方程式 能量方程 状态方程 湍流模型 代数型模型 二阶封闭 模型 解算方法 完全三元流动解法 CFD软件,叶轮CFD流动计算过程,第二部分：,叶轮设计CAD/CAM技术与设计方法 三维CAD设计技术在增压器零部件中的应用 压气机叶轮三维CAD设计方法 压气机叶轮三维性能仿真计算与分析 增压器叶轮有限元分析 叶轮CAM制造技术,压气机叶轮有限元强度分析,目的 叶轮有限元分析的必要性：整个增压器可靠性的关键 通过设计叶轮有限元分析结果，讨论了离心压气机叶轮应力集中的位置。计算了不同的几何

37、参数如轮毂，轮背的形状、叶片几何的形状参数、叶片倾斜和后弯角度、叶片厚度以及叶片表面与轮毂面圆角的变化对应力分布的影响，研究如何进行几何参数的修改来减小集中应力。 叶片气动载荷和温度场对压气机叶轮应力的影响。 材料特性对叶轮强度的影响。,有限元强度分析,压气机叶轮应力特点 高速旋转所产生的离心力 气动力产生的压力载荷 热应力 叶轮强度计算方法 有限元计算方法：它实际上是一种偏微分方程的通用数值解法，它通过几何近似和物理近似的条件将结构离散化，把微分方程的连续形式转化为描述等效集合体性态的代数方程组，通过对单元的特征分析与集合，对物理模型进行求解的一种数值解法。 几何分析特点: 典型的空间轴对称

38、元件，不但是几何形状轴对称, 而且一般作用在它们上面的载荷和约束也是轴对称的，计算中， 将叶轮简化为空间轴对称的问题来处理 叶轮的强度问题的解决是空间(三维)有限元的任务。根据叶轮结构的轴对称特点, 可将回转体划分成由有限个互不重迭的横截面为三角形的环状单元组成, 一般在分析时, 通常用回转体的子午面代表回转体, 用子午面的三角形单元的离散化来代替回转体的三角形环状单元的离散化。,有限元强度分析,有限元工具 目前一般都是利用一些通用和专业软件进行叶轮内的有限元分析，如利用CAD软件Pro/E，Solidwork等可以进行建模和网格划分，利用COSMOS、ANSYS、NASTRAN、ABAQUS

39、、MECHANICA等软件可以进行进一步的有限元应力分析或振动分析。,叶轮强度分析过程,叶轮有限元几何模型前处理 叶片几何形状参数的输入 叶轮的有限元分析为空间轴对称元件 模型输入：平均切块的包括单个长叶片和短叶片的叶轮模型,叶轮轮毂和轮背的结构形式 几何定义时需要给定轮毂、轴孔、轮背的几何尺寸作为分析的基础 几何边界条件的定义 轴孔的约束形式必须选择，并且要和实际的叶轮的支撑形式相吻合。 网格划分 先划分粗网格，得到初步结果后对于那些应力集中处再进行更精细的划分，会得到较准确的计算结果。在叶轮的网格划分中，需要分别对轮毂和轮背位置、叶片沿流线和法向、圆角、厚度等位置进行仔细划分。,压气机叶轮

40、材料特性 材料特性要求 ：高强度和高密度比 ；在某些情况还需要高防腐蚀和侵蚀能力。 轮盘和叶片：疲劳强度也很关键，材料还要求具备好的韧性和刚性。 加工方法对材料的要求： 铸造铝合金Al-C335 T-61 ：用在增压器叶轮出口速度大约为470m/s的场合，相应的压比约是3到3.5。 煅铝Al 2618 T-61 ：具有较好的高温强度特性，可以到达150180；出口速度接近520m/s，相应的压比达到4.5 钛合金有Ti 6Al-4V ：良好的高强度与重量比，适合更高的温度场合；高的疲劳强度和抗腐蚀能力高温下显示了更好的强度特性以及更高的疲劳特性；,常用压气机叶轮材料的特性 (常温下) 特性随温

41、度的变化特性：对于高压比来说是很重要,压力和温度载荷的处理 读出所需的沿着叶片表面及子午面的压力、温度、速度以及气动参数特性等， 压力值可以直接运用到固体模型的外表面节点上，其中沿着流道和叶片的压力值可以从流场文件中读出，叶轮轮背、轴孔和轮缘外表面的压力可以输入。 热信息的考虑可以在固体模型的外表面的对流边界条件中应用，从流场的文件中读出沿着流道和叶片的边界对流温度，轮背、轴孔和轮缘外表面的的对流边界温度可以输入到计算中。 流道、叶片前缘和轮背以及外轮缘外表面的对流系数必须分别计算。各部分的热传导系数也各不相同的，在设定边界条件时，压力和对流边界条件可直接运用到叶轮的前表面和沿着轴孔到叶轮的后

42、表面到轴肩位置。,叶片的压力和温度分布载荷,轮背的气动载荷设置,轮毂边界条件的气动载荷,热传导系数分布,计算结果分析和讨论,叶轮应力分析结果,应力分布,加载作用力,节点应变矢量图,应力集中区域 围绕轮毂轴孔的区域峰值应力，在轮盘处有较高的轴孔应力。 在叶片和叶轮底部的过渡区域存在高弯曲力矩。在后弯叶片的尾缘，靠近叶轮的外径处，有着较高的叶片根部弯曲应力。 在主叶片前缘根部；最大应变在主叶片的前缘叶尖位置。,轮背的形状对应力的影响,叶片形状对应力的影响,叶片出口后弯角 叶片倾斜角,叶片出口厚度 圆角的变化：固定园角，变园角,变圆角,固定圆角,叶片载荷对应力的影响 材料对应力的影响 （极限转速下）

43、,未加入气动载荷,加入气动载荷,n100000rpm,n130000rpm,叶轮有限元强度分析结论,轮毂轴孔应力为主要集中应力处，轮毂在高的出口速度时，轮毂的断裂会进一步导致涡壳受到损坏，从而影响运行的安全。 需要采取更多的结构上的措施来进一步减少应力的大小。调整叶片高度，后弯曲率，叶片厚度等。优化后弯角和前倾角。 材料的应用对于叶轮的寿命影响很大，主要体现在应力极限和疲劳强度的影响。,第二部分：,叶轮设计CAD/CAM技术与设计方法 三维CAD设计技术在增压器零部件中的应用 压气机叶轮三维CAD设计方法 压气机叶轮三维性能仿真计算与分析 增压器叶轮有限元分析 压气机叶轮CAM制造技术,压气机

44、叶轮的CAM制造技术,设计高性能的压气机叶轮是与先进的制造工艺分不开的。压气机叶轮制造方法从最初的分片金属母模和传统的石蜡精密铸造发展到整体金属母模硅橡胶低压铸造，经历了不同的发展阶段。 对叶轮的结构与制造工艺特点进行分析，讨论利用不同制造方法制造叶轮的过程，重点研究制造整体叶轮金属模具的两种方法：快速成型法和五轴联动铣削加工法。 研究快速成型法成型原理以及如何利用它制造叶轮的过程。 针对直纹面，可展直纹面以及自由曲面不同几何成型方法的叶轮五轴加工特点，提出针对不同的叶片曲面几何采用的不同加工方法和策略。,压气机叶轮的制造技术,叶轮类零件结构制造特点 高旋转速度下工作的零件 叶轮基本构成型式是

45、由若干叶片均匀分布在轮毂上，相邻叶片之间形成叶片间的流动通道 叶片表面的形状非常复杂，叶轮叶片又较薄，制造中会产生大量的工艺问题,有良好的制造方法，还要有良好的工艺作保证 车用涡轮增压器压气机叶轮，叶轮直径小，采用长短叶片相间结构和前倾后弯几何型式，制造难度更大。,压气机叶轮的制造技术,制造方法 精密铸造方法 快速成型方法 原理：分层堆积成型原理 在压气机叶轮模具的成型过程中主要利用了SLS（Selected Laser Sintering）方法，即利用树脂、蜡、塑料、陶瓷或金属等的粉末通过激光束的照射使之烧结、熔化、固化而层积成立体模型。 过程,压气机叶轮的制造技术,快速成型方法 特点：由于

46、速度快、周期短，特别适合在叶轮新产品研制完后正式投产进入市场前的小批量样件或针对某种叶轮的改型设计试制等 可以生产成品叶轮，但用于大量生产成本较高，并且在制造过程中，耗损率较大，叶轮表面的质量也需要做一定的后处理。 从实际加工的情况看来，加工出叶片厚度较设计的厚，对于叶片薄，直径小的叶轮，局部加工精度还有待提高 快速成型法用于开发新产品的试验叶轮来说不失为一种快捷、简单而且实用的方法，随着快速成型技术的提高和材料的进步，它会在压气机叶轮制造领域占据一定的地位。,快速成型技术,五轴加工方法,加工特点： 不同叶型的加工策略分析 直纹面叶型的加工 侧铣法 ：利用刀具的侧刃进行切削，刀轴方向一般与曲面

47、法矢保持垂直。 加工小直径叶轮的困难：过切和让刀现象 可展直纹面 侧铣法可以精确加工可展直纹面,五轴加工方法,不同叶型的加工策略分析 自由曲面叶片的加工 端铣法：不存在侧铣法中的过切现象，因此可以保证叶轮的加工精度。在生成具体的刀路轨迹时，可以根据要求生成所需要的轨迹形状，可以避免刀痕对气流的影响。这样不仅可以提高压气机的气动性能，还可以提高端铣法的加工效率。大大减小加工中的让刀现象 端铣法的主要缺点是加工效率较低些。,叶轮加工编程步骤,定义材料块 加工外廓表面 粗加工流道 半精加工流道 精加工叶片表面 精加工叶片轮缘曲线,叶轮五轴加工的加工程序,刀具选择： 加工边界的确定 加工策略的选择 叶

48、轮五轴加工技术总结,利用Powermill，Hypermill等专业软件，可以进行叶轮的五轴加工编程，在专门的快速五轴机床上进行加工，可以加工叶轮成品和叶轮模具,五轴加工的叶轮模具,五轴加工叶轮技术的应用特点,五轴加工成本较高，但加工质量更能满足性能的要求，利用精确的算法来有效的去除通道的材料，精确加工叶片表面的形状，可以在数小时内完成叶轮模具的加工过程，能满足对叶片厚度和表面质量的要求和叶片自振频率分散度的要求。 近似可展直纹叶片叶轮尽量采用侧铣法加工，因为其生产效率高、经济性好，更符合大批量的实际生产要求。对于自由曲面或非可展直纹叶片的小直径叶轮加工可以采用端铣法来加工，虽然加工效率较低，

49、但是却能保证良好的加工质量并且不受叶型的影响。 利用五轴加工生产出来的压气机叶轮整体模具，可以满足叶轮表面质量和动平衡的要求，在设计和研制新的压气机叶轮过程中，可以在计算机中设计不同形式叶轮叶型参数，通过编制加工程序在五轴联动机床直接加工整体压气机叶轮，就可以快速试制出多个不同类型的压气机叶轮，直接进行性能对比试验，并可从中优选出性能最佳的设计。在叶轮模具确定后，再制造出大批量生产用的模具，这样可以节省大量的制模时间和经费。 五轴加工技术还可以用于直接加工有特殊材料要求的压气机叶轮成品。例如，对于高压比、高可靠性的涡轮增压器压气机叶轮，叶轮材料性能的要求已达到了铸造铝合金的极限，就必须采取更高

50、性能的合金材料如锻铝合金以及钛合金等，采用传统的铸造方法无法实现，就必须采取五轴加工的方式。,第三部分：,压气机叶轮设计与制造应用实例 J76涡轮增压器压气机叶轮的开发实例 汽油机增压器压气机叶轮开发实例,应用实例,J76涡轮增压器压气机叶轮设计实例 设计背景 初步设计 三维CAD设计 CFD流动计算 FEA强度分析 CAM加工 试验测试与结果分析,J76涡轮增压器压气机叶轮设计实例,设计背景 选用Honeywell（Garrett）上海涡轮增压系统有限公司生产的TBP4涡轮增压器上进行,表一：TBP4增压器所匹配发动机,设计点参数选择,J76是为大连柴油机厂6113BZS配套所设计的涡轮增压

51、器，压气机叶轮出口直径76.2mm。 匹配要求：主要是为了满足低速大负荷的要求，压气机整个高效区靠近低速大负荷区域。 设计转速：80000r/min 压气机空气流量=0.2kg/s；压比1.7； 环境压力=101000Pa；环境温度=293K。,设计目标和设计方案,总的设计目标： 重新设计针对6113BZS发动机涡轮增压器的TBP4压气机叶轮，进行性能实验与原机进行对比，得出实验结果进行分析。 具体设计方案： 分析原机发动机和增压器的匹配性能图，确定设计和计算点的压比，流量和转速参数。 设计压气机叶轮的主要配合外型尺寸参考原叶轮，如外径，内径，轮毂直径，外弧和轴向长度等。对原增压器叶轮进行三维

52、坐标测量，测量计算轮毂，轮缘型线和叶片角度分布值等。,确定压气机的设计数据进行初步设计和性能预测计算。 确定压气机叶轮的三维几何造型，如底弧，顶弧的设计，叶片厚度的分布，叶片角度的分布等。计算叶片载荷分布以及叶片相对速度和相对马赫数的分布等。 压气机叶轮的三维CFD性能预测和流动计算，进行压气机性能预测和详细流动分析。 压气机叶轮三维CAD造型输出至快速成型加工文件。 加工成型出叶轮铝轮，对铝轮进行机加工以及动平衡。 进行新设计叶轮压气机性能实验。 实验结果与设计，预测对比，进行分析得出一定的设计经验。,叶轮初步设计及性能预测计算,设计叶轮的子午外形图,几何参数选择： 叶片进口角：-62度；

53、叶片出口角：-35度， 叶片进口轮缘厚度：0.7mm 出口轮缘厚度：0.8mm 叶片与扩压器的叶片 顶尖间隙为：0.3mm 无叶扩压器出口高度 R63mm 涡壳喉口直径D41mm,进口速度三角形,出口速度三角形,效率特性,压比特性,设计叶轮整体性能预测图,设计叶轮三维CAD几何设计,J76设计叶轮直纹面叶片三维几何设计 子午面底弧和顶弧的设计,叶片角度分布的设计 与叶片的相对速度以及叶片载荷的关系 叶片的厚度分布设计 合理的叶片厚度分布对于叶片的强度和载荷分布有影响,叶片的速度及压力分布,短叶片的修改 叶轮三维几何模型,叶轮三维CFD流动计算,叶轮几何的调入 导入后的三维模型的子午面, 叶片三

54、维图, 以及轮毂和轮缘截面的图。,叶轮网格的划分 Butterfly和I型网格,边界处网格分布情况,叶轮三维网格划分示意,网格划分质量评价,流动计算 物理模型的选择：空气作为流动介质，模型选择的是热力学理想气体 数学模型 ：牛顿Navier-Stokes方程的湍流流动模型 湍流模型 ：B-L模型,边界条件 ： 进口参数 ：进口总压，总温以及进口气流角 出口边界 ：给定出口静压或给定质量流量 固体边界：分别定义叶轮的轮毂，轮缘及叶片的旋转速度,数值模型 时间离散化：4-5阶Runge-Kutta法 空间离散化：中心的空间离散方案。 多重网格数： 精细网格为三重的网格数,收敛性判定,计算结果收敛性

55、的判定准则 （1）流量平衡，进出口流量差别必须稳定，误差率低于1%。 （2）全球质量因素（效率，压力）等参数变化率小于1%。 （3）和最大值比，总体残差值必须至少小于3阶。,收敛性判定,CFD计算不收敛的情况总结 如果在计算初期就出现无法运行 如果在迭代过程进行了一半左右，结果就出现了分歧 如果计算在迭代运行的末期出现了分离 如果计算的结果与初期所给定的参数相差很大，或者没有达到初期设计要求 为了提高计算的效率,利用CFD计算结果对叶轮几何调整,轮毂,轮缘,中间流线,轮毂,中间流线,轮缘,(a) 修改前 (b) 修改后 J76吸力面出口流动情况,(a) 修改前 (b) 修改后 J76相对速度分

56、布情况,叶轮几何调整,子午流道轮毂、轮缘曲线的调整,(a) 修改前 (b) 修改后,轮毂,轮缘,轮毂,轮缘,设计叶轮流场计算结果,速度场计算结果：,压力面、吸力面,轮毂轮缘面,J76设计叶轮相对速度流场分布图,J45叶轮子午面,J76叶轮叶片间周向面,J76吸力面上马赫数分布图,J76压力面上马赫数分布图,叶轮流道相对速度矢量分布,子午面,轮毂至轮缘截面,中间流面,吸力面,压力面,压力面出口流动情况,吸力面出口倒流,轮缘间隙流动情况,压力场分析,叶片表面静压分布图,子午面,压力面,吸力面,J76设计叶轮子午平均流面沿周向方向吸力面和压力面静压分布,J76设计叶轮子午平均流面沿流线方向吸力面和压

57、力面静压分布,叶轮流动分析总结,应保持叶轮内合理的马赫数分布，避免存在着局部超音速区，以避免过大的激波损失。 应避免出现负速度区，防止倒流的出现。防止产生脱流损失，加剧二次流，发生气体分离。 沿整个流道的流动方向应避免过大的逆压梯度。避免出现气体分离。沿流动方向的速度分布线不应有大的起伏，尤其对于轮缘部分更应注意。 应避免横向过大的压力梯度，特别是在轮缘处，因为它将导致叶轮内二次流的产生、附面层的堆积、间隙能量损失的增大，严重时会改变叶轮内的流动状况。 结果证明，附面层的分离与扩展主要发生在叶片吸力面，所以改善吸力面上的流动状态，以达到最佳流速分布是设计应考虑的最重要因素。,J76性能仿真结果

58、,叶轮有限元计算,叶轮几何前处理 叶片几何形状参数的输入 叶轮轮毂和轮背的结构形式,几何边界条件的定义 网格划分,计算结果分析和讨论,叶轮应力分析结果,应力分布,加载作用力,节点应变矢量图,应力集中区域 围绕轮毂轴孔的区域峰值应力，在轮盘处有较高的轴孔应力。 在叶片和叶轮底部的过渡区域存在高弯曲力矩。在后弯叶片的尾缘，靠近叶轮的外径处，有着较高的叶片根部弯曲应力。 在主叶片前缘根部；最大应变在主叶片的前缘叶尖位置。,轮背的形状对应力的影响,叶片形状对应力的影响,叶片出口后弯角 叶片倾斜角,叶片出口厚度 圆角的变化：固定园角，变园角,变圆角,固定圆角,叶片载荷对应力的影响 材料对应力的影响 （极限转速下）,未加入气动载荷,加入气动载荷,n100000rpm,n130000rpm,叶轮有限元强度分析结论,轮毂轴孔应力为主要集中应力处，轮毂在高的出口速度时，轮毂的断裂会进一步导致涡壳受到损坏，从而影响运行的安全。 需要采取更多的结构上的措施来进一步减少应力的大小。调整叶片高度，后弯曲率，叶片厚度等。优化后弯角和前倾角。 材料的应用对于叶轮的寿命影响很大，主要体现在应力极限和疲劳强度的影响。,叶轮的制造与装配,快速成型加工方法 CAD模型STL文件快速成型机叶轮蜡模浇注叶轮毛坯铸件 叶轮毛胚机加工 按照严格的装配