渦輪增壓機的案例
Fluent仿真實例：渦輪增壓機流場仿真
渦輪增壓機，葉片的轉速是28,000 RPM，空氣進口溫度是302.6K，進口流量是1500 SCFM，壓力出口總壓是153507 Pa。
渦輪增壓器的網格劃分分成3部分：進風管道、葉片和蝸殼。分別獨立劃分網格，需要在交界面處網格加密，有利于交界面的數據精確傳遞。
渦輪增壓機的葉片如下：
1、啟動軟件導入網格
1.1 啟動Fluent軟件，選擇3D求解器。
1.2 導入網格。
重排網格分區，操作：Mesh > Reorder > Domain。
2、模型設置
設置湍流模型為k-epsilon模型。
3、材料設置
渦輪增壓機的轉速很快，會對空氣進行壓縮并產生熱量，所以這里將空氣設置為理想氣體。將空氣設置為理想氣體，軟件會提示將能量方程啟動。
4、計算域設置
首先設置轉速的單位，菜單欄Define > Units…
由于葉片區域是旋轉的，需要設置impeller區域。
在打開的設置頁面設置如下。
5、邊界設置
5.1 進口inlet邊界，Type設置為mass-flow-inlet類型。
5.2 出口outlet，Type設置為pressure-outlet類型。
5.3 葉片旋轉邊界impeller_wall，Type設置為wall類型。
5.4 其他的壁面設置，shell_wall和windin_wall，即所有與周圍空氣接觸的壁面。由于增壓機壁面會和周圍環境對流換熱，這里將對流系數設置為10 w/m2-k。
展開 案例分享 | 基于?？怂箍导夹g的渦輪增壓風力發電機設計與分析
H2O Turbines Ltd 是英國渦輪增壓風力發電機技術專家。該公司已經建造了一個創新的3KW家用渦輪機，該渦輪機使用專利技術將風能轉化為熱能和電能（圖 1）。該渦輪機足夠小，無需規劃許可即可安裝在后花園中，并將旋轉運動能量轉換為儲存的熱能。簡單來說，當風吹來時，渦輪機的頂部開始旋轉，旋轉軸進入渦輪機的底部進行運轉。渦輪機不使用電氣元件，在運行和發電過程中不燃燒碳，也不使用貴金屬。為了提供更多的清潔熱能，這項技術的升級及推廣計劃正在有序進行中。英國的 DOCAN 是一家先進的工程咨詢和 CAE 軟件分銷公司，一直為H2O Turbines 提供工程支持，支持原型開發和 FEED（前端工程設計）項目。他們一直使用?？怂箍档能浖图夹g支持這種創新的新型可再生能源系統的開發。
圖 1：渦輪系統的 3D CAD
海克斯康于 2018 年收購BRICSCAD，用于生成新型渦輪系統的 2D 和 3D 幾何并提供 3D 可視化。
將 MSC Apex 應用于幾何形狀處理，以便對葉片結構的不同配置進行快速的結構研究。通過中性面提取、網格劃分和運行分析，可在幾分鐘內完成固有頻率分析（圖 2 和 3）。這一部分對于設計很重要，避免在風載和運行下激發固有頻率。
圖 2：使用 MSC Apex 進行幾何清理
圖 3：固有頻率分析
事實上，H2O 渦輪機將風能轉化為機械能，然后再轉化為熱能。
為了將能量從渦輪機傳輸到加熱系統，將使用大型行星齒輪系統。
因此，不僅需要正確設計和確定齒輪組件的尺寸，還需要確定可以傳遞到加熱系統的機械能。
能量傳遞和系統動力學分析在Adams中完成（圖 4 和圖 5）。
展開 基于SimSolid的渦輪增壓器配機試驗的減振分析
Turbo-trail vibration simulate based on SimSolid.pdf
分析簡介：
分析目標：由于試驗需要，增加 EGR 系統及適配器，導致整個系 統伸出量很長，在發動機運行試驗過程中，估計會導致振動幅度 過大和零部件失效。試通過計算找出強度薄弱位置，和伸出端的 支承建議方案。
分析手段和類型：1）靜力分析，快速找出結構薄弱位置；2）模態分析及隨機振動響應分析，對比各個支承方案的減振效果。
具體分析結果：見附件。
使用心得：
簡潔高效，減少工程師對工具熟悉和建模的工作量，人工效率和計算效率都極大的提升。我在3天之內一邊學習一邊嘗試十多種設計方案的求解，這是傳統有限元即使是熟練工程師都難以做到的。
特別適用于大規模復雜裝配體，對幾何缺陷和裝配容差的容忍度較高。這在傳統有限元中是非常大的挑戰。
精度方面做過一些案例對比，總體分布趨勢和數量級和傳統有限元結果差別不大，局部會有較大差異，但仍不失為一款優秀的CAE工具，尤其在產品概念階段或定性分析是一個非常強大高效的工具。
在數據導入導出及結果后處理功能上還有待完善。
祝愿SimSolid功能日益強大，早日拓展到電磁、聲學等多物理場分析。也希望數據處理功能更完善簡潔，讓CAE更簡單高效，讓工程師脫離枯燥繁重的建模工作，更多注意力在產品設計和優化上。
展開 Toyota Motorsports 通過 Fidelity 提高渦輪增壓器壓縮機效率
專門從事賽車發動機的高科技開發，渦輪增壓器組件已經是最先進的。為了進一步提高性能，豐田必須依靠傳統的試錯程序和原型之外的東西，因為這些東西的周轉時間太長了。與手動實現相比，數值優化使工程師能夠探索和評估更多的設計備選方案。
轉向數值優化的另一個原因是，壓縮機葉輪的設計工作已經非常接近它們所用材料的結構-機械極限。大多數形狀變化會立即導致超出可接受的壓力水平。僅考慮空氣動力學行為的優化并不能保證最終設計在結構上也是可行的。需要同時進行包括空氣動力學和結構力分析在內的優化。換句話說：將計算流體動力學 (CFD) 與計算結構力學 (CSM) 模擬相結合的多學科優化。
耦合 CFD-CSM 工作流程
本文將介紹用于廢氣渦輪增壓器的離心式壓縮機的多學科 CFD-CSM 優化。所研究的壓縮機級包括一個帶六個主葉片和六個帶無葉片擴散器的分流葉片的徑向葉輪。要實現兩個空氣熱力學目標、一個結構力學目標和兩個空氣動力學目標：
增加等熵效率
相同或更高的絕對總壓比
與原始幾何形狀相同的扼流圈質量流量
向失速裕度方向擴展操作范圍
最大 von Mises 應力低于極限
CFD 和 CSM 模擬被集成到 Cadence 的Fidelity Optimization中的單一優化工作流程中。每個新設計首先由 CSM 求解器進行結構檢查，只有那些不超過最大 von Mises 應力的設計才會被納入更耗時的 CFD 過程。結構上不可接受的設計被輸入到學習數據庫中以驅動優化器。
參數化和網格劃分
共有 154 個參數定義了葉輪、經向通道和實體。然而，定義葉輪輪轂殼的參數與基本設計保持不變，以排除許多結構機械不可行的設計。并且為了進一步減少自由參數的數量，也沒有修改沿弧度曲線的厚度分布。
展開 
GT-Power建模--汽車機械、渦輪增壓兩級增壓仿真分析 ￥300
"GT-Power 專業的發動機及車輛仿真軟件，本文作者根據客戶要求，利用GT-Power建立機械增壓+渦輪增壓兩級增壓的乘用車仿真模型，分析兩種增壓方式及兩級增壓對車輛性能的影響"
詳細分析及模型：QQ315673349
一、不帶渦輪增壓的自然吸氣發動機仿真
1、仿真模型
2、仿真結果
2.1功率：
2.2扭矩：
2.3油耗率
3、簡要分析
自然吸氣發動機，最大功率108kW最大扭矩186.8kW。在2000至3000RPM公開燃油消耗率最低為280g/kWh
展開 從飛機坦克到汽車 渦輪增壓以何站穩C位
電子增壓器作為博格華納最新的創新型電氣化解決方案，成為傳統渦輪增壓系統的絕佳補充，大幅提升燃油經濟性并降低排放。eBooster?電子增壓器集成了電子器件，由電機驅動，目前其第一代產品需與渦輪增壓器共同工作。eBooster?技術配備了無刷直流電機和釤鈷磁體，具有出色的效率，其電機還采用了球軸承技術，不需任何的油路供給，可以自我進行潤滑。除靈活安裝外，該技術還可減少尾氣中的熱質量，從而加快后處理系統的加熱速度。
電子增壓技術也可以讓48V中混的發動機有更好的性能，可滿足更嚴苛的排放和油耗水平, 廣泛應用于混動車輛。據蓋瑞特高級創新技術總監Robert Cadle透露，目前，蓋瑞特已經開發了第二代空氣壓縮機，該產品具有低慣性空氣動力學和連續運行特點，能夠以更高的輸出功率實現電動增壓。第二代電動壓縮機僅需250毫秒即可達到最高轉速的90％，極大提高低速扭矩，改善整車提速性能，提升駕駛樂趣，并可減少二氧化碳排放量。據了解，蓋瑞特48V電動壓縮機可幫助傳統的渦輪增壓發動機縮短實現目標扭矩的響應時間10-15%，加速更快，并幫助整車燃油經濟性提升10-15%。
在電動壓縮機的基礎上，蓋瑞特推出了電動渦輪增壓器。電動渦輪可以在發動機低轉速時就啟動，為發動機提供充足的進氣量，解決傳統渦輪增壓在低轉速情況下所帶來的遲滯現象。相比機械增壓與渦輪增壓的組合，電動渦輪增壓器通過廢氣旁通渦輪增壓器和高速電機的集成，擁有成本低、體積小的優勢。對此，Robert Cadle指出：“電動壓縮機是和我們傳統的渦輪增壓器配套使用的，而電動渦輪增壓器可獨立使用。電動壓縮機可應用于48V電機驅動混動汽車，電動渦輪增壓器是的集成性更好，其將電機、壓縮機和驅動系統融為一體，不僅布局更容易也更有成本優勢。”
展開 應用CFD提高增程式電動車的渦輪增壓器的效率
Kishishita先生的其他設計目標之一是使渦輪增壓器蝸殼更薄。當氣體進入和離開蝸殼時，熱量通過熱傳導流失到外部環境。熱損失的數量取決于蝸殼的位置 。ACR通過使蝸殼變薄和用隔熱材料包裹它以減少熱傳導來最大限度地減少熱損失。人們認為這樣做的作用類似于提高渦輪機的效率，ACR的工程師們將使用CFD模擬來進一步評估這一點。
ACR還利用熱流體模擬來設計和開發催化裝置。他們利用模擬來評估新催化劑和材料的混合器設計。ACR的工程師還在內部設計、開發和生產了許多小型發動機測試設備。這些設備包括燃料噴射系統的測試儀器，評估氣缸內產生的渦流的測量工具，以及渦輪增壓器的特殊測試設備。除此之外，ACR甚至還開發了生產噴嘴的制造工藝和機器。他們開發了自己的加工技術，并能夠在更短的時間內以更低的成本生產新的燃油噴射系統，因而無需使用專門的制造供應商。
雖然渦輪增壓器的開發對ACR來說是新的領域，但Kishishita先生在以前的工作中擁有豐富的經驗。他聲稱，曾幾何時，人們認為在柴油機上添加渦輪增壓器會降低可靠性，然而由于公司面臨著提高燃油效率的需要，他們不得不開發渦輪增壓器，岸下先生被分配到這個項目上，他說他以前的經驗對他現在的工作有幫助。
盡管岸下先生有豐富的經驗，但ACR作為一家公司， 在發動機開發方面是完全陌生的。Kishishita先生以前的發動機經驗是鑄鐵缸體的柴油機，而目前項目的缸體是由鋁制成的。但鋁制缸體的剛性并不像Kishishita先生最初希望的那樣好。此外 ，開發燃料噴射設備和其他發動機部件和系統也使該項目具有挑戰性。
使用CFD模擬也在幫助ACR降低成本。盡管一個渦輪增壓器測試的實驗數據點可以在大約5分鐘內獲得，但測試的原型大約需要2萬美元(250萬日元) 。用于制造原型模具的失蠟鑄造也很昂貴和費時。
展開 雙渦輪增壓技術解析
雙渦輪增壓是渦輪增壓的方式之一。針對廢氣渦輪增壓的渦輪遲滯現象，串聯一大一小兩只渦輪或并聯兩只同樣的渦輪，在發動機低轉速的時候，較少的排氣即可驅動渦輪高速旋轉以產生足夠的進氣壓力，減小渦輪遲滯效應。
在雙渦輪增壓的汽車上會看到2組渦輪通過串聯或者并聯的方式連接。并聯指每組渦輪負責引擎半數汽缸的工作，每組渦輪都是同規格的,它的優點就是增壓反應快并減低管道的復雜程度。
使用雙渦輪增壓，就是采用2個相互獨立的渦輪增壓器的增壓系統。當發動機在2個渦輪增壓器的共同作用時，進氣效率大幅提升，增壓效果更加顯著，動力性得到很大提升。在發動機轉速較低時，只有一個低速渦輪工作，這時較少的排氣即可驅動這只渦輪高速旋轉以產生足夠的進氣壓力，當發動機轉速提升以后，高速渦輪工作繼續進入高增壓值的狀態，提供一個連貫的強勁動力。
雙渦輪增壓技術在提高發動機動力性的同時，可以改善渦輪增壓的“遲滯現象”。但是，雙渦輪增壓發動機并不能完全消除“渦輪遲滯”現象，畢竟，渦輪增壓器葉輪的慣性作用依然存在。在實際使用中，雙渦輪增壓發動機通常都裝備在直列6缸或V型等排量較大的發動機上。
展開 應用CFD提高增程式電動車的渦輪增壓器的效率
圖2：電動汽車微型柴油發電機的組成部分
開發EREVs小型輔助發動機面臨有許多設計挑戰。這些挑戰包括大負荷引起的脈動。另外，使用低排量發動機造成的功率限制也促使ACR研究渦輪增壓以增加發動機的功率。在此期間，ACR引入了熱流體分析工具來幫助他們開發新的渦輪增壓器。ACR首席執行官兼總裁Hiroshi Matsuoka先生建議使用計算仿真作為設計工具，近年來人們對技術水平大幅提升的仿真工具越來越有信心。
Kishishita先生和他的團隊最初使用了一家外國公司開發的CFD工具，但沒有將該工具應用到他們的設計過程中，因為操作起來太困難。松岡先生建議使用具有強大本地支持的軟件，這將使他們能夠快速解決問題，最后他們選擇了Cradle CFD。
設計高效的渦輪增壓器
圖3: EREV渦輪增壓器
圖4：渦輪增壓器的渦輪
Kishishita先生的團隊正在開發一種渦輪增壓器，它將比日本Kei微型車中的世界上最小的渦輪增壓器更有效率。ACR渦輪增壓器將只使用典型的Kei微型汽車渦輪增壓器的三分之一的流量。(圖3和圖4) 。
圖5：用模擬方法評估渦輪增壓器葉片的幾何形狀。
ACR的工程師使用Cradle CFD來確定渦輪增壓器轉子葉片的最佳幾何形狀，最佳設計產生了一個理想的出口角，以獲得高效率。計算機模型中使用了大約600萬個網格元素(圖5) 。分析結果顯示，渦輪增壓器的效率隨著出口角的減小而增加。
展開 MAN主機渦輪增壓器排氣葉片損傷故障原因分析
圖1 NR34/S型增壓器整體結構
NR34/S型增壓器整體結構如圖1所示，在柴油機的運行中，柴油機燃燒后的廢氣進入排煙總管后，從①位置進人增壓器廢氣渦輪入口，經過廢氣渦輪入口的噴嘴環②葉片導向，推動廢氣渦輪③轉動，之后廢氣進入尾端的排煙管⑤排到大氣中。
在廢氣渦輪轉動同時，新鮮空氣通過進氣濾器(6.1)、 消 音 器(6.2) 進人進氣渦輪⑧，通過進氣渦輪的轉動壓縮空氣，壓縮后的空氣通過擴壓器⑨和壓氣機外殼①進入進氣管內。
增壓器轉子軸承箱里有兩個軸承支撐整個轉子，一個滑動軸承，一個推力軸承，推力軸承靠近壓氣機葉輪側，起到定位及支撐作用。
兩個軸承通過公用管線提供潤滑油。
2、MAN主機增壓器故障檢查
MAN主機停機后，首先檢查了主機的現場控制盤故障記錄，從主機的運行記錄中查看,在主機A/B側排煙溫度高關停前并無其他不正常的報警，因此初步判斷為主機增壓器故障，并且在主機關停前8s,增壓器轉速助推氣打開，說明因為某種原因，增壓器當時出現了轉速降低的現象。
隨后對主機增壓器B進行了拆卸檢查，同時內窺檢查了主機缸頭氣門。氣門及缸頭并未發現異常。
在主機增壓器拆解中，增壓器壓氣機葉片與導流罩之間有摩擦痕跡，葉片邊緣磨損嚴重，葉片整體無缺損，如圖2所示。
展開 借助轉子動力學分析評估渦輪增壓器設計
在生活中，人們經常用 turbocharged（渦輪增壓）這個詞來形容一種精神百倍的狀態，比如 turbocharged 咖啡比一杯普通咖啡更加提神。但渦輪增壓器的真正功能不是提升精神，而是提升速度；不是在清晨的咖啡杯中，而是在內燃機中發揮作用。渦輪增壓器利用渦輪實現強制進氣，它通常使用流體動力軸承作為支撐。然而，軸承會自然產生可導致負阻尼和系統故障的交叉耦合軸承力。借助轉子動力學建模，你可以分析交叉耦合軸承力給渦輪增壓器設計帶來的影響。
什么是渦輪增壓器？
渦輪增壓器通過迫使額外的空氣進入發動機燃燒室來增加內燃機的效率和功率輸出。這種裝置通常應用于基本交通運輸方式中，例如汽車（包括燃氣動力和柴油車）和摩托車，也應用于大型的交通工具，例如火車、輪船、飛機和航天器。
航天器推進系統中的渦輪增壓器的剖面圖。圖片由 Quentin Schwinn（美國宇航局）提供，此作品在美國處于公有領域，通過 Wikimedia Commons 分享。
在發動機系統中，支撐渦輪增壓器的流體動力軸承中存在的交叉耦合力在轉子中通常起負阻尼作用。負阻尼會增加軸承失效的風險，實際上整個系統的故障風險都會增大。如果車輛發動機中的渦輪增壓器發生故障，汽車可能會起火。
為了設計能夠平穩運行的渦輪增壓器，你可以使用“轉子動力學模塊”進行轉子動力學分析，此模塊屬于“結構力學模塊”和 COMSOL Multiphysics? 軟件的附加產品。
COMSOL? 軟件中適用于渦輪增壓器設計的 2 種研究
該示例中的簡單渦輪增壓器模型包含一個渦輪機、一個壓縮機和兩個流體動力軸承：
“轉子動力學模塊”提供了兩個專用于渦輪增壓器建模的功能，方便用戶創建幾何模型以及物理場和研究設置。
適用于渦輪增壓器模型的兩種轉子動力學研究。
展開 
渦輪增壓系統故障排查方法
故障排查：
清潔空氣濾清器，空氣濾清器被堵塞之后，壓氣機的進氣阻力增加，導致增壓壓力下降；
清洗中冷器的壓氣機，中冷器和壓氣機的內部積有油泥、灰塵會增加進氣阻力，當中冷器進、出口壓力差超過技術標準時，應清洗它的內部通道。壓氣機渦殼和葉輪上沽有油泥和灰塵時應分解清洗，并要定期進行；
清除積碳，增壓器的內部積碳會增加轉子的轉動阻力，使增壓器轉速下降，增壓壓力降低。積碳通常積存在渦輪葉片、轉軸、密封環等部位，一般是因密封不嚴，機油漏入燒結及燃油燃燒不完全所致；
檢查轉子的軸向、徑向間隙，消除刮碰現象。轉子的軸向間隙過大或變形產生刮碰現象，轉子的轉速也會下降，導致增壓壓力下降。所以分解保養增壓器時，轉子的徑向間隙和軸向間隙都要認真測量，并注意觀察是否有刮碰現象。
5，增壓器軸承早期磨損
原因分析：
冬季啟動發動機時猛轟油門或立即起步；
發動機熄火前猛轟油門后又立即熄火，使轉子軸因瞬間的高速旋轉缺油而燒壞軸承；
長期停駛的車輛，在重新啟動時沒有預先潤滑增壓器，使轉子缺油而燒壞軸承。
展開 ABB副總裁奧利弗：從節能減排到數字化，渦輪增壓系統大有可為
此外，通過數字化技術獲取的最新數據，也將不再局限于渦輪增壓系統，它可以擴展到對整個發動機系統進行監控和優化，并可以傳輸到岸端為船隊管理提供決策支持。總之，數字化技術將使工況數據更加透明、技術改進的空間更大。
奧利弗表示，渦輪增壓系統與發動機是一種對應、互持的關系，因此，ABB不僅是要生產好產品，而且要更加關注用戶需求，為用戶降本增效提供價值服務。近來，ABB已推出了船舶發動機性能優化數字化解決方案“Tekomar XPERT”，可準確評估發動機的性能偏差，量化數據偏差和潛在的燃油節省能力，以確保實現船隊達到最佳績效。XPERT 的數據信息和軟件檢測能夠提供參數設置或保養維修建議，提高發動機的燃油效率，每艘船每天可節省0.5～3噸燃料。目前，在全球范圍已有超過1400艘船舶使用了這套可持續的推進性能監測解決方案。
作為全球渦輪增壓系統的領先者，ABB目前在低速機、中速機和燃氣高速機的市場上均排名第一。但奧利弗認為，隨著發動機燃料的日益多元化，液化天然氣（LNG）、乙烷、生物燃油的應用將會越來越廣泛，這些將對渦輪增壓系統的技術、材料帶來許多新問題。在電力行業，新型的調峰電站由于調峰頻繁，造成渦輪增壓器啟動頻繁；在船舶行業，燃電混合動力已經在小型拖船上開始應用，這些也將對渦輪增壓系統帶來新的挑戰。
在ABB渦輪增壓業務單元的發展規劃中，中國是其最重要的板塊。奧利弗認為，重慶ABB江津渦輪增壓系統有限公司已經成為ABB渦輪增壓全球業務不可或缺的一部分，是ABB集團全球第二大渦輪增壓器生產基地，也是ABB全球唯一為低速柴油機提供中小型渦輪增壓器的工廠，其產品和服務均已實現全球化。近年來，中國本土制造、本土研發、本土服務能力明顯提升。今后，ABB渦輪增壓業務單元仍將加大在中國的投資力度，加快培養本土人才團隊。
展開 ANSYS|渦輪增壓器零件結構分析
ANSYS|渦輪增壓器零件結構分析
ANSYS | 渦輪增壓器零件結構分析
ANSYS | 渦輪增壓器零件結構分析
