增壓器
關注創建者：aero-engine 創建時間：2023-08-16
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Cadence Fidelity 葉輪機械設計與優化系列專題-第二期
Cadence Fidelity 葉輪機械設計與優化系列專題-第二期 ——基于混合網格的渦輪增壓器CFD仿真 適用人群：發動機、風機、水輪機等旋轉機械行業的設計，CFD模擬從業者，高校教師及學生。
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NUMECA FINE/TURBO 一瞥
葉輪機在今日社會的應用比較多，風扇、通風機、空調風機、油煙機、水輪機、汽輪機、燃氣輪機、飛機發動機、推進器、汽車增壓器等都屬于葉輪機。 NUMECA FINE TURBO軟件是葉輪機內部流動數值仿真軟件。仿真計算速度和內存需求比較小，計算精度多次獲得行業評測前列成績。 軟件分為數值仿真計算和葉輪設計優化兩個部分。課程對這兩個部分的功能和界面進行介紹和演示。
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(3) 在增壓器維保時，增加增壓器動平衡檢測工藝，消除增壓器轉子長時間運轉后的葉片不平衡問題。
將原有增壓器的12000h維保中間，增加一次6000h增壓器清潔，主要觀察增壓器噴嘴環處的積碳狀態，在出現積碳后及時清理。
(4)對比2號主機A/B側增壓器運轉曲線，B側增壓器轉速低于A側400r/min左右，分析為噴嘴環出現積碳后，通過增壓器轉子的氣量受到減少，影響到轉子的轉速。
在以后主機運行時，觀察同樣工況下，各主機增壓器參數對比，如果出現了400 r/min左右的轉速差異，盡量停機檢查，評估增壓器的狀態，避免增壓器的損壞。
三、結束語
通過以上措施的實施，提高了主機增壓器運行的穩定性，避免增壓器問題的出現。這些措施，也可以借鑒推廣，對其他發動機增壓器設備的運行維保起到提示作用。
主機增壓器是發動機設備的重要部件，其穩定及性能將極大地影響發動機設備的穩定性和性能。
同時增壓器在高速運轉時，如果出現動平衡失效，極可能對設備，乃至現場操作人員造成傷害。
關注設備運行中的參數變化，分析設備問題后的影響因素，做好應對措施，就能減少設備故障，避免人身傷害。
展開 在廢氣渦輪增壓器單獨工作的時候，控制氣門開啟。這種情況下，空氣沿著同傳統渦輪增壓發動機一樣的路徑通過前冷凝器和節流閥進入進氣歧管。
通過安裝在水泵中的一個整合了電磁離合器的模塊，壓縮機才能夠工作。在渦輪增壓的條件下，離合器會使壓縮機脫離聯系。
雙增壓器所產生的最大壓力是在1500轉時產生的2.5bar。 是在壓力達到1.53bar時，由廢氣渦輪增壓器和機械super增壓器運轉產生的。在0轉速條件下，壓縮機單獨產生的壓力應該在1.8bar左右。
通過旁路氣門的連續開啟，快速響應的渦輪增壓器能夠使壓縮機的壓力提早降低。在低壓控制下，壓縮機的運行能夠被限制在一個較小的范圍內， 從而減少燃料的消耗量。
實際上，這也就意味著壓縮機只是在發動機的轉速達到2400rpm以后，才需要工作來產生相應的壓力。廢氣渦輪增壓器主要是在高動力輸出的條件下達到更高效的水平并在中等動力輸出的情況下提供足夠的壓力。
為了提高速度，自動的壓力控制器可以在壓縮機需要牽引力的時候增加壓力，在只需要渦輪增壓器工作就可以滿足需求的條件下，關閉壓力。在速度下降到低速范圍內的時候，壓縮機會再次打開來提供動力。
展開 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 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。通過使出口角達到最小值，使流出損失最小化，這最大限度地減少了摩擦損失和能量轉化為熱量，從而提高了效率(圖6 ) 。
展開 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。
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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) 。
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