渦輪增壓器殼體的案例
應(yīng)用CFD提高增程式電動車的渦輪增壓器的效率
另外，使用低排量發(fā)動機造成的功率限制也促使ACR研究渦輪增壓以增加發(fā)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(fā)新的渦輪增壓器。ACR首席執(zhí)行官兼總裁Hiroshi Matsuoka先生建議使用計算仿真作為設(shè)計工具，近年來人們對技術(shù)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(fā)的CFD工具，但沒有將該工具應(yīng)用到他們的設(shè)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(shè)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(fā)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) 。
展開 應(yīng)用CFD提高增程式電動車的渦輪增壓器的效率
另外，使用低排量發(fā)動機造成的功率限制也促使ACR研究渦輪增壓以增加發(fā)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(fā)新的渦輪增壓器。ACR首席執(zhí)行官兼總裁Hiroshi Matsuoka先生建議使用計算仿真作為設(shè)計工具，近年來人們對技術(shù)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(fā)的CFD工具，但沒有將該工具應(yīng)用到他們的設(shè)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(shè)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(fā)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(zhuǎn)子葉片的最佳幾何形狀，最佳設(shè)計產(chǎn)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(wǎng)格元素(圖5) 。分析結(jié)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(zhuǎn)化為熱量，從而提高了效率(圖6 ) 。
展開 MAN主機渦輪增壓器排氣葉片損傷故障原因分析
1、MAN NR34/S主機渦輪增壓器的工作原理
柴油機增壓器運行中，利用發(fā)動機排出的廢氣來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸上的葉輪轉(zhuǎn)動，葉輪的轉(zhuǎn)動時會吸入空氣并壓縮，壓縮后的空氣壓力增大，通過空氣冷卻器冷卻后進入氣缸，空氣壓力和密度增大可以增加柴油主機的輸出功率。
NR34/S增壓器包含一個一級徑流式廢氣葉輪和一個一級徑流式壓氣葉輪,整個轉(zhuǎn)子通過2個滑動軸承支撐。
廢氣葉輪與轉(zhuǎn)子軸是整合一體的，近氣壓縮葉輪通過外部鎖緊螺母裝配到轉(zhuǎn)子軸上。
圖1 NR34/S型增壓器整體結(jié)構(gòu)
NR34/S型增壓器整體結(jié)構(gòu)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(jīng)過廢氣渦輪入口的噴嘴環(huán)②葉片導(dǎo)向，推動廢氣渦輪③轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)。
增壓器轉(zhuǎn)子軸承箱里有兩個軸承支撐整個轉(zhuǎn)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(cè)，起到定位及支撐作用。
兩個軸承通過公用管線提供潤滑油。
展開 借助轉(zhuǎn)子動力學分析評估渦輪增壓器設(shè)計
在生活中，人們經(jīng)常用 turbocharged（渦輪增壓）這個詞來形容一種精神百倍的狀態(tài)，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(nèi)燃機中發(fā)揮作用。渦輪增壓器利用渦輪實現(xiàn)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(chǎn)生可導(dǎo)致負阻尼和系統(tǒng)故障的交叉耦合軸承力。借助轉(zhuǎn)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(shè)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(fā)動機燃燒室來增加內(nèi)燃機的效率和功率輸出。這種裝置通常應(yīng)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(yīng)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(tǒng)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(lǐng)域，通過 Wikimedia Commons 分享。
在發(fā)動機系統(tǒng)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(zhuǎn)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(tǒng)的故障風險都會增大。如果車輛發(fā)動機中的渦輪增壓器發(fā)生故障，汽車可能會起火。
為了設(shè)計能夠平穩(wěn)運行的渦輪增壓器，你可以使用“轉(zhuǎn)子動力學模塊”進行轉(zhuǎn)子動力學分析，此模塊屬于“結(jié)構(gòu)力學模塊”和 COMSOL Multiphysics? 軟件的附加產(chǎn)品。
COMSOL? 軟件中適用于渦輪增壓器設(shè)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(zhuǎn)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(chuàng)建幾何模型以及物理場和研究設(shè)置。
適用于渦輪增壓器模型的兩種轉(zhuǎn)子動力學研究。
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(tǒng)及適配器，導(dǎo)致整個系 統(tǒng)伸出量很長，在發(fā)動機運行試驗過程中，估計會導(dǎo)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(jié)構(gòu)薄弱位置；2）模態(tài)分析及隨機振動響應(yīng)分析，對比各個支承方案的減振效果。
具體分析結(jié)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(nèi)一邊學習一邊嘗試十多種設(shè)計方案的求解，這是傳統(tǒng)有限元即使是熟練工程師都難以做到的。
特別適用于大規(guī)模復(fù)雜裝配體，對幾何缺陷和裝配容差的容忍度較高。這在傳統(tǒng)有限元中是非常大的挑戰(zhàn)。
精度方面做過一些案例對比，總體分布趨勢和數(shù)量級和傳統(tǒng)有限元結(jié)果差別不大，局部會有較大差異，但仍不失為一款優(yōu)秀的CAE工具，尤其在產(chǎn)品概念階段或定性分析是一個非常強大高效的工具。
在數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出及結(jié)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(shù)據(jù)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(chǎn)品設(shè)計和優(yōu)化上。
展開 ANSYS|渦輪增壓器零件結(jié)構(gòu)分析
ANSYS|渦輪增壓器零件結(jié)構(gòu)分析
ANSYS | 渦輪增壓器零件結(jié)構(gòu)分析
ANSYS | 渦輪增壓器零件結(jié)構(gòu)分析
Toyota Motorsports 通過 Fidelity 提高渦輪增壓器壓縮機效率
專門從事賽車發(fā)動機的高科技開發(fā)，渦輪增壓器組件已經(jīng)是最先進的。為了進一步提高性能，豐田必須依靠傳統(tǒng)的試錯程序和原型之外的東西，因為這些東西的周轉(zhuǎn)時間太長了。與手動實現(xiàn)相比，數(shù)值優(yōu)化使工程師能夠探索和評估更多的設(shè)計備選方案。
轉(zhuǎn)向數(shù)值優(yōu)化的另一個原因是，壓縮機葉輪的設(shè)計工作已經(jīng)非常接近它們所用材料的結(jié)構(gòu)-機械極限。大多數(shù)形狀變化會立即導(dǎo)致超出可接受的壓力水平。僅考慮空氣動力學行為的優(yōu)化并不能保證最終設(shè)計在結(jié)構(gòu)上也是可行的。需要同時進行包括空氣動力學和結(jié)構(gòu)力分析在內(nèi)的優(yōu)化。換句話說：將計算流體動力學 (CFD) 與計算結(jié)構(gòu)力學 (CSM) 模擬相結(jié)合的多學科優(yōu)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(yōu)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(xiàn)兩個空氣熱力學目標、一個結(jié)構(gòu)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(zhì)量流量
向失速裕度方向擴展操作范圍
最大 von Mises 應(yīng)力低于極限
CFD 和 CSM 模擬被集成到 Cadence 的Fidelity Optimization中的單一優(yōu)化工作流程中。每個新設(shè)計首先由 CSM 求解器進行結(jié)構(gòu)檢查，只有那些不超過最大 von Mises 應(yīng)力的設(shè)計才會被納入更耗時的 CFD 過程。結(jié)構(gòu)上不可接受的設(shè)計被輸入到學習數(shù)據(jù)庫中以驅(qū)動優(yōu)化器。
參數(shù)化和網(wǎng)格劃分
共有 154 個參數(shù)定義了葉輪、經(jīng)向通道和實體。然而，定義葉輪輪轂殼的參數(shù)與基本設(shè)計保持不變，以排除許多結(jié)構(gòu)機械不可行的設(shè)計。并且為了進一步減少自由參數(shù)的數(shù)量，也沒有修改沿弧度曲線的厚度分布。
展開 HyperWorks幫助BorgWarner實現(xiàn)確定溫度和機械應(yīng)力對渦輪增壓器共同作用的流程自動化
它在發(fā)動機正時系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、空氣和噪音管理系統(tǒng)、冷卻系 統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和四輪驅(qū)動系統(tǒng)上的專長幫助全世界的汽車生產(chǎn)商制造具有更高的燃 油經(jīng)濟性和排放性能的汽車。BorgWarner的一個關(guān)鍵產(chǎn)品是它的渦輪增壓器，由發(fā) 動機的廢氣驅(qū)動的渦輪是用尾氣去驅(qū)動一臺壓縮機，從而提高進入發(fā)動機的空氣密 度，結(jié)果是在沒有大幅增加其重量的前提下顯著提高發(fā)動機的功率。
挑戰(zhàn)
事實上渦輪增壓器會受到廢熱氣體的不利影響，熱氣會對渦輪增壓器外殼的材 料強度產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其性能下降、潛在蠕動或渦輪機磨損。當極端波動發(fā)生時，渦輪增壓器可能產(chǎn)生過早的熱疲勞導(dǎo)致開裂。
因為渦輪增壓器承受相當大的溫度變化，而設(shè)備的耐久性不僅取決于材料組成和它承受的機械應(yīng)力，而且取決于外界溫度。由于受到機械應(yīng)力和溫度效應(yīng)相互作用，在確定整個渦輪增壓器的設(shè)計時這兩者都必須考慮。
BorgWarner的工程師們已經(jīng)對渦輪機外殼進行了結(jié)構(gòu)分析以確定其疲勞壽命。一旦熱廢氣在渦輪增壓器中開始流動就要進行預(yù)測溫度分布的計算。該公司沒有簡單的方法從應(yīng)力和溫度兩方面整合數(shù)據(jù)來獲得一個系統(tǒng)性能的總體預(yù)測，因此在特 定的位置處熱應(yīng)力可能很小。但如果廢氣的溫度很高，應(yīng)力和溫度的組合會導(dǎo)致過 早的部件失效。在特定位置處的應(yīng)力必須與在任何給定的溫度下的材料屈服強度進 行比較。對于有非常大的結(jié)果文件的有限元模型來說，對比應(yīng)力水平與在不同溫度的屈服強度是一項非常繁瑣的任務(wù)。
“大多數(shù)有限元程序只輸出在工程方面的應(yīng)力而指出這些位置的溫度，” BorgWarner高級CAE分析師ZaneUllman指出，“這些信息都是單獨的、獨立的、沒有聯(lián)系的，因此我們被迫需要手動耗費大量時間將數(shù)據(jù)逐個放在一起。”
展開 設(shè)計仿真 | 應(yīng)用CFD提高增程式電動車的渦輪增壓器的效率
另外，使用低排量發(fā)動機造成的功率限制也促使ACR研究渦輪增壓以增加發(fā)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(fā)新的渦輪增壓器。ACR首席執(zhí)行官兼總裁Hiroshi Matsuoka先生建議使用計算仿真作為設(shè)計工具，近年來人們對技術(shù)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(fā)的CFD工具，但沒有將該工具應(yīng)用到他們的設(shè)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(shè)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(fā)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) 。
展開 替代熔模鑄造，3D打印技術(shù)為F1賽車生產(chǎn)渦輪增壓器
如果使用增材制造技術(shù)，則可將該渦輪增壓器設(shè)計為一個單件的零件，一體成型，廢氣門不需要密封墊或和組裝，而是直接打印一個完整的殼體。這可以大大簡化組裝操作，減輕重量。
此外，整合后的單件零件還能提高渦輪增壓器的整體可靠性；由于不需要加工公差嚴格的裝配面，因此，可以減少不同零件間可能發(fā)生的泄漏而導(dǎo)致的失效。通常，還可以改進雙壁結(jié)構(gòu)的薄厚，進一步減輕重量，同時可以隔熱，提高性能。
相比熔模鑄造方法，金屬3D打印生產(chǎn)的F1賽車零件為生產(chǎn)企業(yè)提供明顯的時間成本和制造成本的優(yōu)勢。越來越多的高端汽車制造商在生產(chǎn)中采用增材制造技術(shù)快速和可靠地實現(xiàn)了制造目標。GF加工方案通過軟件、金屬3D打印及后處理設(shè)備，以及專利設(shè)計的System 3R夾具三股平行工作流，為渦輪增壓器提供從設(shè)計到成品交付的完整增材制造解決方案。
展開 
利用CT（計算機斷層掃描）提高渦輪增壓器葉輪的金屬3D打印質(zhì)量
關(guān)于檢測與算法的結(jié)合如何用到產(chǎn)品的質(zhì)量管理上，本期谷.專欄特別推薦materialise的一篇案例《利用CT（計算機斷層掃描）提高渦輪增壓器葉輪的金屬3D打印質(zhì)量》 。
為金屬部件尋找正確的工藝參數(shù)
質(zhì)量是當下增材制造行業(yè)關(guān)注的熱點，企業(yè)正通過大力投資數(shù)字化解決方案來改進質(zhì)量。過去的幾年里，在技術(shù)和經(jīng)濟效益方面我們看到了很多的進步，但每個專業(yè)的金屬3D打印工程師都知道，目前還有不少問題需要解決，才能夠?qū)?fù)雜部件的質(zhì)量進行認證。本期，通過分享Materialise 3D打印葉輪的案例，來領(lǐng)略復(fù)雜零部件質(zhì)量認證與控制的思路與方法。
渦輪增壓器通常用于提高諸如汽車上的內(nèi)燃機（ICE）的效率和功率輸出。渦輪增壓器通常包含安裝在公共軸上的兩個葉輪：其中一個葉輪用作渦輪，而另一個葉輪用作壓縮。
圖片：渦輪增壓器中的兩個葉輪，來源Materialise
在運行過程中，葉輪高速旋轉(zhuǎn)并處于高溫下，出現(xiàn)疲勞是一個很現(xiàn)實的問題。采用增材制造設(shè)計的部件相比鑄造部件質(zhì)量更輕，能實現(xiàn)葉輪更高的轉(zhuǎn)速和更好的性能。最小化孔隙率并實現(xiàn)具備嚴格幾何公差的精準制造對于確保部件的長期運行至關(guān)重要。
在用3D打印制造葉輪時，需要明確兩個目標：
第一個目標是最大限度地減少打印過程中的熱形變，并確保部件的對稱性。不對稱的葉輪會導(dǎo)致效率降低，在最壞的情況下還可能造成災(zāi)難性的損壞。
第二個目標是保持低孔隙率；Materialise的目標是讓葉輪的密度高于99.9％。這對于做過減重優(yōu)化的零件尤為重要，因為相對來說孔隙率對疲勞壽命影響更大。
為了實現(xiàn)3D打印葉輪的這些質(zhì)量目標，Materialise與Volume Graphics合作，該公司提供對X射線計算機斷層掃描（CT）數(shù)據(jù)進行分析和可視化的軟件。
展開 渦輪增壓器上的排氣旁通閥有什么作用？它的控制方式有哪些？
現(xiàn)在汽車上小排量渦輪增壓發(fā)動機應(yīng)用的越來越多，它最大優(yōu)點是可以在不增加發(fā)動機排量的基礎(chǔ)上，大幅度提高發(fā)動機的功率和扭矩。但是渦輪增壓器也有很大的缺點：在低速時，增壓不足，渦輪遲滯；而在高速時又會出現(xiàn)過增壓的現(xiàn)象。為了克服這樣的缺點，人們在增壓器上設(shè)計了旁通閥，以控制增壓器的增壓壓力。
一、旁通閥式渦輪增壓器的工作原理：
在高速高負荷時，渦輪增壓器旁通閥門打開，部分廢氣經(jīng)旁通閥直接進入排氣管，放掉一部分廢氣，渦輪轉(zhuǎn)速下降，從而來控制增壓的壓力。
旁通閥式渦輪增壓器的控制方式有兩種，一種是機械（真空）控制，通常應(yīng)用在卡車柴油機上；另一種是電子控制，通常應(yīng)用在轎車上。
二、機械控制旁通閥式的結(jié)構(gòu)及工作原理
機械控制旁通閥主要有控制氣室、拉桿、旁通閥門等組成。旁通閥執(zhí)行器中膜片左側(cè)通增壓的氣體。
1、當發(fā)動機低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，壓氣機出口壓力較低，旁通閥在回位彈簧的作用下關(guān)閉，發(fā)動機排出的廢氣全部通過增壓器的渦輪端，從而提高了渦輪的轉(zhuǎn)速，能夠產(chǎn)生較大的進氣增壓壓力，提高進氣量，改善發(fā)動機的低速性能。
2、當發(fā)動機高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，增壓后的迸氣壓力超過規(guī)定值，增壓氣體將排氣執(zhí)行器中的膜片頂起，帶動旁通閥拉桿移動，打開排氣旁通閥門，于是一部分廢氣不通過增壓器的渦輪端，從排氣旁通道直接排人大氣，使渦輪進口流量減少，壓力降低，增壓器轉(zhuǎn)速下降，減少增壓的壓力。
三、電子控制旁通閥式的結(jié)構(gòu)及工作原理
排氣旁通閥的開閉由電控單元ECU控制的增壓壓力控制電磁閥操控。電控單元ECU監(jiān)測發(fā)動機的工況，與內(nèi)部預(yù)置的參數(shù)進行比較，據(jù)此來控制電磁閥的開啟時間，從而達到改變排氣旁通閥的開度，控制排氣旁通量，精確地調(diào)節(jié)增壓壓力的目的。
展開 西泵股份PLM項目啟動
主導(dǎo)產(chǎn)品為汽車水泵、排氣歧管、渦輪增壓器殼體、電動水泵等，是國內(nèi)生產(chǎn)汽車零部件的重要基地。產(chǎn)品涵蓋乘用車、商用車、新能源汽車、發(fā)電機、船舶、農(nóng)業(yè)機械等領(lǐng)域。公司生產(chǎn)的“飛龍”牌汽車水泵分重、中、輕、轎、微五大系列1000多個品種，排氣歧管及渦殼800多個品種，進氣歧管35個品種，其中汽車水泵產(chǎn)品國內(nèi)市場占有率達30% 。公司具備年產(chǎn)1100萬只汽車水泵、800萬只排氣歧管及300萬只渦殼的生產(chǎn)能力。
PLM項目實施
一、PLM項目規(guī)劃
1、P1-產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、項目管理
戰(zhàn)略:增加重用 (設(shè)計文檔，部件、流程)來縮短8%NPI周期。
高效的項目執(zhí)行和監(jiān)控，使產(chǎn)品率先進入市場，提升6%的上市時間。
2、P2 –工藝管理：產(chǎn)品工藝開發(fā)（制造過程管理）、系統(tǒng)集成應(yīng)用
戰(zhàn)略:通過并行工藝管理去滿足準時的生產(chǎn) ，減低7%的制造時間。
通過對市場需求管理和需求實現(xiàn)打通研發(fā)設(shè)計的封閉過程，通過評審和問題的把控，提高產(chǎn)品的市場成功率。
利用創(chuàng)新的產(chǎn)品率先進入市場活動。
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