渦輪的案例
可變截面渦輪技術(shù)
可變截面渦輪技術(shù)核心是可調(diào)渦流截面的導(dǎo)流葉片，這些導(dǎo)流葉片可在低轉(zhuǎn)速、低排氣量的工況下關(guān)閉，從而增大發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力。
【圖中渦輪外圍的紅色葉片就是導(dǎo)流葉片】
在詳細(xì)介紹可變截面渦輪技術(shù)之前，我們先再回顧一下渦輪增壓技術(shù)：
渦輪增壓技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)上常見(jiàn)的技術(shù)之一，它的原理其實(shí)非常簡(jiǎn)單：渦輪增壓器就相當(dāng)于一個(gè)由發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣所驅(qū)動(dòng)的空氣泵。在發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)燃燒過(guò)程中，大約會(huì)有1/3的能量進(jìn)入了冷卻系統(tǒng)，1/3的能量用來(lái)推動(dòng)曲軸做工，而最后1/3則隨廢氣排出。拿一臺(tái)功率200千瓦的發(fā)動(dòng)機(jī)舉例，按照上面提到的比例，它在排氣上的消耗的動(dòng)力大約會(huì)有70千瓦。這部分功率有一大部分隨著高溫的廢氣以熱能的形式消耗掉，而廢氣本身的動(dòng)能可能只有十幾千瓦。但是千萬(wàn)別小看這十幾千瓦，要知道家用的落地扇功率不過(guò)60瓦左右！也就是說(shuō)，即使十幾千瓦也足夠驅(qū)動(dòng)兩百多臺(tái)電風(fēng)扇了！可想而知，用廢氣渦輪驅(qū)動(dòng)空氣所帶來(lái)的增壓效果非?？捎^。
雖然發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷狀態(tài)下時(shí)排氣能量非常可觀，但當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，排氣能量卻小的可憐，此時(shí)渦輪增壓器就會(huì)由于驅(qū)動(dòng)力不足而無(wú)法達(dá)到工作轉(zhuǎn)速，這樣造成的結(jié)果就是，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，渦輪增壓器并不能發(fā)揮作用，這時(shí)候渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力表現(xiàn)甚至?xí)∮谝慌_(tái)同排量的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，這就是我們經(jīng)常說(shuō)的“渦輪遲滯（turbo lag）”現(xiàn)象。
【一般的渦輪并沒(méi)有導(dǎo)流葉片的結(jié)構(gòu)】
對(duì)于傳統(tǒng)的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，解決渦輪遲滯現(xiàn)象的一個(gè)方法就是使用小尺寸的輕質(zhì)渦輪，首先，小渦輪會(huì)擁有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)較低轉(zhuǎn)速下渦輪就能達(dá)到最佳的工作轉(zhuǎn)速，從而有效改善渦輪遲滯的現(xiàn)象。不過(guò)，使用小渦輪也有它的缺點(diǎn)：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)，小渦輪由于排氣截面較小，會(huì)使排氣阻力增加（產(chǎn)生排氣回壓），因此發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率和最大扭矩會(huì)受到一定的影響。
展開(kāi) 雙渦輪增壓技術(shù)解析
雙渦輪增壓是渦輪增壓的方式之一。針對(duì)廢氣渦輪增壓的渦輪遲滯現(xiàn)象，串聯(lián)一大一小兩只渦輪或并聯(lián)兩只同樣的渦輪，在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速的時(shí)候，較少的排氣即可驅(qū)動(dòng)渦輪高速旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生足夠的進(jìn)氣壓力，減小渦輪遲滯效應(yīng)。
在雙渦輪增壓的汽車上會(huì)看到2組渦輪通過(guò)串聯(lián)或者并聯(lián)的方式連接。并聯(lián)指每組渦輪負(fù)責(zé)引擎半數(shù)汽缸的工作，每組渦輪都是同規(guī)格的,它的優(yōu)點(diǎn)就是增壓反應(yīng)快并減低管道的復(fù)雜程度。
使用雙渦輪增壓，就是采用2個(gè)相互獨(dú)立的渦輪增壓器的增壓系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在2個(gè)渦輪增壓器的共同作用時(shí)，進(jìn)氣效率大幅提升，增壓效果更加顯著，動(dòng)力性得到很大提升。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，只有一個(gè)低速渦輪工作，這時(shí)較少的排氣即可驅(qū)動(dòng)這只渦輪高速旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生足夠的進(jìn)氣壓力，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升以后，高速渦輪工作繼續(xù)進(jìn)入高增壓值的狀態(tài)，提供一個(gè)連貫的強(qiáng)勁動(dòng)力。
雙渦輪增壓技術(shù)在提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的同時(shí)，可以改善渦輪增壓的“遲滯現(xiàn)象”。但是，雙渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)并不能完全消除“渦輪遲滯”現(xiàn)象，畢竟，渦輪增壓器葉輪的慣性作用依然存在。在實(shí)際使用中，雙渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)通常都裝備在直列6缸或V型等排量較大的發(fā)動(dòng)機(jī)上。
展開(kāi) 渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案
作者Cadence CFD 解決方案
關(guān)鍵要點(diǎn)
渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案包括壓縮機(jī)、渦輪機(jī)、泵和類似部件，它們可以將流體能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，反之亦然。
渦輪機(jī)械工藝解決方案的效率可能會(huì)因設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、能量損失、湍流、壓降等而損失，從而導(dǎo)致不同介質(zhì)中出現(xiàn)沖擊波或氣蝕等問(wèn)題。
通過(guò)對(duì)渦輪機(jī)械工藝解決方案中的應(yīng)力、應(yīng)變、能量損失、壓力變化和流動(dòng)模式進(jìn)行全面分析，CFD 仿真可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化以提高機(jī)器效率。
渦輪機(jī)械是現(xiàn)代工程的重要組成部分；它的用途包括航空航天、發(fā)電和汽車應(yīng)用。壓縮機(jī)、渦輪機(jī)和泵等渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案使能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式以及在不同組件之間傳輸這些能量變得更加容易。效率是此類渦輪機(jī)械最受追捧的品質(zhì)，工程師應(yīng)將渦輪機(jī)械工藝方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化作為研究的重點(diǎn)。
計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD)用于優(yōu)化渦輪機(jī)械部件的形狀和尺寸。CFD 能夠可視化流體流動(dòng)行為并對(duì)其影響進(jìn)行數(shù)值分析，是一種強(qiáng)大的工具。在本文中，我們將討論如何使用 CFD 設(shè)計(jì)和優(yōu)化渦輪機(jī)械工藝解決方案。
優(yōu)化渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案的效率
在渦輪機(jī)械工藝解決方案的設(shè)計(jì)中，效率研究從流動(dòng)行為分析開(kāi)始。流體與葉輪等渦輪機(jī)械部件相互作用的方式會(huì)影響產(chǎn)生的力和功率。在以下情況下，過(guò)程效率會(huì)降低：
由于壁摩擦和湍流耗散，存在能量損失。
由于設(shè)計(jì)不當(dāng)或流動(dòng)不穩(wěn)定，流動(dòng)從轉(zhuǎn)子表面分離。
氣蝕問(wèn)題是由于流體壓力突然下降到蒸氣壓以下而引起的，從而導(dǎo)致氣泡的形成。
沖擊波以超音速形成，引起流體壓力、溫度和密度的突然變化。
工程師應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，以使流體和組件之間的能量損失最小，能量傳遞最大。
展開(kāi) Bezier曲線設(shè)計(jì)渦輪葉片造型與CFD驗(yàn)證解析
Bezier曲線設(shè)計(jì)渦輪葉片造型與CFD驗(yàn)證解析
賀 恒
(廣東博智林機(jī)器人有限公司，廣東 佛山 528000)
摘 要：通過(guò)選取某尺寸的渦輪和流量值作為案例,解析了運(yùn)用Bezier曲線設(shè)計(jì)渦輪葉片造型的過(guò)程，進(jìn)行了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)驗(yàn)證，得到渦輪機(jī)械性能預(yù)測(cè)曲線，驗(yàn)證了渦輪葉片造型設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：Bezier曲線;渦輪葉片造型設(shè)計(jì);CFD水力性能驗(yàn)證;機(jī)械性能預(yù)測(cè)曲線
0 引 言
由于工業(yè)市場(chǎng)的日益繁榮，渦輪因其獨(dú)特的優(yōu)越性，在各行各業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越普遍。然而，傳統(tǒng)的渦輪葉片設(shè)計(jì)效率低且不能完全滿足實(shí)際渦輪的性能需求。在葉片設(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)、出口角度通常是給定的定值，所以要求選取的曲線需要確保在起始點(diǎn)和終點(diǎn)的一階導(dǎo)數(shù)，Bezier曲線正好能夠滿足這個(gè)要求。本文選取Bezier曲線設(shè)計(jì)渦輪葉片造型，使用FLUENT進(jìn)行CFD驗(yàn)證分析[1-6]，提出了渦輪性能曲線相似轉(zhuǎn)換。一方面，四階Bezier曲線計(jì)算得到的葉片型線坐標(biāo)精確度高，CFD分析可以對(duì)設(shè)計(jì)的型線進(jìn)行校驗(yàn)分析，直到型線設(shè)計(jì)滿足要求為止。另一方面，CFD數(shù)值模擬技術(shù)具有成本低、設(shè)計(jì)周期短的優(yōu)勢(shì)，在很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的劣勢(shì)。同時(shí)，相似轉(zhuǎn)換計(jì)算的提出，只需要計(jì)算一種流量下的渦輪葉片性能參數(shù)，就能直接計(jì)算出其他不同流量下的性能參數(shù)。這種方法的綜合運(yùn)用可以大大減少CFD分析的計(jì)算量，提高渦輪葉片設(shè)計(jì)的效率。
展開(kāi) 
渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案
作者Cadence CFD 解決方案
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渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案包括壓縮機(jī)、渦輪機(jī)、泵和類似部件，它們可以將流體能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，反之亦然。
渦輪機(jī)械工藝解決方案的效率可能會(huì)因設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、能量損失、湍流、壓降等而損失，從而導(dǎo)致不同介質(zhì)中出現(xiàn)沖擊波或氣蝕等問(wèn)題。
通過(guò)對(duì)渦輪機(jī)械工藝解決方案中的應(yīng)力、應(yīng)變、能量損失、壓力變化和流動(dòng)模式進(jìn)行全面分析，CFD 仿真可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化以提高機(jī)器效率。
渦輪機(jī)械是現(xiàn)代工程的重要組成部分；它的用途包括航空航天、發(fā)電和汽車應(yīng)用。壓縮機(jī)、渦輪機(jī)和泵等渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案使能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式以及在不同組件之間傳輸這些能量變得更加容易。效率是此類渦輪機(jī)械最受追捧的品質(zhì)，工程師應(yīng)將渦輪機(jī)械工藝方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化作為研究的重點(diǎn)。
計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD)用于優(yōu)化渦輪機(jī)械部件的形狀和尺寸。CFD 能夠可視化流體流動(dòng)行為并對(duì)其影響進(jìn)行數(shù)值分析，是一種強(qiáng)大的工具。在本文中，我們將討論如何使用 CFD 設(shè)計(jì)和優(yōu)化渦輪機(jī)械工藝解決方案。
優(yōu)化渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案的效率
在渦輪機(jī)械工藝解決方案的設(shè)計(jì)中，效率研究從流動(dòng)行為分析開(kāi)始。流體與葉輪等渦輪機(jī)械部件相互作用的方式會(huì)影響產(chǎn)生的力和功率。在以下情況下，過(guò)程效率會(huì)降低：
由于壁摩擦和湍流耗散，存在能量損失。
由于設(shè)計(jì)不當(dāng)或流動(dòng)不穩(wěn)定，流動(dòng)從轉(zhuǎn)子表面分離。
氣蝕問(wèn)題是由于流體壓力突然下降到蒸氣壓以下而引起的，從而導(dǎo)致氣泡的形成。
沖擊波以超音速形成，引起流體壓力、溫度和密度的突然變化。
工程師應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，以使流體和組件之間的能量損失最小，能量傳遞最大。
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渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案包括壓縮機(jī)、渦輪機(jī)、泵和類似部件，它們可以將流體能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，反之亦然。
渦輪機(jī)械工藝解決方案的效率可能會(huì)因設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、能量損失、湍流、壓降等而損失，從而導(dǎo)致不同介質(zhì)中出現(xiàn)沖擊波或氣蝕等問(wèn)題。
通過(guò)對(duì)渦輪機(jī)械工藝解決方案中的應(yīng)力、應(yīng)變、能量損失、壓力變化和流動(dòng)模式進(jìn)行全面分析，CFD 仿真可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化以提高機(jī)器效率。
渦輪機(jī)械是現(xiàn)代工程的重要組成部分；它的用途包括航空航天、發(fā)電和汽車應(yīng)用。壓縮機(jī)、渦輪機(jī)和泵等渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案使能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式以及在不同組件之間傳輸這些能量變得更加容易。效率是此類渦輪機(jī)械最受追捧的品質(zhì)，工程師應(yīng)將渦輪機(jī)械工藝方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化作為研究的重點(diǎn)。
計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD)用于優(yōu)化渦輪機(jī)械部件的形狀和尺寸。CFD 能夠可視化流體流動(dòng)行為并對(duì)其影響進(jìn)行數(shù)值分析，是一種強(qiáng)大的工具。在本文中，我們將討論如何使用 CFD 設(shè)計(jì)和優(yōu)化渦輪機(jī)械工藝解決方案。
優(yōu)化渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案的效率
在渦輪機(jī)械工藝解決方案的設(shè)計(jì)中，效率研究從流動(dòng)行為分析開(kāi)始。流體與葉輪等渦輪機(jī)械部件相互作用的方式會(huì)影響產(chǎn)生的力和功率。在以下情況下，過(guò)程效率會(huì)降低：
由于壁摩擦和湍流耗散，存在能量損失。
由于設(shè)計(jì)不當(dāng)或流動(dòng)不穩(wěn)定，流動(dòng)從轉(zhuǎn)子表面分離。
氣蝕問(wèn)題是由于流體壓力突然下降到蒸氣壓以下而引起的，從而導(dǎo)致氣泡的形成。
沖擊波以超音速形成，引起流體壓力、溫度和密度的突然變化。
工程師應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，以使流體和組件之間的能量損失最小，能量傳遞最大。
展開(kāi) 渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案
作者Cadence CFD 解決方案
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渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案包括壓縮機(jī)、渦輪機(jī)、泵和類似部件，它們可以將流體能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，反之亦然。
渦輪機(jī)械工藝解決方案的效率可能會(huì)因設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、能量損失、湍流、壓降等而損失，從而導(dǎo)致不同介質(zhì)中出現(xiàn)沖擊波或氣蝕等問(wèn)題。
通過(guò)對(duì)渦輪機(jī)械工藝解決方案中的應(yīng)力、應(yīng)變、能量損失、壓力變化和流動(dòng)模式進(jìn)行全面分析，CFD 仿真可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化以提高機(jī)器效率。
渦輪機(jī)械是現(xiàn)代工程的重要組成部分；它的用途包括航空航天、發(fā)電和汽車應(yīng)用。壓縮機(jī)、渦輪機(jī)和泵等渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案使能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式以及在不同組件之間傳輸這些能量變得更加容易。效率是此類渦輪機(jī)械最受追捧的品質(zhì)，工程師應(yīng)將渦輪機(jī)械工藝方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化作為研究的重點(diǎn)。
計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD)用于優(yōu)化渦輪機(jī)械部件的形狀和尺寸。CFD 能夠可視化流體流動(dòng)行為并對(duì)其影響進(jìn)行數(shù)值分析，是一種強(qiáng)大的工具。在本文中，我們將討論如何使用 CFD 設(shè)計(jì)和優(yōu)化渦輪機(jī)械工藝解決方案。
優(yōu)化渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案的效率
在渦輪機(jī)械工藝解決方案的設(shè)計(jì)中，效率研究從流動(dòng)行為分析開(kāi)始。流體與葉輪等渦輪機(jī)械部件相互作用的方式會(huì)影響產(chǎn)生的力和功率。在以下情況下，過(guò)程效率會(huì)降低：
由于壁摩擦和湍流耗散，存在能量損失。
由于設(shè)計(jì)不當(dāng)或流動(dòng)不穩(wěn)定，流動(dòng)從轉(zhuǎn)子表面分離。
氣蝕問(wèn)題是由于流體壓力突然下降到蒸氣壓以下而引起的，從而導(dǎo)致氣泡的形成。
沖擊波以超音速形成，引起流體壓力、溫度和密度的突然變化。
工程師應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，以使流體和組件之間的能量損失最小，能量傳遞最大。
展開(kāi) 一期一會(huì) | 什么是渦輪機(jī)？
在沖動(dòng)式渦輪機(jī)系統(tǒng)中，流體在離開(kāi)噴嘴后，其壓力不會(huì)發(fā)生變化，但流體在撞擊渦輪葉片后，其流動(dòng)方向通常會(huì)發(fā)生顯著變化。
反動(dòng)式渦輪機(jī)
反動(dòng)式渦輪機(jī)的工作原理是，流體通過(guò)一組葉片時(shí)發(fā)生膨脹，從而將壓力轉(zhuǎn)化為葉片上的力。其中，每個(gè)葉片都承受相同的載荷。反動(dòng)式渦輪機(jī)可以由多組轉(zhuǎn)子（稱為“級(jí)”）組成，這些轉(zhuǎn)子根據(jù)其對(duì)應(yīng)流動(dòng)段的壓力條件進(jìn)行了優(yōu)化。
最常見(jiàn)的反動(dòng)式渦輪機(jī)類型是用于噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)力機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)。大多數(shù)蒸汽渦輪機(jī)和天然氣動(dòng)力渦輪機(jī)都屬于反動(dòng)式渦輪機(jī)。反動(dòng)式渦輪機(jī)使用護(hù)罩或外殼來(lái)定位流體流經(jīng)渦輪葉片的位置。當(dāng)流體流經(jīng)渦輪機(jī)時(shí)，反動(dòng)式渦輪機(jī)中的流動(dòng)會(huì)經(jīng)歷明顯的壓力下降。
渦輪機(jī)中的關(guān)鍵組件
要了解渦輪機(jī)工作原理，一個(gè)好方法是查看每個(gè)關(guān)鍵組件的作用。
渦輪葉片
葉片是渦輪機(jī)最關(guān)鍵的組件，它們通過(guò)平臺(tái)（通常是圓盤(pán)）連接到軸上。渦輪葉片有時(shí)被稱為轉(zhuǎn)子葉片，其作用是將動(dòng)量或壓降轉(zhuǎn)換為垂直作用于旋轉(zhuǎn)軸的力，從而在軸周圍產(chǎn)生扭矩。
渦輪葉片的形式可以很簡(jiǎn)單，比如浸入流動(dòng)水道、與流動(dòng)方向呈垂直角度的扁平槳葉；它們也可以很復(fù)雜，比如渦輪增壓器中的徑流式渦輪機(jī)，其葉片呈螺旋形狀排列，以便將來(lái)自轉(zhuǎn)子圓周的流體向內(nèi)轉(zhuǎn)換為與軸對(duì)齊的軸向流。一些葉片非常纖薄而細(xì)長(zhǎng)，比如蒸汽渦輪機(jī)或風(fēng)力機(jī)的葉片；還有一些葉片則更長(zhǎng)而且相對(duì)較厚，比如燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓葉片。
渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子
渦輪葉片所連接的輪狀物、圓盤(pán)或鼓形結(jié)構(gòu)被稱為渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子。
軸
由渦輪葉片產(chǎn)生、由渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子傳遞的機(jī)械功率，會(huì)被渦輪機(jī)的軸傳遞出去。軸通過(guò)高速軸承連接到靜態(tài)結(jié)構(gòu)。多個(gè)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子可以連接到同一個(gè)軸上。
展開(kāi) 什么是渦輪泄壓閥？
渦輪泄壓閥是渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)里的一個(gè)重要部件，它能夠起到保護(hù)引擎及渦輪的作用?？梢苑譃榕艢夂瓦M(jìn)氣兩種，同時(shí)還有內(nèi)排式和外排式之分。
排氣泄壓閥
下圖是一部大眾系列發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的渦輪增壓器，其中右半部分淺色的是吸氣渦輪，新鮮空氣經(jīng)過(guò)這里被壓縮，然后經(jīng)中冷器再通向節(jié)氣門(mén)；左半部分深色的是排氣渦輪，由排氣歧管出來(lái)的高溫廢氣驅(qū)動(dòng)葉片產(chǎn)生高達(dá)每分鐘十幾萬(wàn)的轉(zhuǎn)速，是渦輪增壓器的動(dòng)力來(lái)源。
1、內(nèi)排式排氣泄壓閥
這里要說(shuō)的是右邊這個(gè)部件，在吸氣渦輪端有一個(gè)氣罐狀的裝置，下方一根金屬連桿連接到排氣渦輪一端。這就是一種泄壓閥，從功能上分類應(yīng)該屬于排氣泄壓閥，中文對(duì)于這個(gè)裝置的名稱有很多，比較混亂，反正一般英文稱為“Actuator”。你能從很多渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上找到它的身影。
它的工作原理是：圓形腔上面有一個(gè)氣孔，這里應(yīng)該有一根橡膠管和節(jié)氣門(mén)前面的進(jìn)氣管連通，這里有一個(gè)膜瓣和彈簧，膜瓣和下面的這根金屬桿相連，而金屬桿則連接到排氣渦輪端的一個(gè)杠桿機(jī)構(gòu)上。
從這個(gè)角度我們可以看出來(lái)，杠桿機(jī)構(gòu)控制著一個(gè)旁通閥?？吹竭@里，大家應(yīng)該也能推斷出它的工作原理了：當(dāng)進(jìn)氣壓力過(guò)大時(shí)，氣壓會(huì)推動(dòng)膜、壓縮彈簧，使得金屬桿推動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)將旁通閥開(kāi)啟，當(dāng)旁通閥開(kāi)啟的時(shí)候，部分廢氣不經(jīng)渦輪葉片直接進(jìn)入排氣頭段，這樣就降低了渦輪轉(zhuǎn)速。這一精巧設(shè)計(jì)最主要的作用在于維持一個(gè)特定的渦輪增壓值。理論上說(shuō)如果所有排氣氣體都用來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪葉片的話，那么隨著轉(zhuǎn)速的升高渦輪增壓值就會(huì)不斷上升，這樣很可能導(dǎo)致渦輪報(bào)廢。有了“Actuator”就能令渦輪增壓器穩(wěn)定工作，只可惜它不是那種在收油時(shí)發(fā)出令人熱血沸騰的“呲呲”聲的玩意。
2、外排式排氣泄壓閥
另一種排氣泄壓閥是所謂的“外排式”（或者“外泄式”，反正都一樣?。?/span>
展開(kāi) 借助轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析評(píng)估渦輪增壓器設(shè)計(jì)
在生活中，人們經(jīng)常用 turbocharged（渦輪增壓）這個(gè)詞來(lái)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(jī)中發(fā)揮作用。渦輪增壓器利用渦輪實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制進(jìn)氣，它通常使用流體動(dòng)力軸承作為支撐。然而，軸承會(huì)自然產(chǎn)生可導(dǎo)致負(fù)阻尼和系統(tǒng)故障的交叉耦合軸承力。借助轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)建模，你可以分析交叉耦合軸承力給渦輪增壓器設(shè)計(jì)帶來(lái)的影響。
什么是渦輪增壓器？
渦輪增壓器通過(guò)迫使額外的空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室來(lái)增加內(nèi)燃機(jī)的效率和功率輸出。這種裝置通常應(yīng)用于基本交通運(yùn)輸方式中，例如汽車（包括燃?xì)鈩?dòng)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(jī)和航天器。
航天器推進(jìn)系統(tǒng)中的渦輪增壓器的剖面圖。圖片由 Quentin Schwinn（美國(guó)宇航局）提供，此作品在美國(guó)處于公有領(lǐng)域，通過(guò) Wikimedia Commons 分享。
在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，支撐渦輪增壓器的流體動(dòng)力軸承中存在的交叉耦合力在轉(zhuǎn)子中通常起負(fù)阻尼作用。負(fù)阻尼會(huì)增加軸承失效的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際上整個(gè)系統(tǒng)的故障風(fēng)險(xiǎn)都會(huì)增大。如果車輛發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪增壓器發(fā)生故障，汽車可能會(huì)起火。
為了設(shè)計(jì)能夠平穩(wěn)運(yùn)行的渦輪增壓器，你可以使用“轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模塊”進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，此模塊屬于“結(jié)構(gòu)力學(xué)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(jì)的 2 種研究
該示例中的簡(jiǎn)單渦輪增壓器模型包含一個(gè)渦輪機(jī)、一個(gè)壓縮機(jī)和兩個(gè)流體動(dòng)力軸承：
“轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模塊”提供了兩個(gè)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(chǎng)和研究設(shè)置。
適用于渦輪增壓器模型的兩種轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究。
展開(kāi) 高壓多級(jí)氫渦輪泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究
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Key Words Turbopump, Hydrogen oxygen engine,Rotor,Dynamics.
1 引 言
國(guó)內(nèi)外研制經(jīng)驗(yàn)表明，高壓多級(jí)氫渦輪泵是氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)中技術(shù)最復(fù)雜、難度最大的組件。氫渦輪泵的最大特點(diǎn)是其轉(zhuǎn)子為高轉(zhuǎn)速的柔性轉(zhuǎn)子，工作在二、三階臨界轉(zhuǎn)速之間。在以往氫渦輪泵的研制過(guò)程中都出現(xiàn)過(guò)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。在美國(guó)航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)(SSME)和日本的LE-7發(fā)動(dòng)機(jī)的氫渦輪泵中，也都出現(xiàn)過(guò)轉(zhuǎn)子的失穩(wěn)問(wèn)題。在氫渦輪泵的研制過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題是一個(gè)非常敏感和復(fù)雜的問(wèn)題，它所涉及的因素很多，需要仔細(xì)地加以研究和分析。因此對(duì)氫渦輪泵進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究，是十分必要的。此項(xiàng)工作已是國(guó)外大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中不可缺少的一項(xiàng)。
2 氫渦輪泵轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)計(jì)算
2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在氫渦輪泵中，由于液氫的密度很低，氫泵的揚(yáng)程很高，為了提高其效率并保證強(qiáng)度的需要，應(yīng)采用多級(jí)泵并提高其轉(zhuǎn)速。這使氫渦輪泵轉(zhuǎn)子向柔軸發(fā)展。而補(bǔ)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪通常為大流量低壓比的渦輪，為了提高其效率往往采用兩級(jí)反力式。這樣就增加了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并帶來(lái)了附加軸向力，這都對(duì)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。
在轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)中，借鑒了美國(guó)SSME氫渦輪泵、俄羅斯PД-0120氫渦輪泵、日本LE-7氫渦輪泵、法國(guó)HM-60氫渦輪泵及中國(guó)氫渦輪泵等多種型號(hào)的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)的研制經(jīng)驗(yàn)，在大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的氫渦輪泵中極易出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這是由氫渦輪泵結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和其惡劣的工作條件造成的，轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速通常都在二階臨界轉(zhuǎn)速以上。
展開(kāi) 
單渦輪雙渦管技術(shù)
單渦輪雙渦管就是將一個(gè)渦輪增壓器的氣流在經(jīng)過(guò)渦管時(shí)分為兩股氣流，每股氣流負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)一半的氣缸，與雙渦輪相比，單渦輪的設(shè)計(jì)也減低了排氣脈沖相互干擾的情況。
單渦輪雙渦管增壓器結(jié)構(gòu)跟普通的渦輪增壓器大同小異，可以簡(jiǎn)單理解為在普通渦輪的廢氣入口處增多了一條廢氣通道，不同的是渦輪是由兩個(gè)通道的廢氣驅(qū)動(dòng)。雙渦管指的就是排氣渦管。等于一個(gè)渦輪組由一個(gè)進(jìn)氣增壓渦輪，連接兩個(gè)排氣渦輪組成。這個(gè)結(jié)構(gòu)的好處在于可以充分利用可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)來(lái)根據(jù)不同轉(zhuǎn)速下氣缸的吸排氣延遲來(lái)進(jìn)行氣門(mén)操作
展開(kāi) 渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案
作者Cadence CFD 解決方案
關(guān)鍵要點(diǎn)
渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案包括壓縮機(jī)、渦輪機(jī)、泵和類似部件，它們可以將流體能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，反之亦然。
渦輪機(jī)械工藝解決方案的效率可能會(huì)因設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、能量損失、湍流、壓降等而損失，從而導(dǎo)致不同介質(zhì)中出現(xiàn)沖擊波或氣蝕等問(wèn)題。
通過(guò)對(duì)渦輪機(jī)械工藝解決方案中的應(yīng)力、應(yīng)變、能量損失、壓力變化和流動(dòng)模式進(jìn)行全面分析，CFD 仿真可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化以提高機(jī)器效率。
渦輪機(jī)械是現(xiàn)代工程的重要組成部分；它的用途包括航空航天、發(fā)電和汽車應(yīng)用。壓縮機(jī)、渦輪機(jī)和泵等渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案使能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式以及在不同組件之間傳輸這些能量變得更加容易。效率是此類渦輪機(jī)械最受追捧的品質(zhì)，工程師應(yīng)將渦輪機(jī)械工藝方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化作為研究的重點(diǎn)。
計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD)用于優(yōu)化渦輪機(jī)械部件的形狀和尺寸。CFD 能夠可視化流體流動(dòng)行為并對(duì)其影響進(jìn)行數(shù)值分析，是一種強(qiáng)大的工具。在本文中，我們將討論如何使用 CFD 設(shè)計(jì)和優(yōu)化渦輪機(jī)械工藝解決方案。
優(yōu)化渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案的效率
在渦輪機(jī)械工藝解決方案的設(shè)計(jì)中，效率研究從流動(dòng)行為分析開(kāi)始。流體與葉輪等渦輪機(jī)械部件相互作用的方式會(huì)影響產(chǎn)生的力和功率。在以下情況下，過(guò)程效率會(huì)降低：
由于壁摩擦和湍流耗散，存在能量損失。
由于設(shè)計(jì)不當(dāng)或流動(dòng)不穩(wěn)定，流動(dòng)從轉(zhuǎn)子表面分離。
氣蝕問(wèn)題是由于流體壓力突然下降到蒸氣壓以下而引起的，從而導(dǎo)致氣泡的形成。
沖擊波以超音速形成，引起流體壓力、溫度和密度的突然變化。
工程師應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，以使流體和組件之間的能量損失最小，能量傳遞最大。
展開(kāi) 渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案
作者Cadence CFD 解決方案
關(guān)鍵要點(diǎn)
渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案包括壓縮機(jī)、渦輪機(jī)、泵和類似部件，它們可以將流體能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，反之亦然。
渦輪機(jī)械工藝解決方案的效率可能會(huì)因設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、能量損失、湍流、壓降等而損失，從而導(dǎo)致不同介質(zhì)中出現(xiàn)沖擊波或氣蝕等問(wèn)題。
通過(guò)對(duì)渦輪機(jī)械工藝解決方案中的應(yīng)力、應(yīng)變、能量損失、壓力變化和流動(dòng)模式進(jìn)行全面分析，CFD 仿真可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化以提高機(jī)器效率。
渦輪機(jī)械是現(xiàn)代工程的重要組成部分；它的用途包括航空航天、發(fā)電和汽車應(yīng)用。壓縮機(jī)、渦輪機(jī)和泵等渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案使能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式以及在不同組件之間傳輸這些能量變得更加容易。效率是此類渦輪機(jī)械最受追捧的品質(zhì)，工程師應(yīng)將渦輪機(jī)械工藝方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化作為研究的重點(diǎn)。
計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD)用于優(yōu)化渦輪機(jī)械部件的形狀和尺寸。CFD 能夠可視化流體流動(dòng)行為并對(duì)其影響進(jìn)行數(shù)值分析，是一種強(qiáng)大的工具。在本文中，我們將討論如何使用 CFD 設(shè)計(jì)和優(yōu)化渦輪機(jī)械工藝解決方案。
優(yōu)化渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案的效率
在渦輪機(jī)械工藝解決方案的設(shè)計(jì)中，效率研究從流動(dòng)行為分析開(kāi)始。流體與葉輪等渦輪機(jī)械部件相互作用的方式會(huì)影響產(chǎn)生的力和功率。在以下情況下，過(guò)程效率會(huì)降低：
由于壁摩擦和湍流耗散，存在能量損失。
由于設(shè)計(jì)不當(dāng)或流動(dòng)不穩(wěn)定，流動(dòng)從轉(zhuǎn)子表面分離。
氣蝕問(wèn)題是由于流體壓力突然下降到蒸氣壓以下而引起的，從而導(dǎo)致氣泡的形成。
沖擊波以超音速形成，引起流體壓力、溫度和密度的突然變化。
工程師應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，以使流體和組件之間的能量損失最小，能量傳遞最大。
展開(kāi) 渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案
作者Cadence CFD 解決方案
關(guān)鍵要點(diǎn)
渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案包括壓縮機(jī)、渦輪機(jī)、泵和類似部件，它們可以將流體能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，反之亦然。
渦輪機(jī)械工藝解決方案的效率可能會(huì)因設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、能量損失、湍流、壓降等而損失，從而導(dǎo)致不同介質(zhì)中出現(xiàn)沖擊波或氣蝕等問(wèn)題。
通過(guò)對(duì)渦輪機(jī)械工藝解決方案中的應(yīng)力、應(yīng)變、能量損失、壓力變化和流動(dòng)模式進(jìn)行全面分析，CFD 仿真可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化以提高機(jī)器效率。
渦輪機(jī)械是現(xiàn)代工程的重要組成部分；它的用途包括航空航天、發(fā)電和汽車應(yīng)用。壓縮機(jī)、渦輪機(jī)和泵等渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案使能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式以及在不同組件之間傳輸這些能量變得更加容易。效率是此類渦輪機(jī)械最受追捧的品質(zhì)，工程師應(yīng)將渦輪機(jī)械工藝方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化作為研究的重點(diǎn)。
計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD)用于優(yōu)化渦輪機(jī)械部件的形狀和尺寸。CFD 能夠可視化流體流動(dòng)行為并對(duì)其影響進(jìn)行數(shù)值分析，是一種強(qiáng)大的工具。在本文中，我們將討論如何使用 CFD 設(shè)計(jì)和優(yōu)化渦輪機(jī)械工藝解決方案。
優(yōu)化渦輪機(jī)械過(guò)程解決方案的效率
在渦輪機(jī)械工藝解決方案的設(shè)計(jì)中，效率研究從流動(dòng)行為分析開(kāi)始。流體與葉輪等渦輪機(jī)械部件相互作用的方式會(huì)影響產(chǎn)生的力和功率。在以下情況下，過(guò)程效率會(huì)降低：
由于壁摩擦和湍流耗散，存在能量損失。
由于設(shè)計(jì)不當(dāng)或流動(dòng)不穩(wěn)定，流動(dòng)從轉(zhuǎn)子表面分離。
氣蝕問(wèn)題是由于流體壓力突然下降到蒸氣壓以下而引起的，從而導(dǎo)致氣泡的形成。
沖擊波以超音速形成，引起流體壓力、溫度和密度的突然變化。
工程師應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，以使流體和組件之間的能量損失最小，能量傳遞最大。
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