分析交叉耦合軸承力給渦輪增壓器設(shè)計帶來的影響

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(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。

此教學模型包括兩個研究：

特征頻率分析

頻率響應分析

根據(jù)這些研究結(jié)果，你可以深入了解渦輪增壓器的設(shè)計和運行條件，例如角速度和阻尼。

特征頻率研究的結(jié)果

第一項研究計算渦輪增壓器在不同角速度下的特征頻率。一項值得注意的結(jié)果是對數(shù)減量，我們可以根據(jù)該值判斷轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若對數(shù)減量為正，則認為系統(tǒng)是穩(wěn)定的。負值表示系統(tǒng)不穩(wěn)定，而零值表示模式中不存在阻尼。

不存在（左）和存在（右）交叉耦合剛度的渦輪增壓器模型的對數(shù)減量圖。

在軸承設(shè)置中添加交叉耦合剛度項之后，渦輪增壓器的對數(shù)減量多為負值。這說明在存在交叉耦合剛度的情況下，穩(wěn)定振動模式變得不穩(wěn)定——在測試速度下運行渦輪增壓器是非常危險的。

為了增加對數(shù)減量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，我們可以在渦輪增壓器設(shè)計中添加一些組件，例如：

可傾瓦軸承

浮環(huán)軸承

轉(zhuǎn)子中的材料阻尼

擠壓油膜阻尼器

頻率響應仿真結(jié)果

頻率響應研究的結(jié)果可以利用瀑布 圖進行可視化，直觀展示轉(zhuǎn)子的頻譜如何隨著不同的角速度而變化。我們又一次比較了有無交叉耦合力的渦輪增壓器的響應情況。

不存在（左）和存在（右）交叉耦合剛度的渦輪增壓器模型的瀑布圖。

如上圖所示，由于存在渦輪離心力，而且無交叉耦合剛度的渦輪增壓器中存在壓縮機，許多模式受到激勵。然而，在有 剛度的渦輪增壓器中，并非所有模式都被激勵。此結(jié)果意味著：當在渦輪機離心力和壓縮機的作用下，交叉耦合剛度消失時，一些模式會受到激勵；若產(chǎn)生剛度，則這些模式不再受激勵。因此可得出結(jié)論：當存在交叉耦合剛度時，我們可能需要不同的載荷工況組合來激勵這些模式。