矿用车辆涡轮增压器结构研究_吕秀斌

第34卷第02期2013年02月

煤矿机械

CoalMineMachinery

Vol.34No.02Feb.2013

矿用车辆涡轮增压器结构研究

吕秀斌1，张翠平1，王

斌2，李天鹏1，齐丽丽

1

（1.太原理工大学，太原030024；2.煤炭科学研究总院太原研究院，太原030006）

摘要：利用三维CAD软件UG建立了带冷却水套的涡轮增压器涡轮壳的几何模型。利用

FLUENT对带水套的涡轮壳和不带水套的涡轮壳的温度场进行了数值模拟计算。结果表明结构改

进后的涡轮增压器表面温度得到较大幅度的降低，达到了矿用车辆用涡轮增压器表面温度小于

150℃的要求，可以应用于矿用车辆。

关键词：矿用车辆；涡轮增压器；温度场；FLUENT中图分类号：TD524

文献标志码：A

文章编号：1003－0794（2013）02－0043－03

StructureResearchofTurbochargerofMiningVehicle

LYUXiu-bin1，ZHANGCui-ping1，WANGBin2，LITian-peng1，QILi-li1

（1.TaiyuanUniversityofTechnology，Taiyuan030024，China；2.TaiyuanBranch，ChinaCoalResearchInstitute，

Taiyuan030006，China）

Abstract:Creatinggeometricmodelofturbochargerturbineshellwithcoolingwaterjacketusing3DsoftwarenamedUG.ThethermalanalysesareresearchedonturbochargerwithwaterjacketandwithoutwaterjacketusingFLUENTsoftware.Itturnedoutthatsurfacetemperatureofturbochargerwithwaterjackethasbeengreatlyimproved,anditreachedrequirementsofturbochargersofminingvehicle,whichislessthan150℃.Theturbochargerwithcooling

waterjacketcouldbeusedbyminingvehicle.Keywords:miningvehicles;turbocharger;temperaturefield;FLUENT0

前言

我国的防爆规程要求：防爆柴油发动机在井下运行时，不可以产生火花和火焰，发动机表面温度不超过150℃，排气温度不超过70℃。涡轮增压技术要应用矿用车辆所用的防爆柴油机上，对涡轮增压器来说，要实现防爆的要求，主要解决的问题就是降低表面温度。要降低增压器的表面温度，单独冷却是最好的的方式。单独冷却方式，就是用冷却液对增压器的高温表面进行冷却，通过冷却液的循环将热量带走，达到降低增压器表面温度的目的。本文以4100型涡轮增压器为原型，对其涡轮壳进行结构改造，增设了冷却水道与发动机内部的冷却水道连接对涡轮壳进行降温。利用三维CAD软件UG建立了涡轮壳的三维模型并利用CFD中的FLUENT软件进行了仿真模拟计算，通过分析仿真计算结果，涡轮壳表面温度达到了我国防爆规程要求。

（a）三维图

4

3

整个涡轮增压器表面达到使用要求的关键。压气机表面温度达到使用要求，不需要考虑特殊的措施即可满足要求；中间体的温度通过涡轮壳来控制，如果涡轮壳体能够达到很好的降温，中间体也可以达到使用要求；涡轮壳是整个降温的关键，因此在涡轮壳上采用水套结构，实现降低其表面温度的目的。

5

21

（b）剖视图

图1涡轮壳

1.发动机废气进口2.冷却液进口3.发动机废气出口4.冷却液

出口5.清沙孔或排气口

利用三维CAD软件UG建立的带有水套的涡轮壳的模型如图1。为了使涡轮增压器制造难度降低，降低增压器制造的废品率，并且能够均匀控制表面温度，降低表面热应力，在涡轮壳水腔上设计了3个出口，利于铸造师清沙及检查，同时必要时也可以当做排气孔。在水道上采用了贯通式水腔，保证了水腔内无循环死区，表面温度得到均匀的控制，从而防止局部表面出现高温，使表面热应力增大。冷却水自涡轮壳进气法兰周边的4个水腔口进入涡轮壳，冷却涡轮壳后经左边壳体径向的水腔口

1模型的建立

通过对现有4100型涡轮增压器的分析,涡轮增压器安装在发动机的进排气歧管上，涡轮增压叶轮以超过100000r/min的高速度旋转。在涡轮机表面温度最高可达500~700℃；其次是中间体，温度在

300℃左右；第3是排气连接法兰，温度在250℃左右。在压气机壳表面温度小于130℃。

通过分析，中间体的温度绝大部分是由涡轮壳经过对流散热传递给中间体涡轮壳的温度控制是

中的一个出口流出冷却液来自发动机冷却系统的

Vol.34No.02

循环冷却液。

矿用车辆涡轮增压器结构研究———吕秀斌，等第34卷第02期

2网格划分

在网格生成阶段，上述建立的涡轮机几何模型

经过了必要的简化，主要有：

（1）省略了涡轮机的叶片；

（2）省略了清沙口，排气口；（3）封堵了和中间体的结合部分；（4）删除了螺栓孔等。

简化后通过UG软件建立模型，完成后直接输入到ICEM-CFD软件中对冷却水流动区域、涡轮壳体进行网格划分。涡轮壳体表面采用了三角形网格，流动区域采用了四面体网格划分，整个实体全部采用非结构化网格。这样做的好处有：①非结构化网格对网格节点的限制很弱，易于控制网格单元的大小、形状及网格节点的位置，使得网格对复杂外形的适应性增强；②非结构化网格中一个网格节点周围的网格点和网格单元的个数都不是固定的，因此可以方便地作自适应计算，合理地分布网格的疏密，从而提高计算精度和节约计算时间。

涡轮壳水道生成的网格数为338028，涡轮壳体生成的网格数为：467699，生成的网格图如图2所示。

器，其计算所需的各参数也通过FLUENT来直接创建该材料。

涡轮壳的表面设定处在矿用车辆发动机环境中，周围温度为48℃，并与涡轮壳表面有热对流。

各边界条件的参数冷却液入口速度/m·s-13冷却液入口温度/K347冷却液出口压力/kPa38冷却液出口温度/K354涡轮壳废气壁面温度/K818涡轮壳表面环境温度/K3214流场的计算结果与分析

经过数10次计算，结果可靠，利用FLUENT软件自带的后处理器生成涡轮增压器涡轮壳的相关云图如图3所示。

6.55e+026.51e+026.47e+026.42e+026.38e+026.34e+026.30e+026.26e+026.21e+026.17e+026.13e+026.09e+026.05e+026.01e+025.96e+025.92e+025.88e+025.84e+02

6.58e+026.43e+026.27e+026.11e+025.98e+025.80e+025.64e+025.49e+025.33e+025.17e+025.02e+024.86e+024.56e+024.39e+024.23e+024.08e+023.92e+023.76e+023.61e+023.45e+02

ZY

X

（a）无水套涡轮壳（b）带水套涡轮壳

图3涡轮壳表面温度云图

（a）涡轮壳体（b）涡轮壳水道

图2涡轮壳有限元模型

3计算边界条件设定

计算所需的参数参照4100涡轮增压器台架试验各工况中最恶劣的环境，本文假定冷却液的进口速度沿入口截面均匀分布，直接给出其速度值，发动机水泵的流量约为185L/min,根据计算冷却液入口速度为3m/s，温度为74℃，出口边界认为湍流充分发展，取压力出口条件，压力为35kPa，温度为81℃。涡轮壳中废气气道表面直接给出壁面温度，取工作最恶劣的环境，即进气的温度582℃。

壁面边界认为水套内冷却液的流动是不可压缩的湍流流动,湍流模型选用标准k-ε模型。由于标准k-ε模型适用于离开壁面一定距离的湍流区域,对于壁面附近的区域采用壁面函数法来处理。

水道中的冷却液即为发动机冷却系统的冷却液，即为50%水和50%乙二醇的混合液。其密度、比热、导热系数等参数有FLUENT中的物质材料来创建。

涡轮壳的材料选取高镍球墨铸铁，高镍球墨铸从图3（a）中看出，在没有加水套的涡轮壳表面，温度最高达到了382℃，温度主要根据壳体的形状，依据高镍球墨铸铁的比热容传递，在排气法兰连接处温度达到最高；在图3（b）中，在带水套的涡轮壳上，最高温度也出现在排气法兰面上，但除了排气法兰外的涡轮壳的表面，水的冷却作用非常的明显，表面温度都在136℃以下，考虑排气法兰处于连接状态，可以满足矿用防爆要求表面温度小于150℃的要求。

如果涡轮前后的工作温度过高时，热变形所引起的热应力值将会很大，常常会超过材料的极限强度，从而导致壳体上产生裂纹。在图4（a）中，没有水套的涡轮壳温度变化比较平缓，热应力也不会太集中；而在图4（b）中，由于水的温度和壳体的温度差别很大，在降低涡轮壳体温度的同时，温度梯度变化也很大，有可能产生高的热应力。因此除选用较高机械强度的材料外，还需要进行热应力分析及校核，这样可以找到机构设计的薄弱处，然后再进一步作改进。

6.55e+026.51e+026.47e+026.42e+026.38e+026.34e+026.30e+026.26e+026.21e+026.17e+026.13e+026.09e+026.05e+026.01e+025.96e+025.92e+025.88e+025.84e+02

6.55e+026.29e+026.03e+025.77e+025.52e+025.26e+025.00e+024.74e+024.48e+024.22e+023.97e+023.71e+023.45e+02

ZY

X

（a）无水套涡轮壳（b）带水套涡轮壳

图4

涡轮壳截面温度云图

第34卷第02期2013年02月

煤矿机械

CoalMineMachinery

Vol.34No.02Feb.2013

基于矩阵变换器的异步电机控制系统的研究

孟朝霞，任一峰

(中北大学信息与通信工程学院，太原030051)

摘要：为降低交流调速系统中的谐波污染，提高异步电机的传动性能，提出了一种基于矩阵

变换器的电机控制系统的控制策略，不仅可以实现矩阵式变换器的空间矢量调制，而且实现了电机的矢量控制；并在电机SVPWM控制系统中加入了电压补偿模块及相应的改进策略。通过MATLAB仿真研究表明：该方法具有良好的调速性能，并且提高了输入电能的质量。

关键词：矩阵变换器；矢量控制；异步电机；Matlab仿真中图分类号：TM343文献标志码：A文章编号：1003－0794（2013）02－0045－03

ResearchonVectorControlofAsynchronismMotorFedbyMatrix

ConverterSystem

MENGZhao-xia,RENYi-feng

(SchoolofInformationandCommunicationEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China）

1

器输入侧为三相电压源，输出侧为具有电流源性质

Abstract:InordertoreduceharmonicpollutionintheACadjustedspeedsystemandrealizeahightransmissionperformanceforasynchronismmotor,acontrolstrategybasedonmatrixconverterofasynchronousmotorvectorcontrolsystemisproposed.Itrealizespacevectormodulationofmatrixconverterandflux-orientedvectorcontrolmethodofasynchronismmotor，andaddvoltagecompensationmodulewithcorrespondingimprovementstrategiestoSVPWMcontrolsystemofasynchronousmotorwithcorrespondingimprovementstrategies.ThesimulationofMATLABsuggestscontrolstrategyhasgoodperformanceofspeedadjustmentandimprovesqualityofinputpower.

Keywords:matrixconverter;vectorcontrolsystem;asynchronismmotor;MATLABsimulation矩阵变换器的控制原理1，sjk闭合

（1）sjk=j∈｛A，B，C｝，k∈｛a，b，c｝

关断，0sjk矩阵变换器的组成（1）

则可以得

三相-三相矩阵变换器的组成如图1，矩阵变换

sia+sjb+sjc=1j∈｛A，B，C｝

的三相感性负载，通过对9个开关元件的逻辑控

制，得到希望的三相输出电压与频率。在工作过程中必须满足2个基本条件：①三相输入端中任意两相之间不能短路；②三相输出端中的任意一相不能断路。定义开关函数

iCAiABiBC

iaibic

abciaA/sAa/sAb/sAcAib

B

/sBa/sBb/sBcBic

C

/sCa/sCb/sCcC

abcpABC/spa/spb/spc/sAp/sBp/sCp

/vpm

/sna/snb/snc/sAn/sBn/sCn

i

的抗压能力远远大于抗拉能力，但也要引起重视；5结语

应用ANSYS-FLUENT对矿用车辆涡轮增压器（3）涡轮壳水套铸造比较困难，需要改进机构，

的涡轮壳进行了数值模拟计算，在短时间内获得了温度场信息，为带水套涡轮壳的开发设计、实验方案制定提供了理论依据。在模拟计算中，涡轮壳表面温度小于130℃，和中间体连接的地方小于136℃，排气法兰表面温度也低于136℃，可以满足矿用车辆涡轮增压器的使用要求，可以进行可行性实验，在可行性实验筹划中，要注意以下几点：

（1）涡轮壳排气法兰处以及中间壳与涡轮壳连接处内部温度较高，考虑实际使用情况，仍需要考虑采用更好的隔热措施；

（2）涡轮壳内部温度较高，同时在水套的冷却下，温度变化比较剧烈，因此应力集中也较大，虽然一般涡轮壳内部承受的最大的是压应力，而且铸铁

降低制造带水套涡轮壳所需的工艺水平。

参考文献：

［1］王斌,张翠平,赵明岗.煤矿用防爆柴油机的应用现状与发展趋势

［J］.矿山机械,2010(3):5-7.

［2］李鹏飞，徐敏义，王飞飞,等.精通CFD工程仿真与案例实战［M］.

北京：人民邮电出版社，2011.

［3］杨帆，徐锦锋，朱爱军,等.涡轮增压器壳体用铸造合金及生产工

艺现状［J］.铸造技术，2011(4):559-562.

［4］张立忠，写义明，罗志诚.我国煤矿井下辅助运输现状和技术改

造途径［J］.采矿技术,2010(3)：118-120.

［5］白雷.涡轮增压技术在防爆柴油机上的应用探讨［J］.煤矿机械，

图1矩阵变换器构成图

2010,31(3):7-9.

作者简介：吕秀斌（1984-），山西吕梁人，硕士研究生，电子信箱：lxb0329@http://www.77cn.com.cn；通讯作者：张翠平.

责任编辑：卢盛春收稿日期：2012－05－18

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/27wi.html