分析交叉耦合轴承力给涡轮增压器设计带来的影响

在生活中，人们经常用 turbocharged（涡轮增压）这个词来形容一种精神百倍的状态，比如 turbocharged 咖啡比一杯普通咖啡更加提神。但涡轮增压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，而是在内燃机中发挥作用。涡轮增压器利用涡轮实现强制进气，它通常使用流体动力轴承作为支撑。然而，轴承会自然产生可导致负阻尼和系统故障的交叉耦合轴承力。借助转子动力学建模，你可以分析交叉耦合轴承力给涡轮增压器设计带来的影响。

什么是涡轮增压器？

涡轮增压器通过迫使额外的空气进入发动机燃烧室来增加内燃机的效率和功率输出。这种装置通常应用于基本交通运输方式中，例如汽车（包括燃气动力和柴油车）和摩托车，也应用于大型的交通工具，例如火车、轮船、飞机和航天器。

航天器推进系统中的涡轮增压器的剖面图。图片由 Quentin Schwinn（美国宇航局）提供，此作品在美国处于公有领域，通过 Wikimedia Commons 分享。

在发动机系统中，支撑涡轮增压器的流体动力轴承中存在的交叉耦合力在转子中通常起负阻尼作用。负阻尼会增加轴承失效的风险，实际上整个系统的故障风险都会增大。如果车辆发动机中的涡轮增压器发生故障，汽车可能会起火。

为了设计能够平稳运行的涡轮增压器，你可以使用“转子动力学模块”进行转子动力学分析，此模块属于“结构力学模块”和 COMSOL Multiphysics® 软件的附加产品。

COMSOL® 软件中适用于涡轮增压器设计的 2 种研究

该示例中的简单涡轮增压器模型包含一个涡轮机、一个压缩机和两个流体动力轴承：

“转子动力学模块”提供了两个专用于涡轮增压器建模的功能，方便用户创建几何模型以及物理场和研究设置。

适用于涡轮增压器模型的两种转子动力学研究。

此教学模型包括两个研究：

特征频率分析

频率响应分析

根据这些研究结果，你可以深入了解涡轮增压器的设计和运行条件，例如角速度和阻尼。

特征频率研究的结果

第一项研究计算涡轮增压器在不同角速度下的特征频率。一项值得注意的结果是对数减量，我们可以根据该值判断转子系统的稳定性。若对数减量为正，则认为系统是稳定的。负值表示系统不稳定，而零值表示模式中不存在阻尼。

不存在（左）和存在（右）交叉耦合刚度的涡轮增压器模型的对数减量图。

在轴承设置中添加交叉耦合刚度项之后，涡轮增压器的对数减量多为负值。这说明在存在交叉耦合刚度的情况下，稳定振动模式变得不稳定——在测试速度下运行涡轮增压器是非常危险的。

为了增加对数减量，提高系统稳定性，我们可以在涡轮增压器设计中添加一些组件，例如：

可倾瓦轴承

浮环轴承

转子中的材料阻尼

挤压油膜阻尼器

频率响应仿真结果

频率响应研究的结果可以利用瀑布 图进行可视化，直观展示转子的频谱如何随着不同的角速度而变化。我们又一次比较了有无交叉耦合力的涡轮增压器的响应情况。

不存在（左）和存在（右）交叉耦合刚度的涡轮增压器模型的瀑布图。

如上图所示，由于存在涡轮离心力，而且无交叉耦合刚度的涡轮增压器中存在压缩机，许多模式受到激励。然而，在有 刚度的涡轮增压器中，并非所有模式都被激励。此结果意味着：当在涡轮机离心力和压缩机的作用下，交叉耦合刚度消失时，一些模式会受到激励；若产生刚度，则这些模式不再受激励。因此可得出结论：当存在交叉耦合刚度时，我们可能需要不同的载荷工况组合来激励这些模式。