Gegenwärtig werden nahezu alle modernen 6-Zylinder-Dieselmotoren von Nutzfahrzeugen mittels eines Abgasturboladers in Kombination mit einer Stoßaufladung aufgeladen. Dafür ist eine Trennung der Abgasleitungen notwendig. In Kombination mit einer zweiflutigen Abgasturbine ist die Abgastrennung bis hin zum Turbinenrad gewährleistet. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation der verschiedenen thermischen Belastungen, die während der Lebensdauer von Abgasturboladern auftreten. Aufgrund dieser Belastungen neigen Turbinengehäuse zur Rissbildung, wobei der Flutenteiler und die Zungenregion der Spirale die kritischen Bereiche darstellen. Eine 3D-CFD-Fluid-Strukturinteraktion wird dazu genutzt, den Wärmetransport vom Fluid in einen Festkörper zu berechnen. So kann in Abhängigkeit von unterschiedlichen Strömungsbedingungen das Temperaturfeld in einem Turbinengehäuse simuliert werden. Die berechneten Temperaturen werden als thermische Lasten einem Strukturnetz als Randbedingungen vorgegeben, um eine Strukturanalyse durchzuführen. Somit ist es möglich, frühzeitig im Entwicklungsprozess Turbinengehäuse zu bewerten und ggf. konstruktive Maßnahmen zu ergreifen, die die Rissbildung verringern oder im besten Fall ganz verhindern. Die gekoppelte Berechnung hochbelasteter Turbinenbauteile mittels CFD und FEM führt zu derart genauen Ergebnissen, dass diese zur Beurteilung der thermischen Ermüdung herangezogen werden können. Im Beispiel wurden die plastischen Verformungen an der Zunge und dem Flutenteiler eines Turbinengehäuses infolge eines Thermoschockzyklusses berechnet. Die simulierten lokalen Verformungsmaxima entsprachen den Risspositionen aus dem zyklischen Versuch. Die gewonnenen Erkenntnisse führten zu einer Umgestaltung der Gehäusekonstruktion, was eine deutliche Senkung des Ausmaßes plastischer Verformungen bewirkte. In der Konsequenz lässt sich das Rissverhalten positiv beeinflussen.
Thermomechanische Analyse von Turbinengehäusen auf Basis von Fluid-Struktur-Simulationen
Aufladetechnische Konferenz, 14 ; 141-154
2009
14 Seiten, 9 Bilder, 1 Tabelle, 5 Quellen
Conference paper
German
Thermomechanische Schaedigung - von der Mikrostruktur zur FE Analyse
Automotive engineering | 2008
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