“涡轮增压”这个词通常被通俗地用来描述速度的提高，比如“涡轮增压”咖啡比普通的一杯咖啡更能让你精力充沛。实际的涡轮增压器也能提高速度，但是是在内燃机中，而不是在你的晨杯中。涡轮增压器通过涡轮驱动的强制进气运行，通常依靠流体动力轴承来支撑。然而，这些轴承自然包括导致负阻尼和系统故障的交叉轴承力。使用转子动力学建模，您可以分析这些力如何影响涡轮增压器设计。

　　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提高内燃机的效率和发电量。这些设备通常用于我们的基本运输方式，如汽车(包括燃气动力和柴油)和摩托车，也可用于更大规模的应用，如火车、轮船、飞机和宇宙飞船。

　　航空航天推进用涡轮增压器的剖视图。昆廷·施文(美国国家航空航天局)拍摄的照片，通过维基共享空间。

　　用于在发动机系统中支撑涡轮增压器的流体动力轴承通常包括在转子中引起负阻尼的交叉耦合力。这增加了轴承故障的风险，实际上也增加了整个系统的故障风险。当汽车发动机中的涡轮增压器发生故障时，会导致汽车着火。

　　要设计成功运行的涡轮增压器，可以使用转子动力学模块，的附加组件结构力学模块还有COMSOL多物理软件。

　　COMSOL软件中涡轮增压器设计的研究

　　本例中使用的简单涡轮增压器模型包括一个涡轮、压缩机和两个流体动力轴承:

　　转子动力学模块包括该建模场景的专门功能，这使得您可以轻松设置模型几何以及物理和研究设置。

　　涡轮增压器模型的两个转子动力学研究

　　教程模型包括两项研究:

　　   1.特征频率分析

　　   2.频率响应分析

　　这些研究的结果让你深入了解涡轮增压器的设计和运行条件，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本征频率。这里一个显著的结果是对数衰减，用于确定转子系统稳定性的值。如果对数递减是正的，那么系统被认为是稳定的。负值表示系统不稳定，而零值表示模式中没有阻尼。

无(左)和有(右)交叉耦合刚度的涡轮增压器模型对数衰减曲线。

　　在包括轴承的交叉耦合刚度项后，涡轮增压器的对数衰减大部分为负值。这意味着在交叉耦合刚度存在的情况下，稳定的振动模式变得不稳定——并且在测试速度下操作涡轮增压器是危险的。

　　对数递减率以及系统稳定性可以通过对涡轮增压器设计进行某些增加来提高，例如:

　　   * 倾斜衬垫轴承

　　   * 浮动环轴承

　　   * 转子中的材料阻尼

　　   * 挤压薄膜阻尼器

　　频率响应模拟结果

　　对于频率响应研究的结果，您可以生成瀑布显示转子频谱如何随不同角速度变化的曲线图。再次，比较了有和没有交叉耦合力的涡轮增压器的响应。

瀑布无(左)和有(右)交叉耦合刚度的涡轮增压器模型的曲线图。

　　由于涡轮增压器中涡轮和压缩机的偏心率没有交叉耦合刚度，因此会激发许多模式，如上图所示。然而，对于涡轮增压器随着刚度，不是所有的模式都被激发。这一结果意味着，由于涡轮机和压缩机的偏心而在没有交叉耦合刚度的情况下激发的一些模式在刚度存在的情况下不再被激发。因此，在交叉耦合刚度存在的情况下，可能需要不同的载荷组合来激励这些模式。