渦輪增壓器推力軸承軸向載荷變化規(guī)律研探究

0 引言

渦輪增壓器是當(dāng)今內(nèi)燃機的關(guān)鍵零部件，由于渦輪增壓器的存在，使得發(fā)動機的功率密度和經(jīng)濟性得以顯著提升。渦輪增壓器作為一種高速旋轉(zhuǎn)葉輪機械，其軸承系統(tǒng)必須具有良好的可靠性才能保證渦輪增壓器的穩(wěn)定運行。一旦渦輪增壓器軸承系統(tǒng)發(fā)生故障，將導(dǎo)致整個渦輪增壓器在瞬間發(fā)生致命性損壞，甚至引起發(fā)動機整機的損壞，故對于渦輪增壓器軸承系統(tǒng)的研究是非常必要的。

渦輪增壓器軸承系統(tǒng)一般主要包括浮動軸承和推力軸承。浮動軸承主要承載渦輪增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運行時的徑向載荷，限制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的徑向晃動；推力軸承主要承載渦輪增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運行時的軸向載荷，限制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸向竄動。實際開發(fā)與運行過程中，關(guān)于推力軸承的常見故障模式主要為推力軸承磨損，而推力軸承磨損的主要可能原因為軸向載荷超限、軸系失穩(wěn)、潤滑不足等。

本文主要對推力軸承軸向載荷進行研究，通過實際臺架試驗，控制發(fā)動機工況變化，監(jiān)控并記錄渦輪增壓器空氣、排氣溫度、壓力、流量以及渦輪增壓器轉(zhuǎn)速等參數(shù)，后通過理論計算方法進行渦輪增壓器推力軸承軸向載荷的分析與研究。

1 渦輪增壓器推力軸承軸向載荷測試試驗

1.1 發(fā)動機與渦輪增壓器技術(shù)參數(shù)

本試驗采用排量為8L的某型號EGR柴油機，渦輪增壓器型號為GT35。

渦輪增壓器主要技術(shù)參數(shù)如表1：

MSCT對狹窄度≥70%、50%～70%者診斷的敏感度、準(zhǔn)確度、特異度、陽性預(yù)測值等較狹窄度＜50%者均顯著較高，且P＜0.05。見表2。

1.2 試驗樣件準(zhǔn)備

本試驗采用1.1節(jié)所述規(guī)格的渦輪增壓器，按照如下要求布置如下傳感器，如圖1：

2011年發(fā)生在太平洋沿岸近海的東北地震（此后稱東北地震），摧毀了本州島東北部的大部分區(qū)域。在P波達到后的8s，即發(fā)震時刻后的31s，對東北地區(qū)的公眾就發(fā)布了地震預(yù)警（EEW。Hoshiba and Iwakiri，2011；Hoshiba et al，2011；Sagiyaet al，2011）。在這個區(qū)域中沒有盲區(qū)，也就是說，在S波達到之前，所有位置都接收到了預(yù)警，這是因為該地震離海岸相當(dāng)遠。

1)在壓氣機入口處分別安裝一只溫度傳感器、兩只壓力傳感器(圓周方向?qū)ΨQ布置)，監(jiān)測葉輪入口處溫度、壓力，分別記為T

、P

、P

；

2)在壓殼對應(yīng)葉輪出口處設(shè)置兩只壓力傳感器(沿葉輪圓周方向?qū)ΨQ分布)，監(jiān)測葉輪出口處壓力，分別記為P

、P

；

促進學(xué)生更快適應(yīng)社會發(fā)展 隨著當(dāng)今經(jīng)濟時代的到來，以信息技術(shù)為主的高新技術(shù)快速發(fā)展，傳統(tǒng)的技能教育已經(jīng)不能滿足時代發(fā)展。因此，學(xué)校在利用微課進行思想教育工作的同時，還應(yīng)該加強對學(xué)生職業(yè)核心能力的培養(yǎng)。目前，我國大多數(shù)用人單位都是看中學(xué)生的基本專業(yè)技能、解決實際問題的能力和社交能力，所以職業(yè)核心素養(yǎng)越來越被重視，并且成為社會考核人才的一項重要標(biāo)準(zhǔn)[7]。

小住幾日，總感覺有什么如影隨形，躲也躲不掉——這便是古城墻。在這座不乏高樓大廈，不乏滾滾都市氣息的省會城市里，走進走出，抬頭低頭，似乎都避不開那道古樸深沉的古城墻——雄偉的墻體，巍峨的角樓，整齊的垛口，仿佛一位仍在守護古都的暮年英雄。

2.2.2 男生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)測試各指標(biāo)間相關(guān)分析 從表6（見下頁）可以看出，男生體重與坐位體前屈、肺活量與引體向上變量間相關(guān)無顯著性外，其余變量間相關(guān)性都具有顯著性意義，具體相關(guān)程度見表7（見下頁）。

3)在壓氣機背板靠近葉輪背部中徑處設(shè)置兩壓力傳感器(沿葉輪圓周方向?qū)ΨQ分布)，監(jiān)測葉輪背部壓力，分別記為P

、P

；

4)在渦殼對應(yīng)渦輪入口處設(shè)置兩只壓力傳感器(沿渦輪圓周方向?qū)ΨQ分布)，監(jiān)測渦輪入口處壓力，分別記為P

、P

；

5)渦輪進口氣體對渦輪產(chǎn)生的軸向力：(以指向壓端為正)

每年節(jié)假日，尤其是春節(jié)前夕，我總會帶領(lǐng)班子成員到離退休的老領(lǐng)導(dǎo)、老教師家中慰問；教師或教師的家屬病了，我總是親自帶隊探望，有時還會幫助聯(lián)系醫(yī)院、醫(yī)生；解決教師子女的入園、升學(xué)問題，為有困難的職工及時送去一份關(guān)愛，也是我的重要工作。解決了教師的后顧之憂，他們才能全身心投入到教育教學(xué)工作中。多年來，幫助教師解決困難已經(jīng)成了我的習(xí)慣，這讓我和教師們的心靠得更近了。

6)在中間體靠近渦輪背部中徑處設(shè)置兩壓力傳感器(沿葉輪圓周方向?qū)ΨQ分布)，監(jiān)測渦輪背部壓力，分別記為P

、P

；

7)其余同正常樣件(帶增壓器轉(zhuǎn)速傳感器)。 圖1.渦輪增壓器傳感器布置示意圖

1.3 試驗方法

將1.1、1.2節(jié)所述特制的渦輪增壓器樣件安裝在發(fā)動機上，控制發(fā)動機分別按照表2所示工況運行，分別記錄發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩、油門開度、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速以及1.2節(jié)中所述的溫度、壓力。

2 數(shù)據(jù)分析與整理

2.1 推力軸承軸向載荷計算方法

渦輪增壓器推力軸承軸向載荷計算方法有很多種，一般常采用理論計算方法和數(shù)值計算方法。本文采用理論計算方法，具體理論計算公式可參考王延生與黃佑生共同編寫的《車輛發(fā)動機廢氣渦輪增壓》一書

，《車用渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸向力數(shù)值計算與分析》

、《渦輪增壓器軸向力分析與止推軸承承載力評估》

等文獻也采用了此理論計算方法進行推力軸承軸向載荷分析。

2.2 理論計算方法

如圖2所示，假設(shè)指向壓氣機端為正方向：

1)作用在葉輪進口平面上的氣體力：(以指向壓端為正)

旁多水利樞紐工程位于西藏自治區(qū)林周縣旁多鄉(xiāng)下游1.5km處的拉薩河干流上，為拉薩河中段梯級開發(fā)之首，是西藏自治區(qū)“十五”期間重點水利工程項目，工程任務(wù)以灌溉、發(fā)電為主，兼顧防洪和供水。

式中：

1

、

1

分別為葉輪入口處氣體壓力、溫度，

為葉輪入口氣體質(zhì)量流量，

1

為葉輪入口氣體流速，

為理想氣體常數(shù)；

當(dāng)渦輪增壓器轉(zhuǎn)速處于80000r/min以下時，隨著渦輪增壓器轉(zhuǎn)速升高，推力軸承指向壓氣機端的軸向載荷逐漸減??；

1.確保了國內(nèi)自產(chǎn)原油的加工后路?？碧桨鍓K通常每年自產(chǎn)原油1 億噸，生產(chǎn)成品油6600 萬噸，按照基礎(chǔ)量8000 萬噸的規(guī)?？杀Ｕ献援a(chǎn)原油的正常加工，順價銷售。

式中：

1

、

2

分別葉輪入口、出口半徑，

為葉輪入口至出口范圍內(nèi)半徑為

的圓環(huán)位置對應(yīng)的壓力，

2

為葉輪出口處壓力；

6)渦輪出口氣體對渦輪產(chǎn)生的軸向力：

3)作用在葉輪背上的氣體力：

式中：

0

為軸封半徑，

為葉輪背部氣體壓力，

為葉輪背部氣體密度，

2

為葉輪圓周速度；

4)作用在葉輪上的軸向力：

=

3

-

1

-

2

5)在渦輪機出口處分別安裝一只溫度傳感器、兩只壓力傳感器(圓周方向?qū)ΨQ布置)，監(jiān)測渦輪出口處溫度、壓力，分別記為T

、P

、P

；

式中：

3

為渦輪入口處壓力；

聚類分析顯示5個可能的研究熱點，值得注意的是漢語名詞化結(jié)構(gòu)、英語摘要、語法隱喻理論、《紅樓夢》英譯本。漢語名詞化結(jié)構(gòu)研究可關(guān)注朱德熙、沈家煊、陸儉明、呂叔湘、王冬梅等。英語摘要的名物化現(xiàn)象研究可關(guān)注Halliday、劉國輝、趙艷芳、肖建安、金娜娜等。語法隱喻理論研究可關(guān)注朱永生、胡壯麟、Martin、黃國文、張德祿、范文芳、叢迎旭、侯建波等。《紅樓夢》英譯本的名物化翻譯研究可關(guān)注Thompson、王克非、張丹丹等。

式中：

4

為渦輪出口處壓力，

為渦輪出口氣體質(zhì)量流量，

2

為渦輪出口氣體流速；

7)渦輪背部氣體對渦輪產(chǎn)生的軸向力：

式中：

為渦輪背部氣體壓力，

為葉輪背部氣體密度，

1

為渦輪圓周速度；

②出入線明挖段為三線矩形斷面，結(jié)構(gòu)斷面寬度15～19m，托換梁需跨過明挖隧道，托換梁最大跨度達23.3m，工程施工難度大，實施風(fēng)險高。

8)作用在渦輪上的軸向力：

=

1

+

2

-

3

渦輪增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)所受氣體軸向合力，亦即推力軸承所承受的軸向載荷為：

=

+

3 分析結(jié)果

通過發(fā)動機臺架試驗研究，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機在不同條件下改變運行工況時，渦輪增壓器推力軸承所承受的軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，具體如下：

也許，這才是人間煙火氣吧。易非想。陳留的腳會臭嗎？他看起來那么潔凈，都像有潔癖似的，肯定不會。若會，我會強迫他換襪子的，上午換一雙，下午再換一雙……想到這兒，易非笑了，笑過之后，倒在黑暗中不好意思的紅了臉，盡管這黑暗中的胡思亂想沒有人能察覺到。

3.1 發(fā)動機外特性穩(wěn)定運行工況

在發(fā)動機處于外特性工況穩(wěn)定運行時，通過調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速使渦輪增壓器轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，渦輪增壓器推力軸承軸向載荷隨增壓器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖3。

2)作用在葉輪進口外徑到出口外徑圓環(huán)面上的氣體力：

當(dāng)渦輪增壓器轉(zhuǎn)速處于80000r/min至100000r/min范圍內(nèi)時，軸向載荷變?yōu)橹赶驕u輪機端，并隨著渦輪增壓器轉(zhuǎn)速升高，指向渦輪機端的軸向載荷逐漸增大；

當(dāng)渦輪增壓器轉(zhuǎn)速處于100000r/min至110000r/min范圍內(nèi)時，隨著渦輪增壓器轉(zhuǎn)速升高，指向渦輪機端的軸向載荷逐漸減??；

當(dāng)渦輪增壓器轉(zhuǎn)速處于110000r/min以上時，軸向載荷又變?yōu)橹赶驂簹鈾C端，并隨著渦輪增壓器轉(zhuǎn)速升高，指向壓氣機端的軸向載荷逐漸增大，軸向載荷在發(fā)動機額定點時達到最大值，最大值約90N。

3.2 不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速負荷階躍工況

發(fā)動機分別在1000r/min、1400r/min、1800r/min、2100r/min轉(zhuǎn)速下進行負荷率由0至100%，過渡時長為0s的瞬時階躍變化運行時，渦輪增壓器推力軸承所承受的軸向載荷隨渦輪增壓器變化規(guī)律如圖4。

發(fā)動機階躍運行轉(zhuǎn)速越高，推力軸承所承受的軸向載荷越大，且會超出額定點穩(wěn)定運行工況的軸向載荷值，最大值能達約159N。

21世紀(jì)初，國際核電市場復(fù)蘇轉(zhuǎn)暖，日本企業(yè)在政府支持下通過收購和聯(lián)合等方式與國際核電技術(shù)巨頭開展合作，在當(dāng)時的國際市場上形成以日本企業(yè)為主的三足鼎立(日本東芝-美國西屋、日本三菱-法國阿?，m、日本日立-美國通用電氣)局面，并在美國、英國、越南和印度等國市場取得顯著進展。

3.3 不同過渡時長負荷階躍工況

發(fā)動機在2100r/min轉(zhuǎn)速下分別進行過渡時長為0s、5s、10s，負荷率由0至100%的階躍變化運行時，渦輪增壓器推力軸承所承受的軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速變化規(guī)律如圖5。

發(fā)動機負荷階躍過渡時長越短，推力軸承所承受的軸向載荷越大，軸向載荷最大的工況為過渡時長為0s的瞬態(tài)階躍，軸向載荷最大值能達約159N。

3.4 不同熱管理模式負荷階躍工況

發(fā)動機在2100r/min轉(zhuǎn)速分別采用Normal模式、DPF再生模式進行負荷率由0至100%的瞬時階躍變化運行時，渦輪增壓器推力軸承所受的軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速變化規(guī)律如圖6。

發(fā)動機處于DPF再生模式下進行負荷率由0至100%的瞬態(tài)負荷階躍工況運行時，推力軸承所受軸向載荷略大于Normal模式瞬態(tài)負荷階躍時的軸向載荷，最大值能達約161N。

綜上，在發(fā)動機處于不同階躍條件下運行時，渦輪增壓器推力軸承承受的軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律不同，熱管理模式也會對軸向載荷產(chǎn)生一定程度的影響。

4 結(jié)論

通過發(fā)動機臺架試驗探究分析，渦輪增壓器推力軸承承受的軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律受發(fā)動機運行工況影響，熱管理模式也會對軸向載荷產(chǎn)生一定程度的影響。發(fā)動機處于瞬態(tài)階躍運行工況時，渦輪增壓器推力軸承承受的軸向載荷遠大于穩(wěn)定運行工況，且運行工況瞬態(tài)變化越劇烈，推力軸承承受的軸向載荷越大。

故發(fā)動機運行工況的劇烈瞬態(tài)變化過程是渦輪增壓器推力軸承負載較為苛刻的工況，在實際產(chǎn)品可靠性開發(fā)考核過程中，對于渦輪增壓器推力軸承的考核驗證應(yīng)采用瞬態(tài)工況；實際產(chǎn)品電控數(shù)據(jù)標(biāo)定開發(fā)過程中，也應(yīng)重點關(guān)注發(fā)動機處于瞬態(tài)工況以及熱管理模式下運行時的保護策略標(biāo)定。

[1]王延生，黃佑生.車用發(fā)動機廢氣渦輪增壓[M].北京：國防工業(yè)出版社，1984:120-124.

[2]王云龍，張虹，田銳，等.車用渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸向力數(shù)值計算與分析[J].機械設(shè)計與制造，2014,3：37-40.

[3]張健健，馬敏，李偉，等.渦輪增壓器軸向力分析與止推軸承承載力評估[J].內(nèi)燃機與動力裝置，2021,38(2)：29-34.