探究不同工況下渦輪增壓器軸向載荷的變化

王 超，張廣西，徐止聽(tīng)，于新勇，李 嘉

(濰柴動(dòng)力股份有限公司 山東 濰坊 261205)

0 引言

渦輪增壓器作為現(xiàn)階段內(nèi)燃機(jī)上必不可少的零部件，其性能和可靠性一直備受重視。渦輪增壓器在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，兩個(gè)葉輪的正反面都有較大的氣壓載荷差異，這種載荷差異形成了沿增壓器轉(zhuǎn)子軸線方向的作用力。渦輪增壓器的軸向穩(wěn)定是受止推軸承影響的，止推軸承承載了渦輪增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的軸向載荷。

為了保證渦輪增壓器的穩(wěn)定運(yùn)行，其止推軸承必須能夠承載這個(gè)軸向作用力。因此，在設(shè)計(jì)渦輪增壓器時(shí)，應(yīng)詳細(xì)計(jì)算增壓器的軸向載荷，然后根據(jù)載荷大小設(shè)計(jì)相應(yīng)承載能力的止推軸承。在實(shí)際應(yīng)用中，渦輪增壓器的擦殼、斷軸等故障很多是由于止推軸承發(fā)生了問(wèn)題。止推軸承的主要故障模式是止推軸承磨損，導(dǎo)致磨損的可能原因?yàn)檩S向載荷超出設(shè)計(jì)值、軸系失穩(wěn)、潤(rùn)滑不良等。

排氣制動(dòng)作為一種提高制動(dòng)功的有效手段，應(yīng)用非常廣泛。但是排氣制動(dòng)工況時(shí)，渦輪增壓器渦后會(huì)形成很大的排氣背壓，使得渦輪增壓器的軸向力突然升高，導(dǎo)致止推軸承處油膜被破壞，進(jìn)而引起止推軸承磨損。需要注意的是，這種磨損發(fā)生之后會(huì)進(jìn)入一個(gè)惡性循環(huán)，下一次磨損會(huì)比上一次更容易發(fā)生。

本文主要是對(duì)不同工況下渦輪增壓器止推軸承的軸向載荷進(jìn)行研究，通過(guò)設(shè)計(jì)制作特殊渦輪增壓器試驗(yàn)樣件進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。針對(duì)排氣制動(dòng)工況，采用控制外特性工況下排氣制動(dòng)蝶閥的開(kāi)啟與關(guān)閉，用來(lái)模擬實(shí)際應(yīng)用中整車的排氣制動(dòng)最苛刻的工況。試驗(yàn)中采集記錄渦輪增壓器的各進(jìn)出口溫度、壓力、流量以及渦輪增壓器轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，最后通過(guò)計(jì)算，對(duì)渦輪增壓器止推軸承承載的軸向載荷進(jìn)行分析。

1 渦輪增壓器止推軸承軸向載荷試驗(yàn)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓器主要參數(shù)

本試驗(yàn)采用排量為13L的某型號(hào)直列六缸柴油機(jī)，渦輪增壓器后置，排氣尾管后安裝排氣制動(dòng)蝶閥，具體結(jié)構(gòu)如圖1。

渦輪增壓器的主要技術(shù)參數(shù)如表1：

1.2 試驗(yàn)樣件測(cè)點(diǎn)布置

此次試驗(yàn)采用表1所述規(guī)格的渦輪增壓器，根據(jù)渦輪增壓器軸向載荷計(jì)算方法所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳感器測(cè)點(diǎn)布置，以便采集準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)軸向載荷進(jìn)行計(jì)算評(píng)估。在試驗(yàn)前，制作渦輪增壓器特殊試驗(yàn)樣件，按照?qǐng)D2布置相關(guān)傳感器。

1)在壓氣機(jī)進(jìn)口處布置一只溫度傳感器(0～800℃)、兩只壓力傳感器(±17.5kPa，圓周方向?qū)ΨQ布置)，用于采集葉輪入口處溫度和壓力，分別記為T1C、P1C_a、P1C_b；

2)在壓殼上對(duì)應(yīng)葉輪葉尖處布置兩只壓力傳感器(0～350kPa，沿葉輪圓周方向?qū)ΨQ分布)，用于采集葉輪出口處壓力，分別記為PtC_a、PtC_b；

3)在壓氣機(jī)背板靠近葉輪背部中間位置設(shè)置兩只壓力傳感器(0～350kPa，沿葉輪圓周方向?qū)ΨQ分布)，用于采集葉輪背部壓力，分別記為PbC_a、PbC_b；

4)在渦殼對(duì)應(yīng)渦輪入口處布置兩只壓力傳感器(0～350kPa，沿渦輪圓周方向?qū)ΨQ分布)，用于采集渦輪入口處壓力，分別記為PtT_a、PtT_b；

5)在渦輪機(jī)出口處布置兩只壓力傳感器(0～350kPa，圓周方向?qū)ΨQ布置)，用于采集渦輪出口處壓力，分別記為P2T_a、P2T_b；

6)在中間體靠近渦輪背部中間位置布置兩只壓力傳感器(0～350kPa，沿葉輪圓周方向?qū)ΨQ分布)，用于采集渦輪背部壓力，分別記為PbT_a、PbT_b；

7)在壓殼上布置增壓器轉(zhuǎn)速傳感器。

1.3 試驗(yàn)方法

將前述的渦輪增壓器特殊試驗(yàn)樣件安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)并采集記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。按照表2所列工況進(jìn)行特定試驗(yàn)，其中前3項(xiàng)是采集計(jì)算常規(guī)工況下軸向載荷的變化，后2項(xiàng)試驗(yàn)是在外特性工況時(shí)控制制動(dòng)蝶閥開(kāi)啟關(guān)閉分析軸向載荷的變化。試驗(yàn)中分別檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、油門、增壓器轉(zhuǎn)速和1.2節(jié)中所述的溫度、壓力。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況

2 渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸軸向載荷數(shù)據(jù)分析與計(jì)算

渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的軸向載荷是由壓氣機(jī)葉輪的氣壓載荷和渦輪的氣壓載荷組成的。因?yàn)檩S向載荷只有在渦輪增壓器運(yùn)行時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，所以很難通過(guò)普通試驗(yàn)設(shè)備直接監(jiān)測(cè)和采集，一般是通過(guò)理論計(jì)算而來(lái)。本文參考《渦輪增壓器軸向力分析與止推軸承承載力評(píng)估》[1]、《渦輪增壓器推力軸承軸向載荷變化規(guī)律探究》[2]等文獻(xiàn)中的理論計(jì)算方法，結(jié)合合理的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和公式，通過(guò)相關(guān)的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)公式進(jìn)行止推軸承軸向載荷分析。

2.1 理論計(jì)算方法

如圖3所示，設(shè)渦輪端指向壓氣機(jī)端為正方向：

作用在壓氣機(jī)葉輪上的軸向力：

FC=FC3-FC1-FC2

作用在渦輪上的軸向力：

FT=FT1+FT2-FT3

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

F=FC+FT[2]

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)試驗(yàn)得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)前述計(jì)算方法進(jìn)行軸向載荷的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)不同工況下渦輪增壓器的軸向載荷是呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律的，而在排氣制動(dòng)工況時(shí)，隨著排氣制動(dòng)蝶閥的開(kāi)啟與關(guān)閉，渦輪增壓器的軸向載荷也跟著出現(xiàn)相應(yīng)的變化。

3.1 外特性工況

控制發(fā)動(dòng)機(jī)在外特性工況運(yùn)行，轉(zhuǎn)速?gòu)?00r/min依次增加至2100r/min，。渦輪增壓器軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖4。

當(dāng)渦輪增壓器轉(zhuǎn)速處于80000r/min以下范圍內(nèi)時(shí)，隨著渦輪增壓器轉(zhuǎn)速升高，渦輪增壓器的軸向載荷逐漸增大，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1600～1800r/min時(shí)達(dá)到最大值約449.2N；當(dāng)渦輪增壓器轉(zhuǎn)速處于80000r/min以上時(shí)，隨著渦輪增壓器轉(zhuǎn)速升高，渦輪增壓器的軸向載荷逐漸減小，額定點(diǎn)時(shí)的軸向載荷約為380N。

以上整個(gè)過(guò)程，渦輪增壓器的軸向載荷都是指向壓氣機(jī)端的。

3.2 定轉(zhuǎn)速負(fù)荷階躍工況

控制發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速(600～2100r/min)下進(jìn)行負(fù)荷率由0至100%的瞬態(tài)階躍變化運(yùn)行時(shí)，渦輪增壓器的軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速變化規(guī)律如圖5，圖中曲線從左到右依次為發(fā)動(dòng)機(jī)600～2100r/min轉(zhuǎn)速下渦輪增壓器的軸向載荷。

從圖中可以看出，在同一發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，進(jìn)行負(fù)荷階躍時(shí)，隨著渦輪增壓器增壓器轉(zhuǎn)速升高，其軸向載荷也會(huì)變大。

對(duì)不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的最大軸向載荷對(duì)比，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于1600r/min，進(jìn)行負(fù)荷階躍時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，渦輪增壓器的最大軸向載荷就會(huì)越大，最大值能達(dá)到約431N；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于1600r/min，進(jìn)行負(fù)荷階躍時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，渦輪增壓器的最大軸向載荷會(huì)逐漸減小。

以上整個(gè)過(guò)程，渦輪增壓器的軸向載荷都是指向壓氣機(jī)端的。

3.3 額定點(diǎn)急加速工況

此工況是控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷從怠速600r/min急加速過(guò)渡至額定點(diǎn)2100r/min，加載時(shí)長(zhǎng)分別為0s、5s、10s、30s，負(fù)荷率由0加載至100%。渦輪增壓器軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖6。

當(dāng)加載時(shí)間設(shè)定為0s時(shí)，渦輪增壓器軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速變化的趨勢(shì)是前半段較平緩，后半段較劇烈；加載時(shí)間設(shè)定為5s時(shí)，渦輪增壓器的軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速變化速率已經(jīng)趨于穩(wěn)定；加載時(shí)間設(shè)定為30s時(shí)，渦輪增壓器的軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)已經(jīng)跟前述3.1節(jié)的外特性試驗(yàn)結(jié)果類似。以上四種加速結(jié)束到達(dá)額定點(diǎn)穩(wěn)定后，渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速及軸向載荷的大小是相同的，約為380N。

以上整個(gè)過(guò)程，渦輪增壓器的軸向載荷都是指向壓氣機(jī)端的。

3.4 外特性—制動(dòng)蝶閥常閉工況

控制發(fā)動(dòng)機(jī)排氣制動(dòng)蝶閥常閉狀態(tài)，在外特性工況運(yùn)行，模擬排氣制動(dòng)蝶閥故障無(wú)法開(kāi)啟的工況。由于在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于1000r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法在排氣制動(dòng)蝶閥關(guān)閉的情況下穩(wěn)定運(yùn)行，所以試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍是1000～2100r/min。渦輪增壓器軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖7。

從試驗(yàn)結(jié)果看，制動(dòng)蝶閥關(guān)閉的情況下，在發(fā)動(dòng)機(jī)外特性工況，渦輪增壓器的最高轉(zhuǎn)速為32000r/min左右。當(dāng)渦輪增壓器轉(zhuǎn)速低于30000r/min時(shí)，隨著渦輪增壓器轉(zhuǎn)速升高，軸向載荷迅速增大，最高達(dá)到758N；當(dāng)渦輪增壓器轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，渦輪增壓器的軸向載荷開(kāi)始下降。

以上整個(gè)過(guò)程，渦輪增壓器的軸向載荷都是指向壓氣機(jī)端的。

3.5 外特性—制動(dòng)蝶閥開(kāi)啟關(guān)閉工況

控制發(fā)動(dòng)機(jī)在外特性工況運(yùn)行，并在每個(gè)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行一次排氣制動(dòng)蝶閥關(guān)閉-開(kāi)啟動(dòng)作。由于在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于1000r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法在排氣制動(dòng)蝶閥關(guān)閉的情況下穩(wěn)定運(yùn)行，所以試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍是1000～2100r/min。渦輪增壓器軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖8。圖中環(huán)形曲線從左到右依次為發(fā)動(dòng)機(jī)1000～2100r/min轉(zhuǎn)速下渦輪增壓器的軸向載荷。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1000r/min時(shí)，關(guān)閉排氣制動(dòng)蝶閥，渦輪增壓器的軸向載荷由20N上升到400N，同時(shí)渦輪增壓器轉(zhuǎn)速下降約4000r/min；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2100r/min，關(guān)閉排氣制動(dòng)蝶閥，渦輪增壓器的軸向載荷由60N上升到600N，同時(shí)渦輪增壓器轉(zhuǎn)速下降約12000r/min。

以上整個(gè)過(guò)程，渦輪增壓器的軸向載荷都是指向壓氣機(jī)端的。

4 結(jié)論

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)分析可知，渦輪增壓器的軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的變化受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、加載速率等影響。發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定工況時(shí)，渦輪增壓器軸向載荷與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)荷有關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高扭矩增大，相應(yīng)的渦輪增壓器軸向載荷也會(huì)變大；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在變工況時(shí)，渦輪增壓器軸向載荷與發(fā)動(dòng)機(jī)的加載時(shí)間有關(guān)，加載時(shí)間越長(zhǎng)，渦輪增壓器軸向載荷的變化越平穩(wěn)。

在排氣制動(dòng)工況時(shí)，渦輪增壓器的軸向載荷會(huì)出現(xiàn)很大的升高，甚至?xí)霈F(xiàn)數(shù)十倍的變化。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，排氣制動(dòng)蝶閥關(guān)閉時(shí)，排氣背壓越大，渦輪增壓器的軸向載荷就越大。

通過(guò)以上結(jié)論，帶有排氣制動(dòng)蝶閥的發(fā)動(dòng)機(jī)在可靠性開(kāi)發(fā)考核時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注排氣制動(dòng)對(duì)渦輪增壓器止推軸承的影響。在渦輪增壓器設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用時(shí)的軸向載荷，合理設(shè)計(jì)渦輪增壓器的止推軸承結(jié)構(gòu)，確保其承載能力能夠滿足實(shí)際使用時(shí)的軸向載荷需求。