任兆欣， 蘇鐵熊， 邢衛(wèi)東， 王正 ， 邵萍 ， 李靜

(1. 中北大學機電工程學院, 山西 太原 030051；2. 中國北方發(fā)動機研究所柴油機增壓技術重點實驗室， 天津 300400；3. 北京城區(qū)供電開發(fā)總公司， 北京 100022)

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高原環(huán)境下增壓器壓氣機葉輪輪轂疲勞可靠性研究

任兆欣1, 2， 蘇鐵熊1， 邢衛(wèi)東2， 王正2， 邵萍2， 李靜3

(1. 中北大學機電工程學院, 山西 太原 030051；2. 中國北方發(fā)動機研究所柴油機增壓技術重點實驗室， 天津 300400；3. 北京城區(qū)供電開發(fā)總公司， 北京 100022)

針對渦輪增壓器壓氣機葉輪在高原地區(qū)工作時潛在的輪轂疲勞失效模式，研究了高原環(huán)境下渦輪增壓器轉速的變化規(guī)律以及壓氣機葉輪輪轂疲勞失效危險部位的應力。在此基礎上，建立了增壓器壓氣機葉輪的輪轂疲勞可靠度計算模型，分析了增壓器壓氣機葉輪輪轂疲勞可靠度隨不同海拔高度的變化規(guī)律。研究表明，當發(fā)動機在高海拔地區(qū)工作時，渦輪增壓器壓氣機葉輪發(fā)生輪轂疲勞失效的風險在增大，隨著海拔高度的增加，壓氣機葉輪輪轂的疲勞可靠性在降低。

渦輪增壓器； 高原環(huán)境； 壓氣機葉輪； 疲勞失效； 可靠性

渦輪增壓器是車用發(fā)動機功率密度提升和改善高原環(huán)境適應性的關鍵部件之一。壓氣機葉輪作為渦輪增壓器的核心部件，其可靠性對整個渦輪增壓器有著重要的影響。

渦輪增壓柴油機在高海拔地區(qū)工作時，由于環(huán)境的改變，發(fā)動機的進氣量、燃燒、熱損失、輸出功率、燃油消耗率以及渦輪增壓器的性能參數(shù)等均會發(fā)生變化，使得發(fā)動機的機械負荷和熱負荷狀況與平原地區(qū)不同，這時，增壓器渦輪的進口燃氣溫度、增壓器轉速、最高燃燒壓力、燃燒過量空氣系數(shù)和燃油消耗率等諸因素中的任一因素均可能成為限制發(fā)動機功率正常輸出的障礙[1-2]。通常，限制渦輪增壓柴油機功率發(fā)揮的最主要因素為渦輪前燃氣溫度或增壓器轉速。對于渦輪增壓器壓氣機葉輪而言，柴油機在高海拔地區(qū)工作時渦輪增壓器的轉速總體上呈現(xiàn)增大的趨勢，增壓器轉速的增大會使壓氣機葉輪輪轂部位的應力增加，壓氣機葉輪發(fā)生輪轂疲勞破壞的風險也隨之增大。

針對增壓器壓氣機葉輪的可靠性問題，國內外學者從不同角度進行了研究[3-12]。林海英等針對某航空活塞發(fā)動機渦輪增壓器葉片強度、振動問題，結合氣動設計和結構改進設計，對葉輪在離心力作用下的強度和振動模態(tài)進行分析[3]。張虹等通過對車用增壓器壓氣機葉輪內應力特點的分析，找到了車用增壓器壓氣機葉輪應力集中的位置，研究了如何利用幾何參數(shù)的修改來減小集中應力，建立了車用增壓器壓氣機葉輪強度分析的過程和方法[4]。Pankaj Kumar等[6]采用修正的數(shù)值分析方法對轉子葉片的單自由度非線性隨機振動及可靠性進行了研究。黃若等針對某型增壓器壓氣機葉輪的低周疲勞失效模式，對壓氣機葉輪進行了強度計算和分析，得到了應力—轉速曲線，為葉輪低周疲勞試驗提供了理論依據(jù)[9]。陳曉偉等應用有限元法對某增壓器壓氣機葉片進行了靜應力分析與計算，得到危險點的應力均值, 然后通過改進的一次二階矩法對該葉片進行了靜強度可靠性分析[11]。

本研究以某渦輪增壓器壓氣機葉輪為例，針對高原環(huán)境下壓氣機葉輪潛在的輪轂疲勞失效模式，分析高原環(huán)境下渦輪增壓器轉速的變化以及壓氣機葉輪輪轂疲勞失效危險部位的應力響應，研究壓氣機葉輪輪轂疲勞可靠性的變化規(guī)律。

1 高原環(huán)境下壓氣機葉輪輪轂的失效分析

輪轂疲勞失效是車用渦輪增壓器壓氣機葉輪的典型失效模式之一，壓氣機葉輪輪轂的疲勞破壞不僅會使增壓器無法正常工作，有時還會擊穿蝸殼引起發(fā)動機其他部件的損壞。對于車用渦輪增壓器壓氣機葉輪，在不發(fā)生葉片共振的情況下，其最大應力位置(即失效危險部位)通常會出現(xiàn)在葉輪的輪轂部位(見圖1)。

由于車用發(fā)動機工作剖面的復雜性，渦輪增壓器的工作狀態(tài)參數(shù)隨發(fā)動機運行工況的改變在不斷發(fā)生變化，導致壓氣機葉輪輪轂危險部位承受著交變載荷的作用，壓氣機葉輪存在發(fā)生輪轂疲勞失效的可能，特別是當發(fā)動機在高原環(huán)境下運行時，隨著渦輪增壓器轉速的增加，壓氣機葉輪輪轂失效危險部位的應力也隨之增大，壓氣機葉輪發(fā)生輪轂疲勞失效的風險也在增加。渦輪增壓器壓氣機葉輪輪轂部位的應力主要由增壓器的轉速所決定。在這里，以某型車用6缸渦輪增壓柴油機為例，運用GT仿真分析軟件，通過建立渦輪增壓器與發(fā)動機的性能聯(lián)合仿真模型，并結合發(fā)動機的高原性能試驗數(shù)據(jù)，研究發(fā)動機在不同海拔下運行時渦輪增壓器的轉速隨海拔高度與發(fā)動機運行工況的變化。

圖2示出該型車用6缸渦輪增壓柴油機在不同海拔工作時渦輪增壓器轉速的變化曲線。從圖2中可以看出，在發(fā)動機轉速一定的情況下，隨著海拔高度的增加渦輪增壓器的工作轉速在逐漸增大，特別是當海拔高度為4 500 m時，在發(fā)動機轉速為2 200 r/min的工況下，渦輪增壓器的轉速較平原地區(qū)增加了約17.6%。

2 壓氣機葉輪輪轂失效危險部位應力分析

壓氣機葉輪輪轂失效危險部位的應力歷程是進行其疲勞可靠性分析與壽命預測的基礎。壓氣機葉輪的應力歷程取決于其工作狀態(tài)參數(shù)，并由渦輪增壓器所匹配發(fā)動機的任務剖面所決定。在這里，將發(fā)動機耐久性考核試驗剖面作為增壓器壓氣機葉輪輪轂疲勞可靠性分析的依據(jù)，表1列出發(fā)動機耐久性考核試驗剖面的工況組成。

表1 發(fā)動機耐久性考核試驗剖面的工況組成

由于發(fā)動機在空載運轉時增壓器轉速較低，從表1可以看出，該型車用柴油機的耐久性考核試驗剖面主要由4種工況組成，即工況3～工況6，因此在對渦輪增壓器壓氣機葉輪輪轂失效危險部位進行應力分析時，可以針對表1所示柴油機耐久性考核試驗剖面中的這4種主要工況進行。

渦輪增壓器壓氣機葉輪工作時輪轂部位承受著離心載荷和熱載荷的作用，圖3示出壓氣機葉輪在離心載荷作用下的應力分布，圖4示出渦輪增壓器在某工況下運行時壓氣機葉輪的內部溫度場分布。結合圖3和圖4可以看出，作用于壓氣機葉輪輪轂失效危險部位的熱載荷相對較小，因此，在對壓氣機葉輪輪轂失效危險部位進行應力分析時，可以忽略熱載荷的影響。

根據(jù)發(fā)動機的耐久性考核試驗剖面，運用增壓器與發(fā)動機聯(lián)合工作過程仿真模型，可以計算得到發(fā)動機在不同海拔高度運行時，對應耐久性試驗剖面中4種主要工況的渦輪增壓器轉速。表2列出當發(fā)動機在海拔高度為4 500 m的環(huán)境下運行時，渦輪增壓器在4種工況下的轉速。

表2 渦輪增壓器轉速

在確定渦輪增壓器轉速的基礎上，運用有限元方法可以計算得到在不同海拔條件下對應發(fā)動機耐久性考核試驗剖面中4種主要工況的壓氣機葉輪輪轂失效危險部位的應力。進一步，結合發(fā)動機的耐久性考核試驗剖面，可以得到壓氣機葉輪輪轂失效危險部位的疲勞應力歷程(見圖5)。

3 壓氣機葉輪輪轂疲勞可靠性建模與可靠 度變化分析

為確定壓氣機葉輪輪轂失效危險部位的疲勞強度，按照圖6所示的試驗樣件取樣方法[12]，設計了壓氣機葉輪輪轂疲勞強度模擬試驗樣件，選取了45個該型號壓氣機葉輪，制作了葉輪輪轂疲勞試驗樣件，并進行了疲勞性能測試。根據(jù)試驗結果，壓氣機葉輪輪轂部位的疲勞壽命對數(shù)均值和對數(shù)標準差與應力水平之間的關系可以分別表示為

μlgN+0.025 37s=10.123 6，

(1)

σlgN+0.026 31s=8.526 9。

(2)

式中：N為疲勞壽命；s為應力；μlgN和σlgN分別為疲勞壽命對數(shù)均值和標準差。

根據(jù)線性Miner累積損傷法則，對應發(fā)動機耐久性考核試驗剖面的一次試驗循環(huán)(試驗時間為10h)，增壓器壓氣機葉輪輪轂失效危險部位的疲勞累積損傷量為[12]

(3)

式中：Ni為對應應力水平si時的疲勞壽命；n為應力水平數(shù)量。

進一步，可以得到壓氣機葉輪輪轂發(fā)生疲勞破壞前經歷的發(fā)動機耐久性考核試驗循環(huán)次數(shù)w為

(4)

壓氣機葉輪輪轂對應疲勞失效模式的功能函數(shù)可以表示為

(5)

以發(fā)動機耐久性考核試驗循環(huán)次數(shù)w作為壓氣機葉輪輪轂的疲勞壽命度量指標時，壓氣機葉輪輪轂對應疲勞壽命w的可靠度可以表示為[12]

(6)

采用一次二階矩法，令xi=lgNi，壓氣機葉輪輪轂對應疲勞失效模式的功能函數(shù)可以寫成為

(7)

壓氣機葉輪輪轂對應疲勞壽命w的可靠度可以近似表示為

(8)

式中，Φ(·) 為標準正態(tài)分布的累積分布函數(shù)。

將壓氣機葉輪的輪轂應力參數(shù)與強度參數(shù)代入式(8)，可以計算得到壓氣機葉輪輪轂疲勞可靠度的變化規(guī)律(見圖7)。從圖7中可以看出，隨著海拔高度的增加，壓氣機葉輪輪轂疲勞可靠度在降低；同時，隨著發(fā)動機考核試驗剖面循環(huán)次數(shù)的增加，壓氣機葉輪輪轂疲勞可靠度在逐漸減小。

4 結束語

針對某型渦輪增壓器壓氣機葉輪在高原環(huán)境下潛在的輪轂疲勞失效模式，分析了壓氣機葉輪輪轂疲勞失效的特點，研究了高原環(huán)境下渦輪增壓器轉速的變化規(guī)律以及在不同海拔工作時，壓氣機葉輪輪轂疲勞失效危險部位的應力響應。在此基礎上建立了增壓器壓氣機葉輪的輪轂疲勞可靠度計算模型，研究了發(fā)動機在不同海拔高度工作時渦輪增壓器壓氣機葉輪的輪轂疲勞可靠度隨壽命的變化規(guī)律。研究表明，當發(fā)動機在高原環(huán)境下運行時，隨著渦輪增壓器轉速的增加，壓氣機葉輪輪轂失效危險部位的應力也隨之增大，壓氣機葉輪發(fā)生輪轂疲勞失效的風險也在增加。隨著海拔高度的增加，增壓器壓氣機葉輪輪轂疲勞可靠性在降低；同時，隨著發(fā)動機考核試驗剖面循環(huán)次數(shù)的增加，壓氣機葉輪輪轂疲勞可靠度在逐漸減小。

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[12] 王增全, 王正.車用渦輪增壓器結構可靠性[M]. 北京：科學出版社,2013.

[編輯: 李建新]

Fatigue Reliability of Compressor Impeller Hub for Turbocharger in Plateau Environment

REN Zhaoxin1,2, SU Tiexiong1, XING Weidong2, WANG Zheng2, SHAO Ping2, LI Jing3

(1. College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;2. Key Laboratory of Diesel Engine Turbocharging Technology,China North Engine Research Institute, Tianjin 300400, China；3. Beijing urban Electrical Power Engineering Corporation, Beijing 100022, China)

For the fatigue failure mode of compressor impeller hub for turbocharger in plateau environment, the variation of turbocharger speed was analyzed and the stress at the fatigue failure location of compressor impeller hub was studied. Then, the fatigue reliability model of compressor impeller hub was developed and the law of impeller fatigue reliability with altitude was analyzed. The results show that the risk of hub fatigue failure for compressor impeller in high altitude area increases and the reliability of compressor impeller hub decreases with the increase of altitude.

turbocharger; plateau environment; compressor impeller; fatigue failure; reliability

2015-05-11;

2015-10-20

國家自然科學基金項目(51375465)

任兆欣(1973—)，男，研究員，博士，主要從事內燃機高原功率恢復技術的研究； renzhaoxin126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.011

TK411.8

B

1001-2222(2015)06-0055-04