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        柴油機(jī)渦輪增壓器冷卻數(shù)值研究

        2018-09-05 03:27:22趙丕歡冀翼楊建文史麗媛
        車用發(fā)動(dòng)機(jī) 2018年4期
        關(guān)鍵詞:密封環(huán)水冷增壓器

        趙丕歡,冀翼,楊建文,史麗媛

        (天津北方天力增壓技術(shù)有限公司,天津 300400)

        隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度的不斷提高,發(fā)動(dòng)機(jī)的排溫越來越高,渦輪增壓器的熱負(fù)荷因此不斷提高,工作環(huán)境越來越惡劣,將引起軸承體渦端密封環(huán)處和渦端浮動(dòng)軸承處的溫度過高,長期使用會(huì)導(dǎo)致潤滑油結(jié)焦,密封環(huán)發(fā)生積炭而失去彈性,從而造成增壓器漏油及軸系可靠性下降甚至損壞等問題。為保證浮動(dòng)軸承和密封環(huán)的正常工作,要求渦輪端浮動(dòng)軸承部位的溫度不超過150 ℃,密封環(huán)處的溫度不超過230 ℃。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪箱進(jìn)口溫度達(dá)到并超過700 ℃時(shí),僅靠潤滑油來降低軸承體的溫度已無法保證增壓器的正常工作,需通過水冷卻來降低增壓器的熱負(fù)荷,保證增壓器的工作可靠性。渦輪增壓器的散熱成為影響增壓器壽命和性能的關(guān)鍵因素之一。

        與某柴油機(jī)相匹配的增壓器在標(biāo)定點(diǎn)工作時(shí),渦輪箱進(jìn)氣口排氣溫度為763 ℃,高溫排氣對(duì)軸承體的熱傳遞引起渦端密封環(huán)處和渦端浮動(dòng)軸承處的溫度過高,影響增壓器的可靠性。為保證渦輪增壓器正常工作,需通過優(yōu)化設(shè)計(jì)水冷軸承體來降低軸承體的熱負(fù)荷。

        本研究通過增壓器熱流固耦合數(shù)值模擬來研究增壓器的冷卻與散熱問題,為了更真實(shí)地反映增壓器軸承體的傳熱與散熱,建立壓氣機(jī)端流場和渦輪端流場模型,非水冷及水冷軸承體模型,水腔及油腔模型,沖壓隔熱罩模型,通過CFD軟件進(jìn)行熱流固耦合分析,得到非水冷及水冷軸承體的溫度場,評(píng)價(jià)增壓器的冷卻設(shè)計(jì)是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

        1 流固耦合邊界的共軛傳熱原理

        采用機(jī)油和冷卻水同時(shí)冷卻的方式能很好地解決渦輪增壓器軸承體散熱問題,在渦輪增壓器流固耦合傳熱邊界上有:

        qw|solid=qw|fluid。

        (1)

        當(dāng)黏性流體在貼近壁面附近流動(dòng)且流速很小時(shí),其相對(duì)運(yùn)動(dòng)可忽略不計(jì)。在渦輪增壓器水冷軸承體壁面流體層處由傅里葉熱定律可知:

        qw|fluid=-λgradt。

        (2)

        式中:-λgradt為貼近壁面法線方向上流體溫度梯度。

        而對(duì)流傳熱的牛頓冷卻公式為

        qw|fluid=h(tw-tf)。

        (3)

        式中:h為對(duì)流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);tw和tf分別為交界面和附近冷卻液的溫度。

        由式(2)和式(3)可以得到對(duì)流傳熱表面換熱系數(shù)與流體溫度場的關(guān)系式:

        (4)

        2 軸承體及各流場模型的建立及網(wǎng)格劃分

        為提高計(jì)算效率和計(jì)算精度,避免計(jì)算出錯(cuò)及計(jì)算時(shí)間過長等問題,提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量,對(duì)模型進(jìn)行了簡化和修復(fù),去除對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的小孔和外表面不倒角等特征,在真實(shí)反映水冷軸承體、壓氣機(jī)流場及渦輪端流場傳熱特征的同時(shí),減少不必要的幾何特征,粘合表面、修補(bǔ)壞面、修繕尖角、融合曲線。壓氣機(jī)和渦輪端流場域分為進(jìn)口域、轉(zhuǎn)子域及通道流場域,水冷軸承體包含軸承體固場域及水腔和油腔流場域,非水冷軸承體包括固場域和油腔流場域。

        選用單元長度最小為0.5 mm,最大為3 mm的4節(jié)點(diǎn)四面體等參元對(duì)軸承體及各流場模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了準(zhǔn)確模擬壁面處的換熱系數(shù),對(duì)耦合交界面處的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,生成的非水冷及水冷增壓器的流固耦合有限元網(wǎng)格見圖1和圖2,非水冷增壓器共生成229 693個(gè)節(jié)點(diǎn)、1 143 226個(gè)單元,水冷增壓器共生成232 591個(gè)節(jié)點(diǎn)、1 161 723個(gè)單元。

        圖1 非水冷增壓器流固耦合模型 圖2 水冷增壓器流固耦合模型

        3 流體域與固體域邊界條件

        3.1 模型材料

        準(zhǔn)確的材料物性參數(shù)是熱流固耦合分析獲得準(zhǔn)確結(jié)果的重要前提,流體域和固體域(軸承體的材料為HT250、隔熱罩材料為12Cr18Ni9)的材料物性見表1。

        表1 增壓器流體域和固體域的材料物性

        3.2 邊界條件

        在熱流固耦合分析中,約束條件施加得正確與否,很大程度上影響計(jì)算的精確性與計(jì)算結(jié)果和實(shí)際的一致性。增壓器工作時(shí),軸承體的熱負(fù)荷主要來源于進(jìn)入渦輪箱并做功的高溫燃?xì)夂瓦M(jìn)入壓氣機(jī)并做功的溫度升高的空氣。為盡可能模擬增壓器的真實(shí)工作,壓氣機(jī)端、渦輪端、軸承體冷卻水及潤滑油的流場均以發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行施加(見表2)。

        表2 流場邊界條件

        軸承體通過外壁面散熱,環(huán)境溫度為25 ℃,傳熱系數(shù)為25 W/(m2·K),增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),壓氣機(jī)與渦輪的轉(zhuǎn)速相等,因此壓氣機(jī)和渦輪的轉(zhuǎn)子域設(shè)定的轉(zhuǎn)速為125 000 r/min(13 083.33 rad/s)。

        4 非水冷與水冷軸承體計(jì)算結(jié)果分析

        4.1 非水冷軸承體

        圖3和圖4分別示出非水冷增壓器溫度分布和軸向豎直平面上的溫度分布。由圖可見,增壓器軸承體的溫度主要來源為進(jìn)入渦輪箱的燃?xì)鈱?duì)軸承體的熱傳遞,另一部分來源于進(jìn)入壓氣機(jī)并做功有溫度升高的空氣對(duì)軸承體無葉擴(kuò)壓面的熱傳遞。由于沒有冷卻水的冷卻,軸承體擴(kuò)壓面處的溫度和擴(kuò)壓面附近的氣體溫度相當(dāng),在190 ℃左右。沖壓隔熱罩能對(duì)進(jìn)入渦輪箱的氣體起到較好的隔熱作用,能防止進(jìn)入渦輪輪背的高溫氣體直接對(duì)軸承體的熱傳遞。

        渦輪增壓器非水冷軸承及軸向豎直平面上的溫度分布見圖5。軸承體僅靠主油道的機(jī)油(冷卻增壓器后)進(jìn)行冷卻,靠近渦輪端面軸承體部位直接受到通過沖壓隔熱罩與轉(zhuǎn)子軸間隙的高溫尾氣加熱,此處溫度最高,與軸承體壓氣機(jī)端接觸的是經(jīng)過葉輪做功后的壓縮空氣,此處溫度最低。軸承體溫度分布由渦端向壓端逐漸遞減,渦輪端密封環(huán)處的溫度為348.3 ℃左右,超過了230 ℃,增壓器渦輪端密封環(huán)無法在此溫度下正常工作;渦端浮動(dòng)軸承處的溫度為190.3 ℃左右,也超過150 ℃,渦輪端浮動(dòng)軸承也無法在此溫度下長期工作。需根據(jù)增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)上的安裝要求重新設(shè)計(jì)軸承體,通過向增壓器軸承體引入冷卻水進(jìn)行冷卻,再加上機(jī)油對(duì)軸承體的冷卻以保證增壓器可靠工作。

        圖3 非水冷增壓器溫度分布

        圖4 非水冷增壓器軸向豎直平面上的溫度分布

        圖5 非水冷軸承體及豎直平面上溫度分布

        4.2 水冷軸承體

        由于受到安裝空間的限制,水冷軸承體設(shè)計(jì)成半環(huán)形。在冷卻水和機(jī)油共同冷卻下,增壓器溫度分布及軸向豎直平面上的溫度分布見圖6和圖7。由圖可知,在冷卻水的作用下,渦輪增壓器軸承體的溫度得到大幅度的下降。

        圖8示出軸承體及軸向豎直平面上的溫度分布。仿真顯示,渦輪端水冷軸承體密封環(huán)處的溫度為220 ℃左右,沒超過密封環(huán)的可靠使用溫度230 ℃。水冷軸承體渦輪端浮動(dòng)軸承處的上半部分靠近冷卻水腔,得到進(jìn)一步冷卻,溫度為80.8 ℃左右,下半部分遠(yuǎn)離冷卻水腔,僅靠機(jī)油對(duì)軸承體冷卻,溫度為88.8 ℃左右,靠近壓氣機(jī)端的軸承體浮動(dòng)軸承部位為81.9 ℃左右,均沒超過增壓器浮動(dòng)軸承座處的可靠工作溫度150 ℃??梢?,冷卻水有效地減少了從軸承體渦輪端傳遞至壓氣機(jī)端的熱量,若不受增壓器安裝空間限制,應(yīng)把水冷軸承體的水腔設(shè)計(jì)成整環(huán)式水腔,以更好地冷卻軸承體。

        圖6 水冷增壓器溫度分布

        圖7 水冷增壓器軸向豎直平面上的溫度分布

        圖8 水冷軸承體及豎直平面上溫度分布

        5 試驗(yàn)驗(yàn)證

        試驗(yàn)采取自循方式,增壓器轉(zhuǎn)速控制在125 000 r/min,潤滑油進(jìn)口壓力和溫度分別為0.4 MPa,50 ℃,渦輪前溫度控制在763 ℃,穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)15 min后記錄測點(diǎn)數(shù)據(jù)。增壓器驗(yàn)證條件測點(diǎn)布置具體見圖9,測點(diǎn)布置時(shí)應(yīng)控制熱電偶球頭距離軸承和密封環(huán)擋臺(tái)面0.5~1.0 mm 之內(nèi),軸承體渦輪端密封環(huán)處的溫度測量采用3個(gè)工業(yè)鎧裝熱電偶傳感器(WRKK-112),傳感器均布于密封環(huán)的四周,測量取平均值;浮動(dòng)軸承部位的溫度測量需繞開水道,3個(gè)鎧裝熱電偶傳感器(WRKK-112)均布于回油位置100°范圍內(nèi)。

        表3 列出仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。對(duì)比結(jié)果顯示,最大相對(duì)誤差為 4% ,滿足工程計(jì)算的要求,水冷軸承體的溫度場分布滿足增壓器的可靠工作要求。

        圖9 軸承體測點(diǎn)布置

        測點(diǎn)密封環(huán)處仿真值測量均值誤差/%軸承處仿真值測量均值誤差/%水冷220216.91.4388.892.54非水冷348.3341.22.1190.3196.23.2

        6 結(jié)論

        a) 在考慮壓氣機(jī)端和渦輪端流場對(duì)軸承體進(jìn)行熱傳遞的情況下,通過Ansys CFX軟件,采用流固耦合穩(wěn)態(tài)數(shù)值分析方法對(duì)渦輪增壓器非水冷及水冷軸承體進(jìn)行了分析,仿真結(jié)果表明,非水冷軸承體僅靠機(jī)油進(jìn)行冷卻,無法保證增壓器軸系的正??煽抗ぷ鳎柰ㄟ^冷卻水和機(jī)油的共同冷卻,使增壓器在排溫較高的柴油機(jī)工況下長期正常工作;

        b) 水冷軸承體渦端浮動(dòng)軸承上半部位得到冷卻水較好地冷卻,溫度較下半部位低,若水冷軸承體不受增壓器外形的限制,且保證軸承體具有足夠大的回油腔以防止回油不暢,應(yīng)把水冷軸承體的水腔設(shè)計(jì)成整環(huán)形,以進(jìn)一步地冷卻軸承體渦端密封環(huán)處和浮動(dòng)軸承處,更好地保證增壓器可靠工作;

        c) 試驗(yàn)結(jié)果表明,仿真結(jié)果與試驗(yàn)值較為接近,基于CFD軟件進(jìn)行流固耦合分析增壓器的冷卻散熱問題,以評(píng)價(jià)增壓器的可靠性,能縮短增壓器研發(fā)周期。

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