劉演龍 鐘佳宏 何曉燕

摘要：針對船用渦輪增壓器在發(fā)動機(jī)實(shí)際工況下的疲勞失效模式，基于發(fā)動機(jī)的耐久試驗(yàn)任務(wù)剖面，分析了增壓器在不同工況下運(yùn)行時(shí)的渦輪轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，計(jì)算了船用渦輪增壓器渦輪疲勞危險(xiǎn)部位的應(yīng)力變化情況，其最大應(yīng)力出現(xiàn)部位位于葉片根部，最大應(yīng)力值為647MPa。利用線性Miner累計(jì)損傷法則，統(tǒng)計(jì)出渦輪增壓器渦輪在發(fā)動機(jī)整個(gè)耐久試驗(yàn)任務(wù)剖面過程中的總損傷量為0.004，根據(jù)總損傷量和耐久試驗(yàn)總時(shí)長，推算出渦輪增壓器渦輪的壽命為33334h;通過拉森-米勒參數(shù)法分析計(jì)算在工作狀態(tài)下，渦輪的蠕變壽命為316227h，為后續(xù)渦輪可靠性分析提供理論參考。

Abstract： According to the fatigue of marine turbocharger in actual working condition of the engine under the failure mode， durability test mission profile engine based on analysis of the rotational speed of the turbocharger under different working conditions of the marine turbochargers turbine fatigue dangerous parts of the stress calculation， the maximum stress position located at the blade root， the maximum stress value is 647MPa. By using the linear Miner cumulative damage law， the total damage of turbocharger turbine during the whole endurance test task is calculated to be 0.004. Combined with the existing material mechanics performance， the leaves of dispersion coefficient is 6， calculate the corresponding number of cycles 400 times， according to the total amount of damage and durability test of the total length， calculate the turbocharger turbine for the life of 33334h，and the creep life of the turbine is 316227h under working conditions by the Larsen-Miller parameter method， which provides a theoretical reference for subsequent turbine reliability analysis.

關(guān)鍵詞：軸流渦輪;疲勞壽命;線性Miner累計(jì)損傷法則;拉森-米勒參數(shù)法

Key words： axials turbine;fastigue life;linear Miner cumulative damage law;the larsen-miller parameter method

中圖分類號：U464.135 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0046-04

0 ?引言

渦輪增壓器作為船用柴油機(jī)的重要組成部件，其可靠性在很大程度上影響著整個(gè)柴油機(jī)的可靠性。同時(shí)，由于增壓器常在高速、高溫、工況多變的苛刻條件下工作，可靠性受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。因此，對渦輪增壓器可靠性進(jìn)行深入研究，不僅對提高增壓器本身的可靠性具有重要的意義，而且有助于提高增壓器發(fā)動機(jī)的可靠性，降低增壓器與發(fā)動機(jī)的維修成本。

渦輪盤與渦輪葉片作為渦輪增壓器的核心部件，其性能好壞直接關(guān)系到增壓器的性能。隨著近年來科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，渦輪的設(shè)計(jì)取得很大進(jìn)步，但渦輪的疲勞破壞事故時(shí)有發(fā)生，渦輪的疲勞破壞問題成為影響增壓器的可靠因數(shù)之一。

在增壓器中，渦輪工作時(shí)受力極其復(fù)雜，主要包括離心力、氣動載荷、熱載荷。尤其在機(jī)器啟停時(shí)高溫蠕變、工況大幅變化產(chǎn)生較大的交變應(yīng)力是增壓器失效的主要模式之一。因此計(jì)算熱應(yīng)力引起的高溫蠕變壽命分析、不同工況下低周疲勞壽命分析，是渦輪壽命預(yù)測中最關(guān)鍵的因數(shù)之一。

本文利用MSC.Nastran對某型渦輪增壓器軸流渦輪在不同轉(zhuǎn)速下的工況進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，通過柴油機(jī)耐久性試驗(yàn)工況、超速試驗(yàn)工況、增壓器臺位實(shí)驗(yàn)工況等計(jì)算增壓器渦輪高周疲勞壽命，通過拉森-米勒參數(shù)法分析計(jì)算恒定工況下高溫疲勞蠕變壽命，為渦輪增壓器的軸流渦輪的設(shè)計(jì)、制造提供參考。

1 ?計(jì)算模型

1.1 渦輪模型

某型渦輪增壓器的渦輪葉片與渦輪盤通過榫齒裝配的形式連接。渦輪由39組渦輪葉片通過榫齒裝配于渦輪盤上，其三維模型如圖1所示，有限元模型如圖2所示。

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1.2 ?材料特性

某型增壓器渦輪葉片材料為G-Ni110，其600℃的主要力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表1。在600℃下的S-N曲線如圖3所示。

2 ?載荷譜確定

載荷譜由耐久試驗(yàn)剖面和混頻兩大因數(shù)決定。根據(jù)耐久試驗(yàn)剖面可以計(jì)算出零部件各種載荷隨時(shí)間的歷程，進(jìn)而獲得關(guān)鍵零部件的應(yīng)力隨時(shí)間的歷程即應(yīng)力剖面。對應(yīng)力剖面進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，通過混頻，即可得到應(yīng)力譜。

柴油機(jī)耐久性試驗(yàn)剖面及壓縮處理：典型柴油機(jī)的耐久性試驗(yàn)剖面是載荷譜的基礎(chǔ)，耐久性試驗(yàn)剖面一般包括表2中的歷程。

表2中各工況變換時(shí)間不超過1min，根據(jù)GB/T3254.2-94中柴油機(jī)耐久性試驗(yàn)時(shí)間，選取耐久試驗(yàn)為800h進(jìn)行計(jì)算增壓器渦輪疲勞計(jì)算。通過表2柴油機(jī)耐久試驗(yàn)可以折合增壓器壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速及運(yùn)行時(shí)間，具體如表3所述。

3 ?計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力計(jì)算

在增壓器的使用過程中，工作葉片受的載荷是復(fù)雜多變的，沒有可能也沒有必要計(jì)算出葉片任意時(shí)刻所承受的載荷及其產(chǎn)生的應(yīng)力場。對于渦輪葉片，所受載荷主要是離心力、溫度應(yīng)力，同時(shí)還承受氣動力。而離心力的大小由增壓器轉(zhuǎn)速決定的，所以以增壓器轉(zhuǎn)速為主，根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合溫度應(yīng)力，氣動力進(jìn)行計(jì)算狀態(tài)的確定。本文只考慮離心力與溫度應(yīng)力耦合作用下的疲勞計(jì)算。

某型渦輪增壓器渦輪最大應(yīng)力出現(xiàn)位置位于葉片根部，最大應(yīng)力值為647MPa，應(yīng)力云圖如圖4所示，各工況應(yīng)力情況如表4所示。

3.2 疲勞計(jì)算

3.2.1 各典型剖面的雨流處理及任務(wù)混頻

根據(jù)柴油機(jī)耐久性試驗(yàn)步驟，把不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的應(yīng)力作為一個(gè)剖面經(jīng)雨流處理后得到應(yīng)力區(qū)間，根據(jù)試驗(yàn)步驟，每800h每個(gè)剖面循環(huán)80次，循環(huán)表如表5所示。

其中，對稱應(yīng)力循環(huán)譜計(jì)算公式為如下所示：

（1）

式中，應(yīng)力幅σa、平均應(yīng)力σφ及計(jì)算的對稱循環(huán)應(yīng)力σα*，σβ為材料的極限強(qiáng)度，見表1。根據(jù)材料手冊中應(yīng)力疲勞數(shù)據(jù)，采用線性插值法獲得對稱應(yīng)力循環(huán)下的循環(huán)壽命Ni。

3.2.2 壽命計(jì)算方法、步驟

根據(jù)工況，計(jì)算出各損傷量Di后，采用線性累加原理計(jì)算累積損傷，見公式（2）。

D=?（2）

損傷量計(jì)算出后，可按公式（2）計(jì)算總壽命：

（3）

式中T為一個(gè)循環(huán)時(shí)間。

增壓器只考慮耐久性試驗(yàn)工況下的壽命，D=0.004，T=800，N=200000h。

上述計(jì)算中沒有考慮載荷的分散性。事實(shí)上，載荷譜和材料的疲勞性都存在一定的分散性。在計(jì)算壽命中，壽命分散系數(shù)根據(jù)具體情況來確定，一般取4～6，為安全起見一般取6，那么總壽命N=（1/6D）*T增壓器只考慮耐久性試驗(yàn)下壽命N=33334h。

3.2.3 其他工況下渦輪壽命分析

在上述計(jì)算增壓器耐久性試驗(yàn)工況下壽命為N=33334h，通過分析可知，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)值較大時(shí)對渦輪累積損傷較大，下面通過增壓器出廠試驗(yàn)和超速試驗(yàn)對增壓器損傷進(jìn)行分析。

出廠試驗(yàn)條件為轉(zhuǎn)速0啟動到100%工況運(yùn)行30分鐘再停機(jī)，通過公式（1）可知增壓器試車工況下的壽命，如表6所示。

通過表7可知試車一次渦輪損傷D=0，試車壽命N=1×107。

在增壓器110%工況下，增壓器3min壽命分析如表7所示。

通過表7可知110%工況下渦輪損傷D=0.000005，試車壽命N=167h，即循環(huán)次數(shù)Ni=3334次超速試驗(yàn)。

3.3 拉森-米勒蠕變壽命預(yù)測

渦輪在高溫環(huán)境中工作，蠕變斷裂是主要破壞形式之一，因此有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范都規(guī)定高溫機(jī)械設(shè)備必須依據(jù)材料的長久持續(xù)強(qiáng)度來進(jìn)行設(shè)計(jì)，工程設(shè)計(jì)所要求的長期持久強(qiáng)度一般在10萬至20萬小時(shí)發(fā)生蠕變的斷裂應(yīng)力，這樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)極難獲得，目前我國軍標(biāo)GJB/Z18-91和發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范都推薦采用拉森-米勒（L-M）方程進(jìn)行計(jì)算。L-M計(jì)算公式（4）如下：

持久公式壽命t計(jì)算公式：

（4）

其中：

t為L-M中壽命，單位h;

θ為渦輪表面溫度，單位℃;

σ為渦輪應(yīng)力大小，單位MPa。

邊界條件：設(shè)渦輪工作溫度700℃下，轉(zhuǎn)速29145RPM下應(yīng)力為534MPa，求得t=316227h，即渦輪連續(xù)工作316227h蠕變失效。

4 ?結(jié)論

①在柴油機(jī)耐久性試驗(yàn)工況下，渦輪疲勞壽命N=33334h。

②在增壓器30min出廠試驗(yàn)中，渦輪不損傷。

③在渦輪110%工況下，渦輪壽命N=167h，循環(huán)次數(shù)為Ni=3334次。

④在工作狀態(tài)下，蠕變壽命t=316227h。

⑤通過上述分析，當(dāng)渦輪超過工作轉(zhuǎn)速后容易引發(fā)疲勞破壞，700℃溫度工作下，渦輪壽命很長。

正常工況下，渦輪的疲勞壽命大于指標(biāo)需求的25000h，滿足使用需要。

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