李偉

摘要：為改善渦輪增壓器渦端密封環(huán)和渦端浮動軸承的溫度，中間殼增加水腔，渦輪增加隔熱空腔結(jié)構(gòu)，進行不通水、穩(wěn)定運行通水，熱停機立即停止通水、穩(wěn)定運行通水，熱停機繼續(xù)通水3個方案的回熱試驗。穩(wěn)定運行通水，熱停機立即停止通水，渦端密封環(huán)、渦端浮動軸承穩(wěn)定運行溫度分別為216℃、104℃，比不通水降低51℃、38℃;最高回熱溫度分別為286.4℃、205.1℃，比不通水降低52.6℃、10.5℃。穩(wěn)定運行通水，熱停機繼續(xù)通水，渦端密封環(huán)回熱溫度在熱停機后50s從216.6℃急劇降低到130.8℃，渦端浮動軸承呈近似線性降低。中間殼增加水腔和渦輪增加隔熱空腔是改善溫度的有效措施。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓器;水冷中間殼;渦輪隔熱空腔;回熱試驗;渦端密封環(huán);渦端浮動軸承

0? 引言

天然氣發(fā)動機渦前溫度普遍高于740℃?，F(xiàn)代渦輪增壓器（簡稱增壓器）小型化及結(jié)構(gòu)排布使得渦端密封環(huán)和渦端浮動軸承距離高溫區(qū)域近，溫度高、溫差大是實際運行環(huán)境的典型特點[1][2]。渦前溫度是影響渦端密封環(huán)和軸承系統(tǒng)運行溫度的主要因素[3]，渦前溫度高導(dǎo)致渦端密封環(huán)產(chǎn)生嚴重變形。隨著發(fā)動機動力性提升，增壓器轉(zhuǎn)速不斷提升，軸承系統(tǒng)摩擦損失增大，軸承系統(tǒng)及潤滑油溫度呈增加趨勢。綜合使得渦端密封環(huán)和渦端浮動軸承成為影響天然氣發(fā)動機用增壓器可靠性及壽命的關(guān)鍵零部件。發(fā)動機正常使用過程中偶爾出現(xiàn)的熱停機導(dǎo)致中間殼溫度在短時間內(nèi)迅速升高，區(qū)別正常運行時的熱傳遞，將熱停機情況下的急劇熱傳遞稱為回熱?；責釋?dǎo)致中間殼溫度在短時間內(nèi)急劇升高，存在潤滑油超過溫度限值而結(jié)焦，渦端密封環(huán)超過溫度限值而失去彈性的風險，增壓器可靠性面臨嚴峻挑戰(zhàn)。增壓器軸承系統(tǒng)在很大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)承受明顯軸向和徑向熱梯度，穩(wěn)定性很大程度上受到中間殼內(nèi)孔熱變形以及周圍油膜溫度的影響。通過優(yōu)化中間殼水腔結(jié)構(gòu)或浮動軸承設(shè)計等可以明顯改善降低渦端密封環(huán)及浮動軸承的回熱溫度。Luis San Andrés等[4]研究發(fā)現(xiàn)增壓器軸承系統(tǒng)在很大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)承受明顯軸向和徑向熱梯度，對軸承系統(tǒng)熱管理至關(guān)重要。Mikogami T 等[5]進行增壓器回熱試驗仿真分析，新設(shè)計優(yōu)化方案，渦端浮動軸承部位溫度降低20℃，渦端密封環(huán)部位溫度降低60℃。國內(nèi)對天然氣發(fā)動機用增壓器回熱試驗和渦輪焊接位置增加隔熱空腔研究不充分，對熱停機后停止通水和繼續(xù)通水的回熱試驗研究較少，本文針對某四缸天然氣發(fā)動機用渦輪增壓器的中間殼增加水腔結(jié)構(gòu)，渦輪增加隔熱空腔結(jié)構(gòu)，進行熱停機后停止通水和繼續(xù)通水的回熱試驗研究，為改善回熱溫度提供數(shù)據(jù)支持。

1? 增壓器改善方案說明

某四缸天然氣發(fā)動機用增壓器葉輪進/出口直徑分別為？渦輪進/出口直徑分別為？準41mm/？準34mm，渦輪轉(zhuǎn)子浮動軸承配合直徑為？

如圖1（b）所示，為改善渦端密封環(huán)及軸承系統(tǒng)溫度，中間殼增加水腔結(jié)構(gòu)，通過水循環(huán)重點降低渦端密封環(huán)及渦端浮動軸承溫度。中間殼進水和出水口對稱設(shè)計，尺寸均為M14×1.5，水腔體積為16983.52mm3。如圖1（a）所示，渦輪軸和渦輪焊接在一起，普通增壓器渦輪軸和渦輪焊接位置都是實心結(jié)構(gòu)，為減少渦輪向轉(zhuǎn)子軸的熱傳遞，渦輪焊接位置增加隔熱空腔結(jié)構(gòu)，隔熱空腔直徑為10.5mm，體積為125.61mm3。

2? 試驗方法

2.1 樣件準備

如圖1（b）所示，選擇渦端密封環(huán)（測點1）、壓端浮動軸承（測點2）和渦端浮動軸承（測點3）3個典型位置進行溫度場測試研究。測量孔直徑2mm，測量孔不能穿透壁面，底部距離壁面0.1～0.3mm。確保測量孔不會對增壓器密封性能和結(jié)構(gòu)等造成破壞。

2.2 測試方法

增壓器回熱試驗在機械工業(yè)內(nèi)燃機增壓系統(tǒng)重點試驗室進行。增壓器先在50000r/min穩(wěn)定運行30分鐘，然后緩慢運行到如下工況：增壓器轉(zhuǎn)速190000r/min，渦前溫度750℃，渦前壓力141kPa，潤滑油進油溫度75℃，潤滑油壓力350kPa，增壓溫度140℃，增壓壓力114kPa，排氣背壓10kPa，穩(wěn)定運轉(zhuǎn)30分鐘后記錄3個測點10分鐘內(nèi)穩(wěn)定運行溫度。然后熱停機，記錄3個測點10分鐘內(nèi)回熱溫度。采用自動采集系統(tǒng)每10s記錄1組試驗數(shù)據(jù)。采用同1臺增壓器進行3種測試方案試驗：方案1水腔內(nèi)沒有水，試驗過程不通水;方案2穩(wěn)定運行時通水，熱停機時立即停止通水;方案3穩(wěn)定運行通水，熱停機后繼續(xù)通水。方案2和3通水時控制進水溫度72℃，進水壓力100kPa，進水體積流量5.85L/min。增壓器轉(zhuǎn)速采用電渦流轉(zhuǎn)速測試儀，精度0.01%;渦前壓力、增壓壓力、排氣背壓、進水壓力采用壓力變送器，精度0.3%FS;潤滑油進油溫度、增壓溫度、回熱溫度、進水溫度采用PT100溫度傳感器，精度A級Grade。

3? 試驗結(jié)果及分析

方案1試驗過程不通水，測點1、3、2穩(wěn)定運行溫度分別為263.7～270.5℃、141.8～143℃、109.4～110.8℃，渦端密封環(huán)分別比渦端和壓端浮動軸承高127℃、160℃左右，渦端密封環(huán)穩(wěn)定運行溫度最高達到270.5℃，接近潤滑油溫度使用限值280℃。最高回熱溫度分別為339℃、215.6℃、213.6℃，達到最高回熱溫度的時間分別為160s、240s、270s。渦端密封環(huán)339℃的最高回熱溫度雖低于400℃的密封環(huán)材料溫度限值，但已高于280℃的潤滑油溫度限值，且回熱溫度大于280℃的時間為370s，高溫時間較長，容易在密封環(huán)位置產(chǎn)生大量積碳，導(dǎo)致異常磨損。方案2運行時通水，熱停機后立即停止通水，測點1、3、2穩(wěn)定運行溫度依次為211.3～218.3℃、96～111.1℃、94.1～99.8℃，最高回熱溫度依次為286.4℃、205.1℃、191.2℃。達到最高回熱溫度的時間分別為160s、300s、330s。方案3運行時通水，熱停機后繼續(xù)通水，各測點穩(wěn)定運行溫度與方案2基本一致。但從熱停機開始，3個測點的溫度均是逐步降低。

方案2和3穩(wěn)定運行時均通水，測點1、3、2穩(wěn)定運行溫度分別比方案1降低51℃、38℃、13℃左右，溫度改善最明顯的是渦端密封環(huán)和渦端浮動軸承。通水后測點1、3分別為215℃和103℃左右，明顯低于潤滑油使用溫度限值280℃。方案1穩(wěn)定運行溫度渦端浮動軸承比壓端高32℃左右，通水后溫度差值減小到5℃左右，溫度均勻性改善明顯，改善了中間殼內(nèi)孔熱變形。

方案1和2的3個測點的回熱溫度曲線形態(tài)類似，都是先上升后下降。方案2熱停機后立即停止通水，但水腔中殘存的水可以繼續(xù)吸收渦端熱量，使得測點1、3、2最高回熱溫度分別比方案1降低52.6℃、10.5℃、22.4℃。達到最高回熱溫度的時間除測點1相同外，其余2個測點均增加60s。渦端密封環(huán)回熱溫度大于280℃時間減少到50s，比方案1減少320s。綜合使得方案2熱負荷明顯優(yōu)于方案1。方案3在熱停機后繼續(xù)通水，3個測點回熱溫度均隨時間下降，曲線形態(tài)與方案1和2有明顯差異。方案3在測點1回熱溫度在熱停機后50s從216.6℃急劇降低到130.8℃，然后再繼續(xù)緩慢近似線性降低。測點3、2從熱停機開始近似呈線性降低。熱停機后160s時，方案3比方案1、2相比，測點1分別降低226.2℃、173.6℃，測點3分別降低135.6℃、98℃。

4? 總結(jié)及結(jié)論

為降低某四缸天然氣發(fā)動機用渦輪增壓器渦端密封環(huán)和浮動軸承溫度，增壓器中間殼增加水腔，渦輪增加隔熱空腔結(jié)構(gòu)，進行水腔不通水、穩(wěn)定運行通水，熱停機立即停止通水和穩(wěn)定運行通水，熱停機繼續(xù)通水3個測試方案190000r/min回熱試驗測試分析。

①不通水情況下，渦端密封環(huán)穩(wěn)定運行最高溫度270.5℃，接近潤滑油使用限值280℃，熱停機時最高回熱溫度達到339℃，超過潤滑油使用限值280℃，溫度大于280℃的時間為370s，容易產(chǎn)生大量積碳及異常磨損。

②穩(wěn)定運行通水，熱停機后立即停止通水，渦端密封環(huán)、渦端浮動軸承穩(wěn)定運行溫度分別為211.3～218.3℃，96～111.1℃，最高回熱溫度分別為286.4℃、205.1℃。穩(wěn)定運行溫度比不通水分別降低51℃、38℃左右，最高回熱溫度分別降低52.6℃、10.5℃。

③穩(wěn)定運行通水，熱停機后繼續(xù)通水，從熱停機開始，渦端密封環(huán)回熱溫度在熱停機后50s從216.6℃急劇降低到130.8℃，然后再繼續(xù)緩慢近似線性降低。渦端浮動軸承從熱停機開始近似呈線性降低。該方案是3個方案中改善效果最好的，但需水泵在停機后繼續(xù)工作一段時間。

④中間殼增加水腔和渦輪增加隔熱空腔結(jié)構(gòu)能夠有效降低渦端密封環(huán)和渦端浮動軸承穩(wěn)定運行及回熱溫度。

參考文獻：

[1]田生，楊國旗，楊迪，等.水冷軸承體的溫度場分布[J].現(xiàn)代零部件，2013（01）：79-80.

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[3]徐思友，吳新濤，閆瑞乾，等.增壓器軸承和密封環(huán)溫度試驗研究[J].車用發(fā)動機，2010（002）：35-37.

[4]Luis San Andrés， Vince Barbarie， Avijit Bhattacharya. On the Effect of Thermal Energy Transport to the Performance of （Semi）Floating Ring Bearing Systems for Automotive Turbochargers[C]// Asme Turbo Expo： Turbine Technical Conference & Exposition. 2012.

[5]Mikogami T ， Takeishi K ， Akimoto T . Computer Analysis of? Turbocharger Heat Soak Back Properties[C]// SAE International Congress and Exposition. 1985.