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        非水冷中間殼渦輪增壓器回?zé)嵩囼?yàn)研究

        2021-12-16 08:06:34李偉李國祥張健健甄冠富王寧寧張曉林
        內(nèi)燃機(jī)與動力裝置 2021年6期
        關(guān)鍵詞:進(jìn)油密封環(huán)增壓器

        李偉,李國祥,張健健,甄冠富,王寧寧,張曉林,3

        1. 山東大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061;2. 康躍科技(山東)有限公司,山東 壽光 262718; 3.機(jī)械工業(yè)內(nèi)燃機(jī)增壓系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 壽光 262718

        0 引言

        現(xiàn)代渦輪增壓器渦輪機(jī)端(以下簡稱渦端)密封環(huán)、浮動軸承距離高溫區(qū)域近,具有溫度高、溫差大的典型特點(diǎn)[1-2],是影響增壓器可靠性及壽命的關(guān)鍵零部件。渦端密封環(huán)、渦端浮動軸承及潤滑油溫度過高,會加速潤滑油老化,降低潤滑油承載能力,導(dǎo)致零部件異常磨損。隨著現(xiàn)代發(fā)動機(jī)強(qiáng)化程度不斷增加,渦前溫度增加,而渦前溫度是影響渦端密封環(huán)峰值溫度的關(guān)鍵因素之一[3],溫度高、溫差大導(dǎo)致渦端密封環(huán)變形較大[4]。發(fā)動機(jī)強(qiáng)化程度提高使增壓器轉(zhuǎn)速升高,而軸承系統(tǒng)摩擦損失與轉(zhuǎn)速成正比,轉(zhuǎn)速升高導(dǎo)致摩擦損失增加、潤滑油溫度升高。渦輪增壓器輕便軸承系統(tǒng)使得潤滑油流量及帶走的熱量減少[5],渦端密封環(huán)、軸承系統(tǒng)及潤滑油的溫度呈明顯增加趨勢。發(fā)動機(jī)正常使用過程中,偶爾會出現(xiàn)高速高負(fù)荷熱停機(jī)現(xiàn)象,此時,潤滑油及冷卻液立即停止循環(huán),但增壓器渦端仍處于高溫,劇烈熱傳遞導(dǎo)致中間殼溫度在短時間內(nèi)迅速升高,通常將熱停機(jī)情況下的熱傳遞稱為回?zé)??;責(zé)釋?dǎo)致渦端密封環(huán)、渦端浮動軸承和潤滑油溫度超出設(shè)計限值的風(fēng)險增加,增壓器可靠性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

        目前對增壓器熱傳遞及回?zé)岬难芯亢芏?。Romagnoli等[6]、Cormerais等[7]對增壓器溫度場的試驗(yàn)研究表明,渦輪機(jī)端溫度明顯高于壓氣機(jī)端;蔡韜[8]對某款汽油機(jī)增壓器回?zé)嵩囼?yàn)研究表明,中間殼采用底部水冷結(jié)構(gòu)效果更好;王本亮等[9]研究表明,水冷中間殼的“熱虹吸”效應(yīng)可以有效降低增壓器回?zé)釡囟?;龔金科等[10]通過仿真分析及試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn),水冷中間殼水循環(huán)采用底進(jìn)高出的冷卻方式時,中間殼溫度分布更加均勻,且低溫區(qū)域分布較廣,冷卻性能更優(yōu);Hidetoshi等[11]研究發(fā)現(xiàn),浮動軸承性能及穩(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;胡遼平等[12]研究發(fā)現(xiàn),潤滑油溫度升高導(dǎo)致軸承系統(tǒng)承載力降低;Plaksin等[13]研究發(fā)現(xiàn),渦輪增壓器頻繁高溫過載嚴(yán)重影響渦輪增壓器可靠性及壽命,保證高溫過載下潤滑性能可以延長增壓器使用壽命。

        現(xiàn)代增壓器不僅應(yīng)控制正常運(yùn)行時的溫度,還應(yīng)兼顧回?zé)釡囟仍谠O(shè)計限值范圍內(nèi)。目前增壓器回?zé)嵩囼?yàn)研究主要集中在采用水冷中間殼的汽油機(jī)或氣體機(jī)渦輪增壓器上。非水冷中間殼具有結(jié)構(gòu)簡單、鑄造及制造成本低、安裝空間要求低、發(fā)動機(jī)不需單獨(dú)設(shè)置水循環(huán)系統(tǒng)等特點(diǎn),在柴油機(jī)上得到廣泛應(yīng)用,但目前對非水冷中間殼渦輪增壓器回?zé)嵩囼?yàn)研究較少。對于渦前溫度低于600 ℃的強(qiáng)化程度較低的柴油機(jī),增壓器運(yùn)行溫度的安全裕度較大。但隨著發(fā)動機(jī)強(qiáng)化程度的提升,渦前溫度呈明顯增加趨勢,保證非水冷中間殼增壓器運(yùn)行溫度符合設(shè)計要求,對增壓器可靠性及壽命有重要意義。本文中對某四缸柴油機(jī)用增壓器5個典型部位:渦端浮動軸承、壓端浮動軸承、渦端密封環(huán)、潤滑油回油壁面和潤滑油進(jìn)油壁面進(jìn)行回?zé)嵩囼?yàn)研究,評估增壓器設(shè)計是否滿足回?zé)嵩囼?yàn)需求,為進(jìn)一步改善回?zé)釡囟忍峁﹨⒖肌?/p>

        1 增壓器及柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

        在某四缸柴油機(jī)上進(jìn)行增壓器回?zé)嵩囼?yàn),柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示,渦輪增壓器主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。中間殼為非水冷結(jié)構(gòu),采用雙浮動軸承。

        表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

        表2 渦輪增壓器主要技術(shù)參數(shù)

        2 試驗(yàn)方法

        選擇5個典型位置進(jìn)行回?zé)嵩囼?yàn)研究:渦端浮動軸承部位(測點(diǎn)1、2)、壓端浮動軸承部位(測點(diǎn)3)、渦端密封環(huán)部位(測點(diǎn)4、5)、潤滑油回油壁面(測點(diǎn)6)和潤滑油進(jìn)油壁面(測點(diǎn)7),測點(diǎn)位置如圖1所示。渦端密封環(huán)和渦端浮動軸承部位溫度相對高,對增壓器可靠性及壽命影響更大,各布置2個測點(diǎn)。測量孔直徑為1 mm,測量孔末端距離中間殼壁面0.5 mm。確定打孔位置時應(yīng)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,不影響增壓器及試驗(yàn)正常進(jìn)行?;?zé)醾鞲衅靼惭b到測量孔底部后,端部用高溫密封膠固定,防止?jié)櫥拖蛲庑孤逗屯獠靠諝膺M(jìn)入中間殼回油腔。

        圖1 回?zé)釡y點(diǎn)位置示意圖

        2.1 發(fā)動機(jī)回?zé)嵩囼?yàn)

        發(fā)動機(jī)回?zé)嵩囼?yàn)在250 kW電力測功機(jī)臺架上進(jìn)行。試驗(yàn)開始前,確認(rèn)回?zé)醾鞲衅鞑课坏拿芊庑裕话l(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)矩為450 N·m、轉(zhuǎn)速為1500 r/min 熱車運(yùn)行1 h,期間再次確認(rèn)回?zé)醾鞲衅鞯拿芊庑?;分別運(yùn)行到發(fā)動機(jī)額定和大轉(zhuǎn)矩工況,發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)20 min后,測量發(fā)動機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、渦前排溫、潤滑油進(jìn)油溫度、發(fā)動機(jī)進(jìn)水溫度、潤滑油壓力、壓氣機(jī)出口溫度、中冷后溫度、增壓器的5個典型位置溫度等,采樣周期為1 s,采集時間不少于5 min;然后熱停機(jī),立即切斷潤滑油路及冷卻液,采樣周期為1 s,采樣時間為10 min;采用自動采集系統(tǒng)記錄全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)。主要測量設(shè)備及精度如表3所示。

        表3 主要測量參數(shù)、設(shè)備及精度

        2.2 增壓器臺架回?zé)嵩囼?yàn)

        發(fā)動機(jī)臺架控制潤滑油進(jìn)油溫度存在較大困難,為驗(yàn)證不同潤滑油溫度對回?zé)釡囟鹊挠绊?,增壓器回?zé)嵩囼?yàn)需要在單獨(dú)的增壓器試驗(yàn)臺架上進(jìn)行。試驗(yàn)時增壓器的運(yùn)行工況如表4所示。

        表4 增壓器臺架回?zé)嵩囼?yàn)工況

        在此工況下運(yùn)行20 min,采樣周期為1 s,采樣時間不少于5 min;然后立即熱停機(jī),切斷潤滑油路,采樣周期為1 s,采樣時間為10 min。2次試驗(yàn)應(yīng)嚴(yán)格控制運(yùn)行邊界,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可對比性。重點(diǎn)記錄分析渦端浮動軸承和渦端密封環(huán)部位穩(wěn)定運(yùn)行和回?zé)釡囟鹊淖兓厔荨?/p>

        3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        3.1 發(fā)動機(jī)回?zé)嵩囼?yàn)

        發(fā)動機(jī)回?zé)嵩囼?yàn)工況如表5所示。

        表5 發(fā)動機(jī)回?zé)嵩囼?yàn)工況

        3.1.1 額定工況

        額定工況下發(fā)動機(jī)回?zé)嵩囼?yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知:發(fā)動機(jī)額定工況穩(wěn)定運(yùn)行時,溫度從高到低依次是潤滑油進(jìn)油壁面、潤滑油回油壁面、渦端浮動軸承、渦端密封環(huán)、壓端浮動軸承。潤滑油進(jìn)油壁面、潤滑油回油壁面、渦端浮動軸承和渦端密封環(huán)部位的穩(wěn)定運(yùn)行溫度均高于161.8 ℃,最高達(dá)到195.0 ℃;潤滑油進(jìn)油壁面和渦端浮動軸承測點(diǎn)2的穩(wěn)定運(yùn)行溫度均高于190.5 ℃;壓端浮動軸承穩(wěn)定運(yùn)行溫度低于150 ℃,比其余部位低10 ℃以上。溫度分布特點(diǎn)與增壓器結(jié)構(gòu)排布有關(guān),潤滑油進(jìn)油壁面、潤滑油回油壁面、渦端浮動軸承、渦端密封環(huán)距離高溫區(qū)域近,壓端浮動軸承遠(yuǎn)離高溫區(qū)域。市場上常用潤滑油的使用溫度如果長時間高于280 ℃會出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象,5個典型部位溫度均低于200 ℃,存在至少28.5%的安全裕度,符合設(shè)計要求。

        圖2 額定工況發(fā)動機(jī)回?zé)嵩囼?yàn)結(jié)果

        額定工況時,發(fā)動機(jī)熱停機(jī),最高回?zé)釡囟葟母叩降鸵来问菧u端密封環(huán)、渦端浮動軸承和潤滑油進(jìn)油壁面、潤滑油回油壁面、壓端浮動軸承。渦端密封環(huán)部位最高回?zé)釡囟冗_(dá)到282.3 ℃,在7個測點(diǎn)中溫度最高;其次是渦端浮動軸承為241.9 ℃,潤滑油進(jìn)油壁面為240.9 ℃。渦端浮動軸承是影響增壓器可靠性及壽命的重要因素。渦端密封環(huán)部位最高回?zé)釡囟缺葴u端浮動軸承高40 ℃左右,差異比較明顯。壓端浮動軸承部位不僅穩(wěn)定運(yùn)行溫度最低,而且回?zé)釡囟茸畹停罡呋責(zé)釡囟戎挥?03.9 ℃。潤滑油回油壁面最高回?zé)釡囟葹?23 ℃,該位置回?zé)釡囟炔桓呤且驗(yàn)闊嵬C(jī)后殘存在增壓器中間殼內(nèi)的潤滑油仍陸續(xù)通過中間殼回油壁面帶走大量熱量。

        發(fā)動機(jī)額定工況熱停機(jī)到最高回?zé)釡囟鹊臅r間由短到長依次是渦端密封環(huán)、潤滑油回油壁面、潤滑油進(jìn)油壁面、渦端浮動軸承和壓端浮動軸承,分別為140.5、165.0、219.0、220.0和271.0 s。轉(zhuǎn)子軸和渦輪焊接在一起,渦端密封環(huán)距離渦輪機(jī)高溫區(qū)域最近,時間最短;相反,壓端浮動軸承距離渦輪機(jī)高溫區(qū)域最遠(yuǎn),時間最長。

        發(fā)動機(jī)額定工況下,渦端密封環(huán)最高回?zé)釡囟冗_(dá)到282.3 ℃,渦端密封環(huán)采用W6Mo5Cr4V2材料,可以在380 ℃長時間可靠運(yùn)行,但該溫度高于潤滑油溫度限值(280 ℃),而且回?zé)釡囟仍?280±3)℃的時間為152 s,如果因操作不當(dāng)、發(fā)動機(jī)故障等造成高速、高負(fù)荷工況下頻繁熱停機(jī),將導(dǎo)致潤滑油結(jié)焦、渦端密封環(huán)異常磨損等故障。浮動軸承材料為CuZn37Mn3Al2PbSi-R590-EN-12164,中間殼材料為HT250,轉(zhuǎn)子軸材料為42CrMo。環(huán)境溫度為20 ℃,油膜溫度測量難度較大,取渦端浮動軸承部位最高回?zé)釡囟?41.9 ℃為油膜溫度,計算得到中間殼內(nèi)徑、浮動軸承外徑、浮動軸承內(nèi)徑、轉(zhuǎn)子軸的膨脹量分別為0.035 2、0.058 3、0.034 1、0.022 7 mm,浮動軸承外間隙膨脹量總和為0.023 1 mm,浮動軸承內(nèi)間隙膨脹量總和為0.011 4 mm。浮動軸承設(shè)計外間隙為0.06 mm,內(nèi)間隙為0.05 mm,其膨脹量均在設(shè)計范圍之內(nèi),滿足軸承系統(tǒng)可靠性要求。

        3.1.2 大轉(zhuǎn)矩工況

        發(fā)動機(jī)大轉(zhuǎn)矩工況穩(wěn)定運(yùn)行時,發(fā)動機(jī)回?zé)嵩囼?yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:渦前溫度比額定工況低52.4 ℃,潤滑油進(jìn)油壁面、潤滑油回油壁面、渦端浮動軸承、渦端密封環(huán)、壓端浮動軸承溫度分別比額定工況低18.4、30.5、30.9、29.7、16.8 ℃,相對渦前溫度改善率(改善溫度/渦前降低溫度)分別為35.1%、58.2%、59.0%、56.7%、32.1%。渦前溫度降低后,渦端密封環(huán)和渦端浮動軸承部位溫度改善非常明顯,渦前溫度是影響增壓器穩(wěn)定運(yùn)行及最高回?zé)釡囟鹊闹匾蛩亍?/p>

        圖3 大扭矩工況發(fā)動機(jī)回?zé)嵩囼?yàn)結(jié)果

        發(fā)動機(jī)大轉(zhuǎn)矩工況點(diǎn)熱停機(jī),最高回?zé)釡囟葟母叩降偷捻樞蚺c額定工況一致,渦端密封環(huán)、渦端浮動軸承、潤滑油進(jìn)油壁面、潤滑油回油壁面、壓端浮動軸承最高回?zé)釡囟纫来螢?57.2、216.1、214.9、197.6、188.9 ℃,分別比額定工況降低約25.1、25.8、26.0、25.4、15.0 ℃,相對渦前溫度改善率分別為47.7%、47.7%、51.5%、42.0%、28.6%。渦端密封環(huán)和渦端浮動軸承部位最高回?zé)釡囟染陀跐櫥徒Y(jié)焦的溫度限值。大轉(zhuǎn)矩工況與額定工況熱停機(jī)到最高回?zé)釡囟葧r間差異性較小。

        3.2 增壓器臺架回?zé)嵩囼?yàn)

        潤滑油進(jìn)油溫度分別為70、110 ℃時,增壓器臺架回?zé)嵩囼?yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:渦端浮動軸承穩(wěn)定工況平均溫度分別為165.1、172.0 ℃,最高回?zé)釡囟确謩e為220.8、231.9 ℃,到達(dá)最高回?zé)釡囟鹊臅r間分別為114、98 s。潤滑油進(jìn)油溫度降低40 ℃后,渦端浮動軸承部位穩(wěn)定工況平均溫度、最高回?zé)釡囟确謩e降低6.9、11.1 ℃,相對潤滑油溫度改善率分別為17.3%、27.8%,到達(dá)最高回?zé)釡囟鹊臅r間增加16 s。渦端密封環(huán)部位穩(wěn)定工況平均溫度分別為176.5、181.5 ℃,最高回?zé)釡囟确謩e為272.3、282.8 ℃,到達(dá)最高回?zé)釡囟鹊臅r間分別為72、60 s。潤滑油進(jìn)油溫度降低40 ℃后,渦端密封環(huán)部位穩(wěn)定工況平均溫度、最高回?zé)釡囟确謩e降低5.0、10.5 ℃,潤滑油溫度改善率分別為12.5%、26.3%,到達(dá)最高回?zé)釡囟葧r間增加12 s。因此,潤滑油進(jìn)油溫度是影響增壓器穩(wěn)定運(yùn)行及最高回?zé)釡囟鹊闹匾蛩亍?/p>

        圖4 增壓器臺架回?zé)嵩囼?yàn)結(jié)果

        4 結(jié)論

        針對某四缸柴油機(jī)非水冷中間殼渦輪增壓器的渦端浮動軸承、壓端浮動軸承、渦端密封環(huán)、潤滑油回油壁面和潤滑油進(jìn)油壁面5個典型部位進(jìn)行回?zé)嵩囼?yàn)研究,驗(yàn)證增壓器設(shè)計是否符合要求,為增壓器改進(jìn)設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

        1)發(fā)動機(jī)額定工況穩(wěn)定運(yùn)行時,溫度從高到低依次是潤滑油進(jìn)油壁面、潤滑油回油壁面、渦端浮動軸承、渦端密封環(huán)、壓端浮動軸承,最高溫度為195.0 ℃,低于200 ℃,基本符合設(shè)計要求。

        2)發(fā)動機(jī)額定工況下,渦前溫度為605.5 ℃,熱停機(jī)后,回?zé)釡囟葟母叩降鸵来问菧u端密封環(huán)、渦端浮動軸承、潤滑油進(jìn)油壁面、潤滑油回油壁面、壓端浮動軸承;渦端密封環(huán)部位最高回?zé)釡囟葹?82.3 ℃,雖低于材料溫度限值,但高于潤滑油溫度限值,存在潤滑油結(jié)焦風(fēng)險;浮動軸承外間隙膨脹量總和為0.023 1 mm,浮動軸承內(nèi)間隙膨脹量總和為0.011 4 mm,膨脹量均在設(shè)計范圍之內(nèi)。

        3)與額定工況相比,大轉(zhuǎn)矩工況下的渦前溫度降低52.4 ℃,渦端密封環(huán)和渦端浮動軸承部位最高回?zé)釡囟冉档图s25.0 ℃;發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時,渦端浮動軸承、渦端密封環(huán)部位的溫度相對渦前溫度改善率分別為59.0%、56.7%,發(fā)動機(jī)熱停機(jī)時,相對渦前溫度改善率均為47.7%。

        4)潤滑油進(jìn)油溫度由110 ℃降低到70 ℃,渦端浮動軸承及渦端密封環(huán)部位穩(wěn)定工況平均溫度降低約7 ℃,最高回?zé)釡囟冉档图s11 ℃;穩(wěn)定運(yùn)行及熱停機(jī)時,渦端浮動軸承部位溫度改善率分別為17.3%、27.8%,渦端密封環(huán)部位溫度改善率分別為12.5%、26.3%;渦前溫度和潤滑油進(jìn)油溫度是影響增壓器穩(wěn)定運(yùn)行及回?zé)釡囟鹊闹匾蛩?,渦前溫度影響更顯著。

        5)渦端密封環(huán)和渦端浮動軸承靠近渦輪機(jī)高溫區(qū)域,為提升渦輪增壓器可靠性及壽命,應(yīng)重點(diǎn)降低這2個位置的穩(wěn)定運(yùn)行及回?zé)釡囟取?/p>

        該款發(fā)動機(jī)最高渦前溫度僅為605.5 ℃,目前部分高升功率機(jī)型最高渦前溫度已超過700 ℃,個別機(jī)型甚至達(dá)到730 ℃,該款增壓器需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以適應(yīng)更高排溫。

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