王 超，張廣西，徐止聽，于新勇，李 嘉

(濰柴動力股份有限公司 山東 濰坊 261205)

0 引言

渦輪增壓器作為現(xiàn)階段內(nèi)燃機上必不可少的零部件，其性能和可靠性一直備受重視。渦輪增壓器在高速運轉(zhuǎn)過程中，兩個葉輪的正反面都有較大的氣壓載荷差異，這種載荷差異形成了沿增壓器轉(zhuǎn)子軸線方向的作用力。渦輪增壓器的軸向穩(wěn)定是受止推軸承影響的，止推軸承承載了渦輪增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)動時的軸向載荷。

為了保證渦輪增壓器的穩(wěn)定運行，其止推軸承必須能夠承載這個軸向作用力。因此，在設(shè)計渦輪增壓器時，應(yīng)詳細計算增壓器的軸向載荷，然后根據(jù)載荷大小設(shè)計相應(yīng)承載能力的止推軸承。在實際應(yīng)用中，渦輪增壓器的擦殼、斷軸等故障很多是由于止推軸承發(fā)生了問題。止推軸承的主要故障模式是止推軸承磨損，導(dǎo)致磨損的可能原因為軸向載荷超出設(shè)計值、軸系失穩(wěn)、潤滑不良等。

排氣制動作為一種提高制動功的有效手段，應(yīng)用非常廣泛。但是排氣制動工況時，渦輪增壓器渦后會形成很大的排氣背壓，使得渦輪增壓器的軸向力突然升高，導(dǎo)致止推軸承處油膜被破壞，進而引起止推軸承磨損。需要注意的是，這種磨損發(fā)生之后會進入一個惡性循環(huán)，下一次磨損會比上一次更容易發(fā)生。

本文主要是對不同工況下渦輪增壓器止推軸承的軸向載荷進行研究，通過設(shè)計制作特殊渦輪增壓器試驗樣件進行臺架試驗。針對排氣制動工況，采用控制外特性工況下排氣制動蝶閥的開啟與關(guān)閉，用來模擬實際應(yīng)用中整車的排氣制動最苛刻的工況。試驗中采集記錄渦輪增壓器的各進出口溫度、壓力、流量以及渦輪增壓器轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，最后通過計算，對渦輪增壓器止推軸承承載的軸向載荷進行分析。

1 渦輪增壓器止推軸承軸向載荷試驗

1.1 發(fā)動機和渦輪增壓器主要參數(shù)

本試驗采用排量為13L的某型號直列六缸柴油機，渦輪增壓器后置，排氣尾管后安裝排氣制動蝶閥，具體結(jié)構(gòu)如圖1。

渦輪增壓器的主要技術(shù)參數(shù)如表1：

1.2 試驗樣件測點布置

此次試驗采用表1所述規(guī)格的渦輪增壓器，根據(jù)渦輪增壓器軸向載荷計算方法所需要的數(shù)據(jù)進行傳感器測點布置，以便采集準確的試驗數(shù)據(jù)對軸向載荷進行計算評估。在試驗前，制作渦輪增壓器特殊試驗樣件，按照圖2布置相關(guān)傳感器。

1)在壓氣機進口處布置一只溫度傳感器(0～800℃)、兩只壓力傳感器(±17.5kPa，圓周方向?qū)ΨQ布置)，用于采集葉輪入口處溫度和壓力，分別記為T1C、P1C_a、P1C_b；

2)在壓殼上對應(yīng)葉輪葉尖處布置兩只壓力傳感器(0～350kPa，沿葉輪圓周方向?qū)ΨQ分布)，用于采集葉輪出口處壓力，分別記為PtC_a、PtC_b；

3)在壓氣機背板靠近葉輪背部中間位置設(shè)置兩只壓力傳感器(0～350kPa，沿葉輪圓周方向?qū)ΨQ分布)，用于采集葉輪背部壓力，分別記為PbC_a、PbC_b；

4)在渦殼對應(yīng)渦輪入口處布置兩只壓力傳感器(0～350kPa，沿渦輪圓周方向?qū)ΨQ分布)，用于采集渦輪入口處壓力，分別記為PtT_a、PtT_b；

5)在渦輪機出口處布置兩只壓力傳感器(0～350kPa，圓周方向?qū)ΨQ布置)，用于采集渦輪出口處壓力，分別記為P2T_a、P2T_b；

6)在中間體靠近渦輪背部中間位置布置兩只壓力傳感器(0～350kPa，沿葉輪圓周方向?qū)ΨQ分布)，用于采集渦輪背部壓力，分別記為PbT_a、PbT_b；

7)在壓殼上布置增壓器轉(zhuǎn)速傳感器。

1.3 試驗方法

將前述的渦輪增壓器特殊試驗樣件安裝在發(fā)動機上，在發(fā)動機試驗臺架上進行相關(guān)試驗并采集記錄試驗數(shù)據(jù)。按照表2所列工況進行特定試驗，其中前3項是采集計算常規(guī)工況下軸向載荷的變化，后2項試驗是在外特性工況時控制制動蝶閥開啟關(guān)閉分析軸向載荷的變化。試驗中分別檢測發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、扭矩、油門、增壓器轉(zhuǎn)速和1.2節(jié)中所述的溫度、壓力。

表2 發(fā)動機運行工況

2 渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸軸向載荷數(shù)據(jù)分析與計算

渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的軸向載荷是由壓氣機葉輪的氣壓載荷和渦輪的氣壓載荷組成的。因為軸向載荷只有在渦輪增壓器運行時才會出現(xiàn)，所以很難通過普通試驗設(shè)備直接監(jiān)測和采集，一般是通過理論計算而來。本文參考《渦輪增壓器軸向力分析與止推軸承承載力評估》[1]、《渦輪增壓器推力軸承軸向載荷變化規(guī)律探究》[2]等文獻中的理論計算方法，結(jié)合合理的經(jīng)驗參數(shù)和公式，通過相關(guān)的熱力學(xué)、動力學(xué)公式進行止推軸承軸向載荷分析。

2.1 理論計算方法

如圖3所示，設(shè)渦輪端指向壓氣機端為正方向：

作用在壓氣機葉輪上的軸向力：

FC=FC3-FC1-FC2

作用在渦輪上的軸向力：

FT=FT1+FT2-FT3

渦輪增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)所受氣體軸向合力，即止推軸承所承受的軸向載荷為：

F=FC+FT[2]

3 試驗結(jié)果分析

通過試驗得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)前述計算方法進行軸向載荷的計算，發(fā)現(xiàn)不同工況下渦輪增壓器的軸向載荷是呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律的，而在排氣制動工況時，隨著排氣制動蝶閥的開啟與關(guān)閉，渦輪增壓器的軸向載荷也跟著出現(xiàn)相應(yīng)的變化。

3.1 外特性工況

控制發(fā)動機在外特性工況運行，轉(zhuǎn)速從600r/min依次增加至2100r/min，。渦輪增壓器軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖4。

當渦輪增壓器轉(zhuǎn)速處于80000r/min以下范圍內(nèi)時，隨著渦輪增壓器轉(zhuǎn)速升高，渦輪增壓器的軸向載荷逐漸增大，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1600～1800r/min時達到最大值約449.2N；當渦輪增壓器轉(zhuǎn)速處于80000r/min以上時，隨著渦輪增壓器轉(zhuǎn)速升高，渦輪增壓器的軸向載荷逐漸減小，額定點時的軸向載荷約為380N。

以上整個過程，渦輪增壓器的軸向載荷都是指向壓氣機端的。

3.2 定轉(zhuǎn)速負荷階躍工況

控制發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速(600～2100r/min)下進行負荷率由0至100%的瞬態(tài)階躍變化運行時，渦輪增壓器的軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速變化規(guī)律如圖5，圖中曲線從左到右依次為發(fā)動機600～2100r/min轉(zhuǎn)速下渦輪增壓器的軸向載荷。

從圖中可以看出，在同一發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，進行負荷階躍時，隨著渦輪增壓器增壓器轉(zhuǎn)速升高，其軸向載荷也會變大。

對不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速的最大軸向載荷對比，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速小于1600r/min，進行負荷階躍時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，渦輪增壓器的最大軸向載荷就會越大，最大值能達到約431N；當發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于1600r/min，進行負荷階躍時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，渦輪增壓器的最大軸向載荷會逐漸減小。

以上整個過程，渦輪增壓器的軸向載荷都是指向壓氣機端的。

3.3 額定點急加速工況

此工況是控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速及負荷從怠速600r/min急加速過渡至額定點2100r/min，加載時長分別為0s、5s、10s、30s，負荷率由0加載至100%。渦輪增壓器軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖6。

當加載時間設(shè)定為0s時，渦輪增壓器軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速變化的趨勢是前半段較平緩，后半段較劇烈；加載時間設(shè)定為5s時，渦輪增壓器的軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速變化速率已經(jīng)趨于穩(wěn)定；加載時間設(shè)定為30s時，渦輪增壓器的軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速變化趨勢已經(jīng)跟前述3.1節(jié)的外特性試驗結(jié)果類似。以上四種加速結(jié)束到達額定點穩(wěn)定后，渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速及軸向載荷的大小是相同的，約為380N。

以上整個過程，渦輪增壓器的軸向載荷都是指向壓氣機端的。

3.4 外特性—制動蝶閥常閉工況

控制發(fā)動機排氣制動蝶閥常閉狀態(tài)，在外特性工況運行，模擬排氣制動蝶閥故障無法開啟的工況。由于在發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于1000r/min時，發(fā)動機無法在排氣制動蝶閥關(guān)閉的情況下穩(wěn)定運行，所以試驗的發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍是1000～2100r/min。渦輪增壓器軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖7。

從試驗結(jié)果看，制動蝶閥關(guān)閉的情況下，在發(fā)動機外特性工況，渦輪增壓器的最高轉(zhuǎn)速為32000r/min左右。當渦輪增壓器轉(zhuǎn)速低于30000r/min時，隨著渦輪增壓器轉(zhuǎn)速升高，軸向載荷迅速增大，最高達到758N；當渦輪增壓器轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，渦輪增壓器的軸向載荷開始下降。

以上整個過程，渦輪增壓器的軸向載荷都是指向壓氣機端的。

3.5 外特性—制動蝶閥開啟關(guān)閉工況

控制發(fā)動機在外特性工況運行，并在每個轉(zhuǎn)速下進行一次排氣制動蝶閥關(guān)閉-開啟動作。由于在發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于1000r/min時，發(fā)動機無法在排氣制動蝶閥關(guān)閉的情況下穩(wěn)定運行，所以試驗的發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍是1000～2100r/min。渦輪增壓器軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖8。圖中環(huán)形曲線從左到右依次為發(fā)動機1000～2100r/min轉(zhuǎn)速下渦輪增壓器的軸向載荷。

當發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1000r/min時，關(guān)閉排氣制動蝶閥，渦輪增壓器的軸向載荷由20N上升到400N，同時渦輪增壓器轉(zhuǎn)速下降約4000r/min；當發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到2100r/min，關(guān)閉排氣制動蝶閥，渦輪增壓器的軸向載荷由60N上升到600N，同時渦輪增壓器轉(zhuǎn)速下降約12000r/min。

以上整個過程，渦輪增壓器的軸向載荷都是指向壓氣機端的。

4 結(jié)論

通過發(fā)動機臺架試驗得到的數(shù)據(jù)分析可知，渦輪增壓器的軸向載荷隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的變化受發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩、加載速率等影響。發(fā)動機在穩(wěn)定工況時，渦輪增壓器軸向載荷與發(fā)動機轉(zhuǎn)速負荷有關(guān)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高扭矩增大，相應(yīng)的渦輪增壓器軸向載荷也會變大；當發(fā)動機在變工況時，渦輪增壓器軸向載荷與發(fā)動機的加載時間有關(guān)，加載時間越長，渦輪增壓器軸向載荷的變化越平穩(wěn)。

在排氣制動工況時，渦輪增壓器的軸向載荷會出現(xiàn)很大的升高，甚至?xí)霈F(xiàn)數(shù)十倍的變化。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，排氣制動蝶閥關(guān)閉時，排氣背壓越大，渦輪增壓器的軸向載荷就越大。

通過以上結(jié)論，帶有排氣制動蝶閥的發(fā)動機在可靠性開發(fā)考核時，應(yīng)重點關(guān)注排氣制動對渦輪增壓器止推軸承的影響。在渦輪增壓器設(shè)計時，要根據(jù)實際應(yīng)用時的軸向載荷，合理設(shè)計渦輪增壓器的止推軸承結(jié)構(gòu)，確保其承載能力能夠滿足實際使用時的軸向載荷需求。