新聞主題	增壓器渦輪殼熱裂紋的危害、原因及熱應(yīng)力試驗(yàn)

 

摘要：渦輪增壓器渦殼熱裂紋是柴油機(jī)增壓系統(tǒng)運(yùn)行過程中的一種常見異常現(xiàn)象。本文系統(tǒng)闡述了增壓器渦殼熱裂紋的發(fā)生原因、特征、危害和檢測方法，并針對該異常現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。該試驗(yàn)由對渦輪增壓器實(shí)物進(jìn)行多種拆解，分析不同部位的性能參數(shù)，結(jié)合渦輪增壓器的測試試驗(yàn)結(jié)果，分析增壓器渦殼熱裂紋發(fā)生可能原因，以及渦輪增壓器渦殼熱裂紋如何進(jìn)行檢測等研究。研究結(jié)果表明：柴油機(jī)增壓器渦殼熱裂紋發(fā)生的原因比較復(fù)雜，主要有壓力源變化、溫度管理不當(dāng)、腐蝕性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷等；同時，如果發(fā)現(xiàn)渦輪增壓器渦殼熱裂紋，應(yīng)立即采取有效措施，以免影響柴油發(fā)電機(jī)使用，并讓渦輪增壓器發(fā)揮其最佳性能。

 

一、增壓器工作原理與影響

 

      渦輪增壓器通過壓縮空氣來增加進(jìn)入汽缸里的空氣，從而提高汽缸燃燒做功能力。在目前的技術(shù)條件下，渦輪增壓器是唯一能使柴油機(jī)在工作效率不變的情況下增加輸出功率的機(jī)械裝置。它是利用柴油機(jī)排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓縮由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進(jìn)入汽缸。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速增快時，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入汽缸。空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量和調(diào)整柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以增加柴油機(jī)的輸出功率。增壓器原理如圖1所示，零件安裝如圖2所示。

 

圖1  渦輪增壓器原理示意圖

圖2  康明斯渦輪增壓器零件分解圖

 

      渦輪增壓器安裝在柴油機(jī)的進(jìn)排氣歧管上，處在高溫、高壓和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀況下，其工作環(huán)境非常惡劣，工作要求又比較苛刻，因此對制造的材料、零部件的結(jié)構(gòu)尺寸和加工技術(shù)都要求很高。在渦輪增壓器的新產(chǎn)品試制過程中，需要對渦輪增壓器進(jìn)行試驗(yàn)，以研究渦輪增壓器的各項(xiàng)性能。渦輪殼是渦輪增壓器的主要零件之一，其流道由復(fù)雜曲面形成，以滿足空氣動力學(xué)性能要求，最大限度利用柴油機(jī)廢氣能量。同時，由于安裝空間的限制和與其他部件連接的限制，使其外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜。由于柴油機(jī)排放氣體溫度很高，渦輪殼通常在700～800℃高溫交變熱負(fù)荷下工作，而且隨著柴油機(jī)啟動、停止、待機(jī)等不同運(yùn)行工況的變化，其排放氣體的溫度也隨之改變。冷熱交替變化的工作環(huán)境，對增壓器渦輪殼是一個很大的考驗(yàn)，因此由于熱應(yīng)力引起的裂紋破壞是渦輪殼破壞的常見原因。在新產(chǎn)品的試制中必須對渦輪殼進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析渦輪殼結(jié)構(gòu)中影響熱裂紋產(chǎn)生的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，以便對渦輪殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改和調(diào)整，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

      渦輪殼結(jié)構(gòu)對增壓器效率性能有很大影響，增壓器設(shè)計準(zhǔn)則規(guī)定流道截面面積與流道截面曲率半徑之比為常數(shù)，因此渦輪殼結(jié)構(gòu)必須滿足流道內(nèi)流體的動力學(xué)性能。渦輪增壓器渦殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，該渦輪殼采用硅鉬合金材料，其中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%～3.4%，硅為3.75%～4.25%，鉬為0.5%～0.7%。材料的高溫強(qiáng)度、熱疲勞性能和熱沖擊性能都較好。渦輪殼結(jié)構(gòu)采用雙進(jìn)氣流道結(jié)構(gòu)。在新產(chǎn)品的試制過程中，渦輪殼的多種結(jié)構(gòu)參數(shù)中可以有不同的選擇。如進(jìn)氣流道分隔墻的厚度、流道壁厚和內(nèi)腔的舌形擋板厚度。渦輪殼的外部結(jié)構(gòu)也有多種，如流道外殼上設(shè)置凸臺和不設(shè)凸臺，流道外殼與進(jìn)氣口連接部位（如圖4）采用圓弧過渡或直線過渡，V形圈邊的結(jié)構(gòu)形式是平面或凹槽等。渦輪殼的這些重要結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響渦輪殼工作時的熱應(yīng)力分布，從而影響渦輪殼熱裂紋的產(chǎn)生。

 

圖3 增壓器渦輪殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖4  增壓器渦輪殼外部結(jié)構(gòu)示意圖

 

二、增壓器渦輪殼熱裂紋的危害和原因

 

     渦輪增壓器渦殼熱裂紋多以開裂狀表現(xiàn)，其外觀以及形狀因發(fā)生原因不同而有所不同。例如，壓力源變化導(dǎo)致的渦輪殼熱裂紋，多呈多棱形；而溫差造成的渦輪殼熱裂紋，多呈類扇形狀；腐蝕性引起的渦輪殼熱裂紋，多為U字形或圓形開裂；結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致的渦輪殼熱裂紋，多以不規(guī)則的角狀開裂形式出現(xiàn)。

1、危害

     渦輪增壓器渦殼熱裂紋危害比較嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）熱裂紋會使渦輪增壓器內(nèi)部流體逸出，影響渦輪增壓器的正常工作；

（2）熱裂紋會嚴(yán)重影響渦輪增壓器的散熱，從而增加機(jī)器的損耗；

（3）熱裂紋會產(chǎn)生氣震和噪聲，影響機(jī)器的正常運(yùn)行；

（4）熱裂紋可能會引起火災(zāi)，對人身和財產(chǎn)安全造成威脅。

2、原因

      渦輪增壓器渦殼熱裂紋的發(fā)生原因比較復(fù)雜，主要有以下幾個方面：

（1）壓力源變化。由于外界溫度、壓力等影響，渦輪增壓器的工作狀態(tài)不斷變化，從而產(chǎn)生壓力的變化，壓力的改變會引起渦輪增壓器渦殼的變形，導(dǎo)致渦輪殼熱裂紋的發(fā)生；

（2）溫度管理不當(dāng)。渦輪增壓器內(nèi)部溫度變化會影響到渦輪殼的變形，如果溫度管理不當(dāng)，將容易導(dǎo)致熱裂紋的發(fā)生；

（3）腐蝕性。由于燃料中含有油品，進(jìn)入渦輪增壓器渦殼內(nèi)部，易使渦輪殼發(fā)生腐蝕，從而引起熱裂紋的出現(xiàn)；

（4）內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷。渦輪增壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)或材料性能較差，也有可能導(dǎo)致渦輪殼熱裂紋的發(fā)生。

 

 三、渦輪殼熱應(yīng)力的試驗(yàn)與分析

 

1、試驗(yàn)方法

      將渦輪增壓器試驗(yàn)樣品安裝于與該渦輪增壓器配套的發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣歧管上，試驗(yàn)環(huán)境和條件與渦輪殼實(shí)際工作時的情況盡量一致，即將渦輪殼置于最惡劣的熱和機(jī)械載荷循環(huán)下進(jìn)行測試。渦輪殼熱循環(huán)試驗(yàn)在專用的渦輪性能試驗(yàn)臺上進(jìn)行，試驗(yàn)時環(huán)境溫度為常溫。試驗(yàn)采用其配套的柴油機(jī)，溫度測量用熱電偶測量渦輪殼進(jìn)氣口的進(jìn)氣溫度。當(dāng)渦輪殼進(jìn)氣口溫度升至775～800℃時，保持此溫度下柴油機(jī)繼續(xù)運(yùn)行5分鐘，然后柴油機(jī)卸載運(yùn)行，使渦輪殼進(jìn)氣口溫度下降。當(dāng)溫度降到150～200℃時，保持此溫度5分鐘。圖5所示為從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取的溫度變化曲線。由于在渦輪殼流道的前后部分存在溫度梯度，所以使用平均進(jìn)氣溫度來模擬熱循環(huán)溫度。

      為觀察渦輪殼熱裂紋產(chǎn)生情況，每50小時關(guān)閉一次柴油機(jī)，將渦輪增壓器拆下，對渦輪殼進(jìn)行檢查，對產(chǎn)生裂紋的地方進(jìn)行仔細(xì)測量和標(biāo)記。根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，渦輪殼試驗(yàn)符合以下3個條件則為合格產(chǎn)品：

（1）在流道舌形擋板部位沒有裂紋出現(xiàn)；

（2）如果廢氣調(diào)節(jié)座為一體化設(shè)計的渦輪殼，在廢氣調(diào)節(jié)座部位無裂紋出現(xiàn)；

（3）對于雙進(jìn)氣流道的渦輪殼，不超過4個沿流道分隔墻的裂紋，而且每個裂紋最大允許的裂紋長度不超過0.4mm。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

      經(jīng)過50小時的熱循環(huán)試驗(yàn)后，在流道分隔墻上有4處裂紋，如圖6所示。在1號裂紋處，流道分隔墻兩面都有輕微的徑向開裂，而且1號和2號裂紋都比預(yù)期的裂紋寬，1號裂紋有將近3.5mm寬，這2處裂紋在流道壁處終止。流道分隔墻的另外2處裂紋（3號和4號）在距離流道外壁約四分之一的位置終止。

      經(jīng)過100小時熱循環(huán)試驗(yàn)后，流道分隔墻上仍有4處裂紋，與第一次試驗(yàn)位置一致，而且有擴(kuò)大的趨勢，其中1號和2號2處裂紋繼續(xù)擴(kuò)展穿透到流道的外表面，并在舌形擋板處發(fā)生斷裂。此時由于流道分隔墻的嚴(yán)重開裂，試驗(yàn)終止。

      試驗(yàn)完成后對全部渦輪殼裂紋的位置和大小進(jìn)行了仔細(xì)的測量，100小時試驗(yàn)后檢測的裂紋尺寸如表1所示。其中1，2，3和4號裂紋為50小時檢測時裂紋的方位，100小時檢測的裂紋方位仍處于1，2，3和4號位置，并且1號和2號裂紋分別繼續(xù)擴(kuò)展穿透到流道的外表面的A，B處。

表 1    100小時試驗(yàn)后檢測的裂紋長度

 

      柴油機(jī)排放氣體溫度通常較高，而且隨著柴油機(jī)工作循環(huán)，在啟動、停止、待機(jī)等不同的運(yùn)行工況下其排放氣體的溫度也不同，冷熱交替變化的工作環(huán)境使得渦輪殼的某些局部產(chǎn)生熱應(yīng)力。這些熱應(yīng)力大小也隨工況變化，即為交變應(yīng)力。當(dāng)這些局部的交變熱應(yīng)力超過了材料的強(qiáng)度極限時，熱裂紋產(chǎn)生。因此必須調(diào)整渦輪殼熱應(yīng)力的分布，降低局部應(yīng)力，避免其熱裂紋的產(chǎn)生。

      從試驗(yàn)結(jié)果可見，該渦輪增壓器渦殼在給定工況下局部出現(xiàn)了嚴(yán)重的裂紋。產(chǎn)生裂紋的因素較為復(fù)雜，但其主要因素是渦輪殼結(jié)構(gòu)的局部尺寸和結(jié)構(gòu)的不合理，使得局部強(qiáng)度不足。因此必須對渦輪殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改和調(diào)整。

      由于組成渦輪殼結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，必須找出影響這些裂紋產(chǎn)生的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。在50小時和100小時的熱循環(huán)試驗(yàn)后，在流道分隔墻和舌形擋板上有裂紋產(chǎn)生，且100小時熱循環(huán)試驗(yàn)后舌形擋板處發(fā)生斷裂，因此可以判定流道分隔墻的厚度和舌形擋板尺寸不合理；100小時熱循環(huán)試驗(yàn)后有2處的裂紋擴(kuò)展到流道外表面，產(chǎn)生嚴(yán)重開裂，說明流道壁厚尺寸也設(shè)計得不合理。此外在流道外表面上采用凸臺和不設(shè)凸臺也會影響流道壁的熱應(yīng)力分布情況，所以正確設(shè)計凸臺也直接影響流道壁的熱裂紋產(chǎn)生。根據(jù)渦輪殼以往的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和熱裂紋試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)渦輪殼結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣口截面和V形圈邊的結(jié)構(gòu)形式也對渦輪殼的熱應(yīng)力分布有影響。綜上所述，可確定渦輪殼尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)中流道分隔墻、流道壁、舌形擋板的厚度和進(jìn)氣口截面、凸臺、V形圈邊的結(jié)構(gòu)形式這6個參數(shù)為影響渦輪殼工作時熱應(yīng)力的主要參數(shù)。

      雖然目前計算機(jī)仿真水平已經(jīng)相當(dāng)高，但是產(chǎn)品試制過程中的試驗(yàn)研究是必不可少的.渦輪殼的流道曲面形狀和外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響渦輪殼裂紋產(chǎn)生的原因較多.本文通過熱裂紋試驗(yàn)和以往的實(shí)際設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，以及有限元分析研究，確定了直接影響渦輪殼裂紋產(chǎn)生的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為流道分隔墻、流道壁、舌形擋板的厚度和T-T截面、凸臺、V形圈邊的結(jié)構(gòu)形式，必須對其進(jìn)行正交優(yōu)化調(diào)整。

 

圖5  增壓器進(jìn)氣口溫度和時間變化曲線

圖6  增壓器渦輪殼裂紋位置示意圖

 

總結(jié)：

      渦輪增壓器是一種重要的動力渦輪機(jī)，它可以將柴油發(fā)電機(jī)組的輸出功率增加2-3倍，從而提高柴油發(fā)電機(jī)組的性能和燃料經(jīng)濟(jì)性。但是，渦輪增壓器在使用過程中，由于工況復(fù)雜，易發(fā)生渦殼熱裂紋，這是一種比較常見的異常現(xiàn)象，如果不及時發(fā)現(xiàn)并有效處理，將會嚴(yán)重影響渦輪增壓器的正常使用，并造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。為了解決這一問題，本文系統(tǒng)地研究和探討了渦輪增壓器渦殼熱裂紋的發(fā)生原因、特征、危害和檢測方法，并針對該異常現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以期為渦輪增壓器的安全使用提供參考依據(jù)。

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