新聞主題	增壓器渦輪殼熱裂紋的危害、原因及熱應力試驗

 

摘要：渦輪增壓器渦殼熱裂紋是柴油機增壓系統(tǒng)運行過程中的一種常見異?，F(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?，F(xiàn)象進行了實驗研究。該試驗由對渦輪增壓器實物進行多種拆解，分析不同部位的性能參數(shù)，結合渦輪增壓器的測試試驗結果，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行檢測等研究。研究結果表明：柴油機增壓器渦殼熱裂紋發(fā)生的原因比較復雜，主要有壓力源變化、溫度管理不當、腐蝕性和內(nèi)部結構的缺陷等；同時，如果發(fā)現(xiàn)渦輪增壓器渦殼熱裂紋，應立即采取有效措施，以免影響柴油發(fā)電機使用，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。在目前的技術條件下，渦輪增壓器是唯一能使柴油機在工作效率不變的情況下增加輸出功率的機械裝置。它是利用柴油機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，使之增壓進入汽缸。當柴油機轉速增快時，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入汽缸?？諝獾膲毫兔芏仍龃罂梢匀紵嗟娜剂?，相應增加燃料量和調整柴油機的轉速，就可以增加柴油機的輸出功率。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的進排氣歧管上，處在高溫、高壓和高速運轉的工作狀況下，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、零部件的結構尺寸和加工技術都要求很高。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行試驗，以研究渦輪增壓器的各項性能。渦輪殼是渦輪增壓器的主要零件之一，其流道由復雜曲面形成，以滿足空氣動力學性能要求，最大限度利用柴油機廢氣能量。同時，由于安裝空間的限制和與其他部件連接的限制，使其外形結構復雜。由于柴油機排放氣體溫度很高，渦輪殼通常在700～800℃高溫交變熱負荷下工作，而且隨著柴油機啟動、停止、待機等不同運行工況的變化，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，因此由于熱應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行試驗研究，分析渦輪殼結構中影響熱裂紋產(chǎn)生的主要結構參數(shù)，以便對渦輪殼結構進行修改和調整，達到提高產(chǎn)品質量的目的。

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

 

圖3 增壓器渦輪殼內(nèi)部結構示意圖

圖4  增壓器渦輪殼外部結構示意圖

 

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；結構缺陷導致的渦輪殼熱裂紋，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）熱裂紋會嚴重影響渦輪增壓器的散熱，從而增加機器的損耗；

（3）熱裂紋會產(chǎn)生氣震和噪聲，影響機器的正常運行；

（4）熱裂紋可能會引起火災，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，導致渦輪殼熱裂紋的發(fā)生；

（2）溫度管理不當。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，將容易導致熱裂紋的發(fā)生；

（3）腐蝕性。由于燃料中含有油品，進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)部結構的缺陷。渦輪增壓器的內(nèi)部結構設計不當或材料性能較差，也有可能導致渦輪殼熱裂紋的發(fā)生。

 

 三、渦輪殼熱應力的試驗與分析

 

1、試驗方法

      將渦輪增壓器試驗樣品安裝于與該渦輪增壓器配套的發(fā)動機進排氣歧管上，試驗環(huán)境和條件與渦輪殼實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械載荷循環(huán)下進行測試。渦輪殼熱循環(huán)試驗在專用的渦輪性能試驗臺上進行，試驗時環(huán)境溫度為常溫。試驗采用其配套的柴油機，溫度測量用熱電偶測量渦輪殼進氣口的進氣溫度。當渦輪殼進氣口溫度升至775～800℃時，保持此溫度下柴油機繼續(xù)運行5分鐘，然后柴油機卸載運行，使渦輪殼進氣口溫度下降。當溫度降到150～200℃時，保持此溫度5分鐘。圖5所示為從試驗數(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小時關閉一次柴油機，將渦輪增壓器拆下，對渦輪殼進行檢查，對產(chǎn)生裂紋的地方進行仔細測量和標記。根據(jù)試驗標準，渦輪殼試驗符合以下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）如果廢氣調節(jié)座為一體化設計的渦輪殼，在廢氣調節(jié)座部位無裂紋出現(xiàn)；

（3）對于雙進氣流道的渦輪殼，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、試驗結果與分析

      經(jīng)過50小時的熱循環(huán)試驗后，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)試驗后，流道分隔墻上仍有4處裂紋，與第一次試驗位置一致，而且有擴大的趨勢，其中1號和2號2處裂紋繼續(xù)擴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重開裂，試驗終止。

      試驗完成后對全部渦輪殼裂紋的位置和大小進行了仔細的測量，100小時試驗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)擴展穿透到流道的外表面的A，B處。

表 1    100小時試驗后檢測的裂紋長度

 

      柴油機排放氣體溫度通常較高，而且隨著柴油機工作循環(huán)，在啟動、停止、待機等不同的運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)生熱應力。這些熱應力大小也隨工況變化，即為交變應力。當這些局部的交變熱應力超過了材料的強度極限時，熱裂紋產(chǎn)生。因此必須調整渦輪殼熱應力的分布，降低局部應力，避免其熱裂紋的產(chǎn)生。

      從試驗結果可見，該渦輪增壓器渦殼在給定工況下局部出現(xiàn)了嚴重的裂紋。產(chǎn)生裂紋的因素較為復雜，但其主要因素是渦輪殼結構的局部尺寸和結構的不合理，使得局部強度不足。因此必須對渦輪殼結構進行修改和調整。

      由于組成渦輪殼結構的尺寸參數(shù)和結構參數(shù)較多，必須找出影響這些裂紋產(chǎn)生的主要結構參數(shù)。在50小時和100小時的熱循環(huán)試驗后，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)試驗后有2處的裂紋擴展到流道外表面，產(chǎn)生嚴重開裂，說明流道壁厚尺寸也設計得不合理。此外在流道外表面上采用凸臺和不設凸臺也會影響流道壁的熱應力分布情況，所以正確設計凸臺也直接影響流道壁的熱裂紋產(chǎn)生。根據(jù)渦輪殼以往的設計經(jīng)驗和熱裂紋試驗，發(fā)現(xiàn)渦輪殼結構的進氣口截面和V形圈邊的結構形式也對渦輪殼的熱應力分布有影響。綜上所述，可確定渦輪殼尺寸和結構參數(shù)中流道分隔墻、流道壁、舌形擋板的厚度和進氣口截面、凸臺、V形圈邊的結構形式這6個參數(shù)為影響渦輪殼工作時熱應力的主要參數(shù)。

      雖然目前計算機仿真水平已經(jīng)相當高，但是產(chǎn)品試制過程中的試驗研究是必不可少的.渦輪殼的流道曲面形狀和外形結構復雜，影響渦輪殼裂紋產(chǎn)生的原因較多.本文通過熱裂紋試驗和以往的實際設計經(jīng)驗，以及有限元分析研究，確定了直接影響渦輪殼裂紋產(chǎn)生的主要結構參數(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形圈邊的結構形式，必須對其進行正交優(yōu)化調整。

 

圖5  增壓器進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：

      渦輪增壓器是一種重要的動力渦輪機，它可以將柴油發(fā)電機組的輸出功率增加2-3倍，從而提高柴油發(fā)電機組的性能和燃料經(jīng)濟性。但是，渦輪增壓器在使用過程中，由于工況復雜，易發(fā)生渦殼熱裂紋，這是一種比較常見的異?，F(xiàn)象，如果不及時發(fā)現(xiàn)并有效處理，將會嚴重影響渦輪增壓器的正常使用，并造成較大的經(jīng)濟損失。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?，F(xiàn)象進行了試驗研究，以期為渦輪增壓器的安全使用提供參考依據(jù)。

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