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增压器涡轮壳热裂纹的危害、原因及热应力试验 |
摘要：涡轮增压器涡壳热裂纹是柴油机增压系统运行过程中的一种常见异常现象。本文系统阐述了增压器涡壳热裂纹的发生原因、特征、危害和检测方法，并针对该异常现象进行了实验研究。该试验由对涡轮增压器实物进行多种拆解，分析不同部位的性能参数，结合涡轮增压器的测试试验结果，分析增压器涡壳热裂纹发生可能原因，以及涡轮增压器涡壳热裂纹如何进行检测等研究。研究结果表明：柴油机增压器涡壳热裂纹发生的原因比较复杂，主要有压力源变化、温度管理不当、腐蚀性和内部结构的缺陷等；同时，如果发现涡轮增压器涡壳热裂纹，应立即采取有效措施，以免影响柴油发电机使用，并让涡轮增压器发挥其最佳性能。
一、增压器工作原理与影响
涡轮增压器通过压缩空气来增加进入汽缸里的空气，从而提高汽缸燃烧做功能力。在目前的技术条件下，涡轮增压器是唯一能使柴油机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。它是利用柴油机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压缩由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入汽缸。当柴油机转速增快时，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入汽缸。空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整柴油机的转速，就可以增加柴油机的输出功率。增压器原理如图1所示，零件安装如图2所示。
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图1 涡轮增压器原理示意图 |
图2 康明斯涡轮增压器零件分解图 |
涡轮增压器安装在柴油机的进排气歧管上，处在高温、高压和高速运转的工作状况下，其工作环境非常恶劣，工作要求又比较苛刻，因此对制造的材料、零部件的结构尺寸和加工技术都要求很高。在涡轮增压器的新产品试制过程中，需要对涡轮增压器进行试验，以研究涡轮增压器的各项性能。涡轮壳是涡轮增压器的主要零件之一，其流道由复杂曲面形成，以满足空气动力学性能要求，最大限度利用柴油机废气能量。同时，由于安装空间的限制和与其他部件连接的限制，使其外形结构复杂。由于柴油机排放气体温度很高，涡轮壳通常在700～800℃高温交变热负荷下工作，而且随着柴油机启动、停止、待机等不同运行工况的变化，其排放气体的温度也随之改变。冷热交替变化的工作环境，对增压器涡轮壳是一个很大的考验，因此由于热应力引起的裂纹破坏是涡轮壳破坏的常见原因。在新产品的试制中必须对涡轮壳进行试验研究，分析涡轮壳结构中影响热裂纹产生的主要结构参数，以便对涡轮壳结构进行修改和调整，达到提高产品质量的目的。
涡轮壳结构对增压器效率性能有很大影响，增压器设计准则规定流道截面面积与流道截面曲率半径之比为常数，因此涡轮壳结构必须满足流道内流体的动力学性能。涡轮增压器涡壳内部结构如图3所示，该涡轮壳采用硅钼合金材料，其中碳质量分数为3.0%～3.4%，硅为3.75%～4.25%，钼为0.5%～0.7%。材料的高温强度、热疲劳性能和热冲击性能都较好。涡轮壳结构采用双进气流道结构。在新产品的试制过程中，涡轮壳的多种结构参数中可以有不同的选择。如进气流道分隔墙的厚度、流道壁厚和内腔的舌形挡板厚度。涡轮壳的外部结构也有多种，如流道外壳上设置凸台和不设凸台，流道外壳与进气口连接部位（如图4）采用圆弧过渡或直线过渡，V形圈边的结构形式是平面或凹槽等。涡轮壳的这些重要结构参数直接影响涡轮壳工作时的热应力分布，从而影响涡轮壳热裂纹的产生。
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图3 增压器涡轮壳内部结构示意图 |
图4 增压器涡轮壳外部结构示意图 |
二、增压器涡轮壳热裂纹的危害和原因
涡轮增压器涡壳热裂纹多以开裂状表现，其外观以及形状因发生原因不同而有所不同。例如，压力源变化导致的涡轮壳热裂纹，多呈多棱形；而温差造成的涡轮壳热裂纹，多呈类扇形状；腐蚀性引起的涡轮壳热裂纹，多为U字形或圆形开裂；结构缺陷导致的涡轮壳热裂纹，多以不规则的角状开裂形式出现。
1、危害
涡轮增压器涡壳热裂纹危害比较严重，主要表现在以下几个方面：
（1）热裂纹会使涡轮增压器内部流体逸出，影响涡轮增压器的正常工作；
（2）热裂纹会严重影响涡轮增压器的散热，从而增加机器的损耗；
（3）热裂纹会产生气震和噪声，影响机器的正常运行；
（4）热裂纹可能会引起火灾，对人身和财产安全造成威胁。
2、原因
涡轮增压器涡壳热裂纹的发生原因比较复杂，主要有以下几个方面：
（1）压力源变化。由于外界温度、压力等影响，涡轮增压器的工作状态不断变化，从而产生压力的变化，压力的改变会引起涡轮增压器涡壳的变形，导致涡轮壳热裂纹的发生；
（2）温度管理不当。涡轮增压器内部温度变化会影响到涡轮壳的变形，如果温度管理不当，将容易导致热裂纹的发生；
（3）腐蚀性。由于燃料中含有油品，进入涡轮增压器涡壳内部，易使涡轮壳发生腐蚀，从而引起热裂纹的出现；
（4）内部结构的缺陷。涡轮增压器的内部结构设计不当或材料性能较差，也有可能导致涡轮壳热裂纹的发生。
三、涡轮壳热应力的试验与分析
1、试验方法
将涡轮增压器试验样品安装于与该涡轮增压器配套的发动机进排气歧管上，试验环境和条件与涡轮壳实际工作时的情况尽量一致，即将涡轮壳置于最恶劣的热和机械载荷循环下进行测试。涡轮壳热循环试验在专用的涡轮性能试验台上进行，试验时环境温度为常温。试验采用其配套的柴油机，温度测量用热电偶测量涡轮壳进气口的进气温度。当涡轮壳进气口温度升至775～800℃时，保持此温度下柴油机继续运行5分钟，然后柴油机卸载运行，使涡轮壳进气口温度下降。当温度降到150～200℃时，保持此温度5分钟。图5所示为从试验数据中提取的温度变化曲线。由于在涡轮壳流道的前后部分存在温度梯度，所以使用平均进气温度来模拟热循环温度。
为观察涡轮壳热裂纹产生情况，每50小时关闭一次柴油机，将涡轮增压器拆下，对涡轮壳进行检查，对产生裂纹的地方进行仔细测量和标记。根据试验标准，涡轮壳试验符合以下3个条件则为合格产品：
（1）在流道舌形挡板部位没有裂纹出现；
（2）如果废气调节座为一体化设计的涡轮壳，在废气调节座部位无裂纹出现；
（3）对于双进气流道的涡轮壳，不超过4个沿流道分隔墙的裂纹，而且每个裂纹最大允许的裂纹长度不超过0.4mm。
2、试验结果与分析
经过50小时的热循环试验后，在流道分隔墙上有4处裂纹，如图6所示。在1号裂纹处，流道分隔墙两面都有轻微的径向开裂，而且1号和2号裂纹都比预期的裂纹宽，1号裂纹有将近3.5mm宽，这2处裂纹在流道壁处终止。流道分隔墙的另外2处裂纹（3号和4号）在距离流道外壁约四分之一的位置终止。
经过100小时热循环试验后，流道分隔墙上仍有4处裂纹，与第一次试验位置一致，而且有扩大的趋势，其中1号和2号2处裂纹继续扩展穿透到流道的外表面，并在舌形挡板处发生断裂。此时由于流道分隔墙的严重开裂，试验终止。
试验完成后对全部涡轮壳裂纹的位置和大小进行了仔细的测量，100小时试验后检测的裂纹尺寸如表1所示。其中1，2，3和4号裂纹为50小时检测时裂纹的方位，100小时检测的裂纹方位仍处于1，2，3和4号位置，并且1号和2号裂纹分别继续扩展穿透到流道的外表面的A，B处。
表 1 100小时试验后检测的裂纹长度
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裂纹编号
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裂纹宽度/mm
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1
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6.706
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2
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0.889
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3
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0.381
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4
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0.889
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柴油机排放气体温度通常较高，而且随着柴油机工作循环，在启动、停止、待机等不同的运行工况下其排放气体的温度也不同，冷热交替变化的工作环境使得涡轮壳的某些局部产生热应力。这些热应力大小也随工况变化，即为交变应力。当这些局部的交变热应力超过了材料的强度极限时，热裂纹产生。因此必须调整涡轮壳热应力的分布，降低局部应力，避免其热裂纹的产生。
从试验结果可见，该涡轮增压器涡壳在给定工况下局部出现了严重的裂纹。产生裂纹的因素较为复杂，但其主要因素是涡轮壳结构的局部尺寸和结构的不合理，使得局部强度不足。因此必须对涡轮壳结构进行修改和调整。
由于组成涡轮壳结构的尺寸参数和结构参数较多，必须找出影响这些裂纹产生的主要结构参数。在50小时和100小时的热循环试验后，在流道分隔墙和舌形挡板上有裂纹产生，且100小时热循环试验后舌形挡板处发生断裂，因此可以判定流道分隔墙的厚度和舌形挡板尺寸不合理；100小时热循环试验后有2处的裂纹扩展到流道外表面，产生严重开裂，说明流道壁厚尺寸也设计得不合理。此外在流道外表面上采用凸台和不设凸台也会影响流道壁的热应力分布情况，所以正确设计凸台也直接影响流道壁的热裂纹产生。根据涡轮壳以往的设计经验和热裂纹试验，发现涡轮壳结构的进气口截面和V形圈边的结构形式也对涡轮壳的热应力分布有影响。综上所述，可确定涡轮壳尺寸和结构参数中流道分隔墙、流道壁、舌形挡板的厚度和进气口截面、凸台、V形圈边的结构形式这6个参数为影响涡轮壳工作时热应力的主要参数。
虽然目前计算机仿真水平已经相当高，但是产品试制过程中的试验研究是必不可少的.涡轮壳的流道曲面形状和外形结构复杂，影响涡轮壳裂纹产生的原因较多.本文通过热裂纹试验和以往的实际设计经验，以及有限元分析研究，确定了直接影响涡轮壳裂纹产生的主要结构参数为流道分隔墙、流道壁、舌形挡板的厚度和T-T截面、凸台、V形圈边的结构形式，必须对其进行正交优化调整。
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图5 增压器进气口温度和时间变化曲线 |
图6 增压器涡轮壳裂纹位置示意图 |
总结：
涡轮增压器是一种重要的动力涡轮机，它可以将柴油发电机组的输出功率增加2-3倍，从而提高柴油发电机组的性能和燃料经济性。但是，涡轮增压器在使用过程中，由于工况复杂，易发生涡壳热裂纹，这是一种比较常见的异常现象，如果不及时发现并有效处理，将会严重影响涡轮增压器的正常使用，并造成较大的经济损失。为了解决这一问题，本文系统地研究和探讨了涡轮增压器涡壳热裂纹的发生原因、特征、危害和检测方法，并针对该异常现象进行了试验研究，以期为涡轮增压器的安全使用提供参考依据。
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