柴油機(jī)渦輪增壓器冷卻數(shù)值研究

趙丕歡，冀翼，楊建文，史麗媛

(天津北方天力增壓技術(shù)有限公司，天津 300400)

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的排溫越來越高，渦輪增壓器的熱負(fù)荷因此不斷提高，工作環(huán)境越來越惡劣，將引起軸承體渦端密封環(huán)處和渦端浮動(dòng)軸承處的溫度過高，長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油結(jié)焦,密封環(huán)發(fā)生積炭而失去彈性，從而造成增壓器漏油及軸系可靠性下降甚至損壞等問題。為保證浮動(dòng)軸承和密封環(huán)的正常工作，要求渦輪端浮動(dòng)軸承部位的溫度不超過150 ℃，密封環(huán)處的溫度不超過230 ℃。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪箱進(jìn)口溫度達(dá)到并超過700 ℃時(shí)，僅靠潤(rùn)滑油來降低軸承體的溫度已無法保證增壓器的正常工作，需通過水冷卻來降低增壓器的熱負(fù)荷，保證增壓器的工作可靠性。渦輪增壓器的散熱成為影響增壓器壽命和性能的關(guān)鍵因素之一。

與某柴油機(jī)相匹配的增壓器在標(biāo)定點(diǎn)工作時(shí)，渦輪箱進(jìn)氣口排氣溫度為763 ℃，高溫排氣對(duì)軸承體的熱傳遞引起渦端密封環(huán)處和渦端浮動(dòng)軸承處的溫度過高，影響增壓器的可靠性。為保證渦輪增壓器正常工作，需通過優(yōu)化設(shè)計(jì)水冷軸承體來降低軸承體的熱負(fù)荷。

本研究通過增壓器熱流固耦合數(shù)值模擬來研究增壓器的冷卻與散熱問題，為了更真實(shí)地反映增壓器軸承體的傳熱與散熱，建立壓氣機(jī)端流場(chǎng)和渦輪端流場(chǎng)模型，非水冷及水冷軸承體模型，水腔及油腔模型，沖壓隔熱罩模型，通過CFD軟件進(jìn)行熱流固耦合分析，得到非水冷及水冷軸承體的溫度場(chǎng)，評(píng)價(jià)增壓器的冷卻設(shè)計(jì)是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1 流固耦合邊界的共軛傳熱原理

采用機(jī)油和冷卻水同時(shí)冷卻的方式能很好地解決渦輪增壓器軸承體散熱問題，在渦輪增壓器流固耦合傳熱邊界上有：

qw|solid=qw|fluid。

(1)

當(dāng)黏性流體在貼近壁面附近流動(dòng)且流速很小時(shí)，其相對(duì)運(yùn)動(dòng)可忽略不計(jì)。在渦輪增壓器水冷軸承體壁面流體層處由傅里葉熱定律可知：

qw|fluid=-λgradt。

(2)

式中：-λgradt為貼近壁面法線方向上流體溫度梯度。

而對(duì)流傳熱的牛頓冷卻公式為

qw|fluid=h(tw-tf)。

(3)

式中：h為對(duì)流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；tw和tf分別為交界面和附近冷卻液的溫度。

由式(2)和式(3)可以得到對(duì)流傳熱表面換熱系數(shù)與流體溫度場(chǎng)的關(guān)系式：

(4)

2 軸承體及各流場(chǎng)模型的建立及網(wǎng)格劃分

為提高計(jì)算效率和計(jì)算精度，避免計(jì)算出錯(cuò)及計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)等問題，提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化和修復(fù)，去除對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的小孔和外表面不倒角等特征，在真實(shí)反映水冷軸承體、壓氣機(jī)流場(chǎng)及渦輪端流場(chǎng)傳熱特征的同時(shí)，減少不必要的幾何特征，粘合表面、修補(bǔ)壞面、修繕尖角、融合曲線。壓氣機(jī)和渦輪端流場(chǎng)域分為進(jìn)口域、轉(zhuǎn)子域及通道流場(chǎng)域，水冷軸承體包含軸承體固場(chǎng)域及水腔和油腔流場(chǎng)域，非水冷軸承體包括固場(chǎng)域和油腔流場(chǎng)域。

選用單元長(zhǎng)度最小為0.5 mm，最大為3 mm的4節(jié)點(diǎn)四面體等參元對(duì)軸承體及各流場(chǎng)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了準(zhǔn)確模擬壁面處的換熱系數(shù)，對(duì)耦合交界面處的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，生成的非水冷及水冷增壓器的流固耦合有限元網(wǎng)格見圖1和圖2，非水冷增壓器共生成229 693個(gè)節(jié)點(diǎn)、1 143 226個(gè)單元，水冷增壓器共生成232 591個(gè)節(jié)點(diǎn)、1 161 723個(gè)單元。

圖1 非水冷增壓器流固耦合模型 圖2 水冷增壓器流固耦合模型

3 流體域與固體域邊界條件

3.1 模型材料

準(zhǔn)確的材料物性參數(shù)是熱流固耦合分析獲得準(zhǔn)確結(jié)果的重要前提，流體域和固體域(軸承體的材料為HT250、隔熱罩材料為12Cr18Ni9)的材料物性見表1。

表1 增壓器流體域和固體域的材料物性

3.2 邊界條件

在熱流固耦合分析中，約束條件施加得正確與否，很大程度上影響計(jì)算的精確性與計(jì)算結(jié)果和實(shí)際的一致性。增壓器工作時(shí)，軸承體的熱負(fù)荷主要來源于進(jìn)入渦輪箱并做功的高溫燃?xì)夂瓦M(jìn)入壓氣機(jī)并做功的溫度升高的空氣。為盡可能模擬增壓器的真實(shí)工作，壓氣機(jī)端、渦輪端、軸承體冷卻水及潤(rùn)滑油的流場(chǎng)均以發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行施加(見表2)。

表2 流場(chǎng)邊界條件

軸承體通過外壁面散熱，環(huán)境溫度為25 ℃，傳熱系數(shù)為25 W/(m2·K)，增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，壓氣機(jī)與渦輪的轉(zhuǎn)速相等，因此壓氣機(jī)和渦輪的轉(zhuǎn)子域設(shè)定的轉(zhuǎn)速為125 000 r/min(13 083.33 rad/s)。

4 非水冷與水冷軸承體計(jì)算結(jié)果分析

4.1 非水冷軸承體

圖3和圖4分別示出非水冷增壓器溫度分布和軸向豎直平面上的溫度分布。由圖可見，增壓器軸承體的溫度主要來源為進(jìn)入渦輪箱的燃?xì)鈱?duì)軸承體的熱傳遞，另一部分來源于進(jìn)入壓氣機(jī)并做功有溫度升高的空氣對(duì)軸承體無葉擴(kuò)壓面的熱傳遞。由于沒有冷卻水的冷卻，軸承體擴(kuò)壓面處的溫度和擴(kuò)壓面附近的氣體溫度相當(dāng)，在190 ℃左右。沖壓隔熱罩能對(duì)進(jìn)入渦輪箱的氣體起到較好的隔熱作用，能防止進(jìn)入渦輪輪背的高溫氣體直接對(duì)軸承體的熱傳遞。

渦輪增壓器非水冷軸承及軸向豎直平面上的溫度分布見圖5。軸承體僅靠主油道的機(jī)油(冷卻增壓器后)進(jìn)行冷卻，靠近渦輪端面軸承體部位直接受到通過沖壓隔熱罩與轉(zhuǎn)子軸間隙的高溫尾氣加熱，此處溫度最高，與軸承體壓氣機(jī)端接觸的是經(jīng)過葉輪做功后的壓縮空氣，此處溫度最低。軸承體溫度分布由渦端向壓端逐漸遞減，渦輪端密封環(huán)處的溫度為348.3 ℃左右，超過了230 ℃，增壓器渦輪端密封環(huán)無法在此溫度下正常工作；渦端浮動(dòng)軸承處的溫度為190.3 ℃左右，也超過150 ℃，渦輪端浮動(dòng)軸承也無法在此溫度下長(zhǎng)期工作。需根據(jù)增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)上的安裝要求重新設(shè)計(jì)軸承體，通過向增壓器軸承體引入冷卻水進(jìn)行冷卻，再加上機(jī)油對(duì)軸承體的冷卻以保證增壓器可靠工作。

圖3 非水冷增壓器溫度分布

圖4 非水冷增壓器軸向豎直平面上的溫度分布

圖5 非水冷軸承體及豎直平面上溫度分布

4.2 水冷軸承體

由于受到安裝空間的限制，水冷軸承體設(shè)計(jì)成半環(huán)形。在冷卻水和機(jī)油共同冷卻下，增壓器溫度分布及軸向豎直平面上的溫度分布見圖6和圖7。由圖可知，在冷卻水的作用下，渦輪增壓器軸承體的溫度得到大幅度的下降。

圖8示出軸承體及軸向豎直平面上的溫度分布。仿真顯示，渦輪端水冷軸承體密封環(huán)處的溫度為220 ℃左右，沒超過密封環(huán)的可靠使用溫度230 ℃。水冷軸承體渦輪端浮動(dòng)軸承處的上半部分靠近冷卻水腔，得到進(jìn)一步冷卻，溫度為80.8 ℃左右，下半部分遠(yuǎn)離冷卻水腔，僅靠機(jī)油對(duì)軸承體冷卻，溫度為88.8 ℃左右，靠近壓氣機(jī)端的軸承體浮動(dòng)軸承部位為81.9 ℃左右，均沒超過增壓器浮動(dòng)軸承座處的可靠工作溫度150 ℃?？梢?，冷卻水有效地減少了從軸承體渦輪端傳遞至壓氣機(jī)端的熱量，若不受增壓器安裝空間限制，應(yīng)把水冷軸承體的水腔設(shè)計(jì)成整環(huán)式水腔，以更好地冷卻軸承體。

圖6 水冷增壓器溫度分布

圖7 水冷增壓器軸向豎直平面上的溫度分布

圖8 水冷軸承體及豎直平面上溫度分布

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)采取自循方式，增壓器轉(zhuǎn)速控制在125 000 r/min，潤(rùn)滑油進(jìn)口壓力和溫度分別為0.4 MPa，50 ℃，渦輪前溫度控制在763 ℃，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)15 min后記錄測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。增壓器驗(yàn)證條件測(cè)點(diǎn)布置具體見圖9，測(cè)點(diǎn)布置時(shí)應(yīng)控制熱電偶球頭距離軸承和密封環(huán)擋臺(tái)面0.5～1.0 mm 之內(nèi)，軸承體渦輪端密封環(huán)處的溫度測(cè)量采用3個(gè)工業(yè)鎧裝熱電偶傳感器(WRKK-112)，傳感器均布于密封環(huán)的四周，測(cè)量取平均值；浮動(dòng)軸承部位的溫度測(cè)量需繞開水道，3個(gè)鎧裝熱電偶傳感器(WRKK-112)均布于回油位置100°范圍內(nèi)。

表3 列出仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。對(duì)比結(jié)果顯示，最大相對(duì)誤差為 4% ，滿足工程計(jì)算的要求，水冷軸承體的溫度場(chǎng)分布滿足增壓器的可靠工作要求。

圖9 軸承體測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)密封環(huán)處仿真值測(cè)量均值誤差/%軸承處仿真值測(cè)量均值誤差/%水冷220216.91.4388.892.54非水冷348.3341.22.1190.3196.23.2

6 結(jié)論

a) 在考慮壓氣機(jī)端和渦輪端流場(chǎng)對(duì)軸承體進(jìn)行熱傳遞的情況下，通過Ansys CFX軟件，采用流固耦合穩(wěn)態(tài)數(shù)值分析方法對(duì)渦輪增壓器非水冷及水冷軸承體進(jìn)行了分析，仿真結(jié)果表明，非水冷軸承體僅靠機(jī)油進(jìn)行冷卻，無法保證增壓器軸系的正?？煽抗ぷ?，需通過冷卻水和機(jī)油的共同冷卻，使增壓器在排溫較高的柴油機(jī)工況下長(zhǎng)期正常工作；

b) 水冷軸承體渦端浮動(dòng)軸承上半部位得到冷卻水較好地冷卻，溫度較下半部位低，若水冷軸承體不受增壓器外形的限制，且保證軸承體具有足夠大的回油腔以防止回油不暢，應(yīng)把水冷軸承體的水腔設(shè)計(jì)成整環(huán)形，以進(jìn)一步地冷卻軸承體渦端密封環(huán)處和浮動(dòng)軸承處，更好地保證增壓器可靠工作；

c) 試驗(yàn)結(jié)果表明，仿真結(jié)果與試驗(yàn)值較為接近，基于CFD軟件進(jìn)行流固耦合分析增壓器的冷卻散熱問題，以評(píng)價(jià)增壓器的可靠性，能縮短增壓器研發(fā)周期。