車用小型渦輪增壓器葉頂間隙可磨耗涂層控制技術(shù)研究

李慶斌，胡遼平，曹剛，閆海東，肖清，周成堯，全學(xué)鰲

(1.湖南天雁機(jī)械有限責(zé)任公司，湖南 衡陽(yáng) 421005；2.湘西土家族苗族自治州汽車運(yùn)輸總公司161車隊(duì)，湖南 吉首 416000)

車用渦輪增壓器在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)因壓氣機(jī)端及渦輪端的進(jìn)排氣壓力不平衡而產(chǎn)生軸向載荷，此外增壓器還受兩種振動(dòng)的影響[1]：由于質(zhì)量不平衡引起的強(qiáng)迫振動(dòng)和由于油膜流體力學(xué)性能引起的油膜自激振動(dòng)，前者會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生共振風(fēng)險(xiǎn)，使轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生很大撓度，后者會(huì)使轉(zhuǎn)子軸頸發(fā)生渦動(dòng)偏離平衡位置，二者作用導(dǎo)致增壓器轉(zhuǎn)軸發(fā)生平動(dòng)及徑向跳動(dòng)。除此之外，壓氣機(jī)葉輪與渦輪均在一定的溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)，受熱脹冷縮作用，葉片會(huì)發(fā)生伸縮變形。為了使車用渦輪增壓器能安全可靠地運(yùn)行，在設(shè)計(jì)壓氣機(jī)和渦輪機(jī)時(shí)會(huì)在殼體與轉(zhuǎn)子之間留有一定的間隙，由于不同增壓器尺寸均存在一定的偏差，徑向間隙及軸向間隙大小各異，使得實(shí)際設(shè)計(jì)的增壓器兩輪葉頂間隙更為保守。針對(duì)葉輪葉頂間隙對(duì)增壓器性能的影響研究較多[2-4]，這些研究結(jié)果均表明，間隙增大使流動(dòng)損失增加，降低了葉輪的效率。

葉頂間隙對(duì)增壓器性能影響較大，然而，對(duì)于增壓器葉頂間隙的控制技術(shù)卻鮮有報(bào)道。自20世紀(jì)50年代末以來(lái)，出現(xiàn)了在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上采用可磨耗涂層來(lái)進(jìn)行氣路封嚴(yán)研究的報(bào)道[5-8]，可磨耗封嚴(yán)涂層作為犧牲型涂層應(yīng)用于靜子部件與轉(zhuǎn)子部件之間，能夠有效減小葉尖與機(jī)匣之間的間隙，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率[9-10]，同時(shí)對(duì)葉片起到保護(hù)作用，在提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和降低油耗方面發(fā)揮了顯著的作用。美國(guó)航空航天局(NASA)研究表明，航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用可磨耗封嚴(yán)涂層后效率可提高2%以上，油耗可降低2.5%以上[11]。由于具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、返修和調(diào)整性能容易、封嚴(yán)效果好等特點(diǎn)，可磨耗涂層在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及地面燃?xì)廨啓C(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用[12-15]。

隨著柴油機(jī)排放升級(jí)，匹配國(guó)Ⅴ、國(guó)Ⅵ發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓器有著向小型化、高性能發(fā)展的趨勢(shì)，而增壓器小型化后，由于尺寸效應(yīng)的影響性能下降較快，此外，葉頂間隙的增加使得葉頂間隙占據(jù)葉高尺寸的比例較大，可能導(dǎo)致泄漏損失大幅增加，如此必將嚴(yán)重影響增壓器整體效率的提升。因此，本研究的主要目的在于分析間隙對(duì)車用小型渦輪增壓器的影響，進(jìn)而采用增壓器葉頂間隙控制技術(shù)來(lái)提升增壓器的整體性能。

1 小型壓氣機(jī)葉頂間隙模擬分析

以某國(guó)Ⅴ柴油機(jī)壓氣機(jī)為例，采用FINE/Turbo軟件包仿真計(jì)算研究了0.1 mm，0.2 mm，0.3 mm及0.4 mm 4種間隙值對(duì)小型壓氣機(jī)性能的影響，間隙分布示意見圖1，建立的壓氣機(jī)網(wǎng)格模型見圖2。

圖1 間隙分布示意

圖2 壓氣機(jī)網(wǎng)格模型

對(duì)增壓器壓氣機(jī)在100 000，150 000，200 000 r/min轉(zhuǎn)速下性能隨間隙的變化進(jìn)行了分析。圖3示出不同間隙下壓比的變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，間隙對(duì)壓比影響較大，尤其是高速下，間隙每增加0.1 mm，壓比降低約3%。圖4示出不同轉(zhuǎn)速下間隙對(duì)效率的影響。由圖可見，隨著間隙值的增大，效率逐漸降低，間隙每增加0.1 mm，峰值效率降低2%，可見，對(duì)小型增壓器葉頂間隙進(jìn)行控制尤為重要。

圖3 不同間隙下壓氣機(jī)壓比變化

圖4 不同間隙下壓氣機(jī)效率變化

2 增壓器葉頂間隙可磨耗涂層控制技術(shù)研究

增壓器葉頂間隙可磨耗涂層控制技術(shù)是在渦輪與蝸殼、葉輪與壓殼間隙區(qū)域內(nèi)分別噴涂一定厚度的可磨耗性涂層(見圖5)，增壓器轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)與涂層發(fā)生刮擦，由于涂層硬度比增壓器轉(zhuǎn)子葉輪材料偏低，涂層受到周期性周向磨耗，久而久之就會(huì)在葉輪與殼體之間自動(dòng)形成一個(gè)比較理想的間隙值。該自動(dòng)形成的間隙值為在保證增壓器可靠性前提下渦輪與蝸殼、葉輪與壓殼之間所能控制的最小間隙值，遠(yuǎn)小于增壓器實(shí)際設(shè)計(jì)賦予的較為保守的間隙值，從而實(shí)現(xiàn)增壓器葉頂間隙密封，降低葉頂間隙區(qū)域內(nèi)流體的泄漏損失，提高渦輪增壓器整體效率。

圖5 增壓器葉頂間隙涂層示意

2.1 壓氣機(jī)葉頂間隙可磨耗涂層試驗(yàn)研究

制備好涂層的壓殼見圖6。由于沒(méi)有專用工裝，在擴(kuò)壓器表面和殼體流道均有部分涂層殘余，擴(kuò)壓器表面的涂層通過(guò)機(jī)加方式去除，維持原擴(kuò)壓器寬度不變，流道內(nèi)局部存在的涂層屬于濺落殘余，厚度非常薄，對(duì)流道表面影響可以忽略不計(jì)。對(duì)壓氣機(jī)開展特性試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)量精度具體如下：1)流量測(cè)量精度±1%；2)壓力±0.5%；3)溫度±0.5%；4)轉(zhuǎn)速±0.5%。

圖6 加涂層后的壓殼

壓氣機(jī)特性試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果見圖7。采用涂層后，壓氣機(jī)峰值效率提升了近1.5%，各轉(zhuǎn)速壓比也得到了不同程度的提升。

圖7 壓氣機(jī)試驗(yàn)特性對(duì)比

對(duì)增壓器壓氣機(jī)端進(jìn)行了拆檢(見圖8)，發(fā)現(xiàn)壓殼傾斜角部位的涂層有一定程度的磨耗，而與之作用的葉輪葉片則沒(méi)有出現(xiàn)損傷，可見，涂層厚度以及涂層硬度能基本滿足間隙控制技術(shù)要求。對(duì)涂層磨耗后的間隙進(jìn)行了測(cè)量，壓氣機(jī)噴涂涂層前后間隙對(duì)比結(jié)果見表1。

圖8 壓氣機(jī)拆檢后形貌

類別徑向間隙/mm軸向間隙/mm無(wú)涂層0.450.41涂層磨耗后0.250.22

2.2 渦輪機(jī)葉頂間隙可磨耗涂層試驗(yàn)研究

渦輪進(jìn)口溫度高達(dá)700 ℃，涂層要求耐溫更高；由于耐高溫涂層材料不能直接與蝸殼內(nèi)壁面粘接，需要首先在蝸殼內(nèi)壁面與涂層之間增加過(guò)渡金屬層，再在金屬層表面制備可磨耗高溫涂層(見圖9)。蝸殼涂層較厚，為了保證渦輪與殼體的裝配，對(duì)涂層實(shí)施機(jī)械加工，以蝸殼輪緣線為基準(zhǔn)進(jìn)行偏移，使最終涂層與渦輪的間隙為原始間隙的20%左右(見圖10)。

圖9 加涂層后的蝸殼

圖10 涂層機(jī)械加工后的蝸殼

蝸殼涂層對(duì)性能提升效果的試驗(yàn)是在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行的，由于此項(xiàng)研究側(cè)重于渦輪葉頂間隙單個(gè)因素的影響，試驗(yàn)用壓殼未帶涂層。圖11示出發(fā)動(dòng)機(jī)外特性扭矩性能對(duì)比，可以看出蝸殼加涂層后，中低速扭矩提升了2%左右，這可能是由于蝸殼加涂層后，間隙減小，渦輪效率得到提升，在同等發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量驅(qū)動(dòng)下，發(fā)動(dòng)機(jī)中低速時(shí)增壓器轉(zhuǎn)速上升，使壓氣機(jī)壓比增加，從而進(jìn)氣流量增加，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩得到提升。

圖11 外特性扭矩對(duì)比

外特性燃油消耗率對(duì)比結(jié)果見圖12。由圖可見，燃油消耗率在各轉(zhuǎn)速尤其是中低轉(zhuǎn)速降低較多，燃油消耗率在1 883 r/min下降低了3.5%，這是由于涂層使渦輪性能及發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩提升后，在同等噴油流量下發(fā)動(dòng)機(jī)的功率得到了提升，單位功率下的油耗降低。對(duì)涂層磨耗后的間隙進(jìn)行了測(cè)量，渦輪機(jī)噴涂涂層前后間隙對(duì)比結(jié)果見表2。

圖12 外特性燃油消耗率對(duì)比

類別徑向間隙/mm軸向間隙/mm無(wú)涂層0.50.42涂層磨耗后0.280.24

為了驗(yàn)證涂層的可靠性，對(duì)增壓器進(jìn)行了200 h可靠性考核試驗(yàn)，試驗(yàn)后的蝸殼和渦輪分別見圖13與圖14。該涂層在試驗(yàn)中沒(méi)有出現(xiàn)掉塊和損壞渦輪葉片等現(xiàn)象，涂層高溫可靠性滿足要求，驗(yàn)證了可磨耗涂層技術(shù)在車用小型渦輪增壓器領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。

圖13 試驗(yàn)后蝸殼涂層

圖14 試驗(yàn)后渦輪

3 結(jié)論

a) 對(duì)小型國(guó)Ⅴ柴油機(jī)增壓器葉頂間隙進(jìn)行了仿真研究，發(fā)現(xiàn)間隙每增加0.1 mm，壓比降低約3%，峰值效率則降低2%，可見，對(duì)小型增壓器間隙進(jìn)行控制尤為重要；

b) 在壓殼表面制備了可磨耗涂層，經(jīng)壓氣機(jī)特性臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比測(cè)量發(fā)現(xiàn)，壓氣機(jī)峰值效率提升了近1.5%，各轉(zhuǎn)速壓比也出現(xiàn)了不同程度的提升；經(jīng)拆檢，涂層磨耗均勻，而葉輪葉片沒(méi)有出現(xiàn)磨損；

c) 在蝸殼表面制備了涂層，經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)匹配試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，蝸殼加涂層后，中低速扭矩提升了2%左右，燃油消耗率在1 883 r/min下降低了3.5%，蝸殼涂層效果明顯；涂層經(jīng)200 h可靠性考核驗(yàn)證，涂層磨耗均勻無(wú)掉塊，渦輪葉片無(wú)損傷，驗(yàn)證了可磨耗涂層技術(shù)在車用小型渦輪增壓器領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。