高排溫發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪殼總成流固耦合分析及驗(yàn)證

張金明，張健健 ，馬超，苗熠芝，張國(guó)棟

1.康躍科技股份有限公司，山東 壽光 262718；2.機(jī)械工業(yè)內(nèi)燃機(jī)增壓系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 壽光 262718；3. 濰坊學(xué)院 機(jī)電與車輛工程學(xué)院 山東 濰坊 261061

0 引言

隨著各國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)，發(fā)動(dòng)機(jī)向低排放、高功率密度、小型化的方向發(fā)展[1-3]，要求增壓器具有高壓比、高性能，因此渦輪殼需要承受更高溫度和壓力的沖擊，熱應(yīng)力過(guò)大是渦輪殼失效的主要原因[4-6]。在國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)、非道路國(guó)四發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)中，柴油機(jī)、氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢氣溫度可達(dá)到800 ℃[7]，某些特殊機(jī)型的渦前排溫更高，渦輪殼總成的失效問(wèn)題更為凸顯；發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行高原、高溫試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，增壓器的工作環(huán)境更為苛刻。目前對(duì)增壓器渦輪殼的研究重點(diǎn)主要是排溫高的小排量汽油機(jī)，且多數(shù)針對(duì)旁通閥關(guān)閉狀態(tài)進(jìn)行分析，與渦輪殼實(shí)際的殼體溫度分布及變化劇烈程度存在較大差異。

數(shù)值模擬分析方法廣泛應(yīng)用于增壓器渦輪殼的流體力學(xué)、傳熱、熱-機(jī)應(yīng)力及應(yīng)變等方面的研究。Comerais等[8]計(jì)算分析了渦輪殼的熱傳導(dǎo)，提供了關(guān)于渦輪殼傳熱方面問(wèn)題的理論依據(jù)；Errerra等[9]采用流固耦合的分析方法對(duì)渦輪殼傳熱方式進(jìn)行了研究，為熱固耦合方法提供了可行方案；黃恩德等[10]利用分析軟件鎖定了渦輪殼產(chǎn)生熱裂紋的潛在風(fēng)險(xiǎn)部位，提出了渦輪殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；黃張偉[11]利用仿真分析軟件，單獨(dú)對(duì)渦輪殼進(jìn)行單向耦合計(jì)算，分析了廢氣閥門關(guān)閉時(shí)渦輪殼溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力，研究了渦輪殼的流固耦合特點(diǎn)，選取定義了渦輪殼耦合的界面并確定耦合流程；陳少林等[12]對(duì)某款汽油機(jī)增壓器進(jìn)行了冷、熱沖擊驗(yàn)證試驗(yàn)，分析了渦輪殼廢氣旁通閥孔、喉口、舌口等關(guān)鍵部位產(chǎn)生裂紋的失效機(jī)理，采用單向耦合計(jì)算進(jìn)行了多方案對(duì)比優(yōu)化，對(duì)渦輪殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)；龍?chǎng)蔚萚13]以某汽油機(jī)增壓器渦輪殼為研究對(duì)象，運(yùn)用流體及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析軟件同步耦合仿真計(jì)算渦輪機(jī)溫度場(chǎng)，求解渦輪殼的熱應(yīng)力，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果。

本文中基于某發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況，針對(duì)渦輪殼閥門總成出現(xiàn)的卡滯失效問(wèn)題，模擬仿真渦輪殼旁通閥打開(kāi)時(shí)的流體及溫度場(chǎng)分布，在增壓器溫度場(chǎng)試驗(yàn)中針對(duì)性地測(cè)量殼體關(guān)鍵部位溫度，驗(yàn)證仿真結(jié)果。對(duì)渦輪殼熱應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，確定該狀態(tài)下的高應(yīng)力部位，為渦輪殼總成的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料選擇提供技術(shù)支撐。

1 渦輪機(jī)流固耦合計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)及計(jì)算

1.1 渦輪機(jī)流體計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)

利用Workbench 軟件設(shè)計(jì)增壓器渦輪機(jī)的流固耦合仿真計(jì)算平臺(tái)：使用CFX模塊進(jìn)行渦輪機(jī)流體仿真計(jì)算，通過(guò)仿真計(jì)算平臺(tái)將數(shù)據(jù)傳遞到穩(wěn)態(tài)熱分析模塊，運(yùn)用Workbench穩(wěn)態(tài)熱分析模塊對(duì)渦輪殼溫度場(chǎng)進(jìn)行求解。流固耦合的計(jì)算分析流程如圖1所示。

圖1 增壓器渦輪殼總成流固耦合計(jì)算分析流程

1.2 渦輪機(jī)流體計(jì)算

以某排溫為834 ℃、放氣閥門總成開(kāi)啟15°時(shí)的氣體發(fā)動(dòng)機(jī)所用渦輪增壓器渦輪機(jī)為研究對(duì)象，利用ICEM軟件對(duì)流體模型劃分計(jì)算所需網(wǎng)格，對(duì)渦輪機(jī)流體域進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流體計(jì)算，渦輪機(jī)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖2所示(圖中單位為m/s)。由圖2可知，高排溫下大閥門開(kāi)度時(shí)，在旁通孔附近、殼體內(nèi)壁面都有較強(qiáng)的氣流，導(dǎo)致產(chǎn)生強(qiáng)大的對(duì)流現(xiàn)象。

流固交接面溫度分布如圖3所示(圖中單位為℃)。由圖3可知，渦輪殼流固交接面的最高溫度達(dá)到777.8 ℃,位于廢氣旁通閥門孔附近。這是因?yàn)楫?dāng)廢氣旁通閥門總成開(kāi)啟角度較大時(shí)，大量高溫廢氣高速經(jīng)過(guò)廢氣旁通閥門孔，氣體對(duì)流劇烈，導(dǎo)致閥門孔附近溫度高；同時(shí)對(duì)流沖擊附近殼體的壁面，加劇渦輪殼的熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致軸套孔附近區(qū)域的溫度偏高。

a)渦輪殼流道 b)旁通孔附近 圖2 渦輪機(jī)流場(chǎng) 圖3 流固交接面溫度分布

2 渦輪殼流固耦合計(jì)算

2.1 增壓器溫度場(chǎng)試驗(yàn)

為獲得準(zhǔn)確的渦輪殼溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架進(jìn)行增壓器溫度場(chǎng)試驗(yàn)，熱電偶探針布置位置如圖4所示，圖4a)、b)是探針整體分布，圖c)、d)是圖3中溫度較高應(yīng)重點(diǎn)測(cè)量的位置。發(fā)動(dòng)機(jī)在額定功率和標(biāo)準(zhǔn)外部環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)執(zhí)行器設(shè)定的壓力，旁通閥開(kāi)啟角度為15°。根據(jù)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果，在渦輪殼上設(shè)計(jì)布置具有代表性的7處熱電偶探針，探針尖端貼近渦輪殼內(nèi)表面。探針尖端周圍的空腔用一種高熱傳導(dǎo)率的耐高溫樹(shù)脂填充。

a) 軸向分布測(cè)點(diǎn) b)旁通閥附近測(cè)點(diǎn) c)渦輪殼喉口測(cè)點(diǎn) d)旁通閥沖擊位置測(cè)點(diǎn) 圖4 熱電偶探針布置位置

2.2 渦輪殼流固耦合溫度場(chǎng)計(jì)算

將流體域仿真計(jì)算得到的交接面溫度分布，通過(guò)流固耦合計(jì)算加載到渦輪殼表面，運(yùn)用Steady-State Thermal模塊對(duì)渦輪殼進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱計(jì)算。得到渦輪殼殼體的溫度分布如圖5所示(圖中單位為℃)。

a)內(nèi)流道 b)喉口及軸套孔附近 圖5 渦輪殼溫度分布

由圖5可知，軸套孔內(nèi)部溫度達(dá)到753.6 ℃。故障增壓器閥門材料為310S鋼，為奧氏體型耐熱鋼；軸套材料使用13Cr13Mo，屬于馬氏體型不銹鋼，是低排溫發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器中配合使用的材料；當(dāng)渦輪殼旁通閥打開(kāi)角度更大且開(kāi)啟更加頻繁后，閥門內(nèi)表面周邊的溫度梯度變化增大，使得閥門總成、軸套等部件的熱膨脹、屈服強(qiáng)度都發(fā)生變化，容易發(fā)生卡滯、變形等失效。目前渦輪殼軸套的應(yīng)用邊界和進(jìn)排氣門類似，氣門主要采用馬氏體型鋼、奧氏體型鋼、沉淀硬化型不銹鋼和超耐熱鋼4種材料。當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門的溫度最高可達(dá)520 ℃，排氣門的溫度可能超過(guò)700 ℃，因此，馬氏體型鋼主要用于進(jìn)氣門，奧氏型鋼主要用于排氣門[14-15]。由于本文中軸套溫度超過(guò)750 ℃，故需要選用奧氏體型耐熱鋼，以滿足增壓器閥門總成高溫、高頻次開(kāi)閉使用工況的需求。

圖6 溫度場(chǎng)試驗(yàn)與仿真曲線對(duì)比

增壓器溫度場(chǎng)試驗(yàn)與仿真的溫度差及偏差(溫度差/溫度場(chǎng)溫度)如圖6所示。由圖6可知，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，最大溫度差為2.7 ℃，對(duì)應(yīng)偏差為0.4%。

2.3 渦輪殼應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算

利用耦合計(jì)算將渦輪殼穩(wěn)態(tài)熱計(jì)算仿真得到的結(jié)果加載到渦輪殼殼體，對(duì)渦輪殼進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算。得到渦輪殼熱應(yīng)力分布如圖7所示(圖中單位為MPa)，總變形分布如圖8所示(圖中單位為mm)。

由圖7可知，高應(yīng)力集中在喉口倒圓角、旁通孔附近、流道外表面與法蘭的倒圓角等位置，最高應(yīng)力為117.7 MPa，位于喉口倒圓角處。渦輪殼選用QT550的高硅鉬球鐵，溫度為766 ℃時(shí)，材料屈服強(qiáng)度約為168 MPa，因此殼體安全裕度足夠。由圖8可知，渦輪殼應(yīng)變分布比較合理，隨遠(yuǎn)離進(jìn)口法蘭的支撐點(diǎn)而增大。

a)渦輪殼排氣端 b)渦輪殼連接端 圖7 渦輪殼熱應(yīng)力分布 圖8 渦輪殼總變形分布

在發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)中，渦輪殼未出現(xiàn)開(kāi)裂或明顯變形，強(qiáng)度滿足使用需要,與仿真結(jié)果吻合。

3 結(jié)論

1)利用仿真軟件建立的流固耦合仿真計(jì)算平臺(tái)能夠準(zhǔn)確模擬增壓器旁通閥大開(kāi)度等復(fù)雜工況下的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)，可為工程應(yīng)用中分析渦輪殼發(fā)生破壞、閥門總成卡滯等失效模式及增壓器總成設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2)為適應(yīng)柴油機(jī)、氣體機(jī)排溫的升高，需要改進(jìn)增壓器渦輪殼總成各零部件的材料。因此渦輪殼材料由高硅低鉬球鐵改為高硅中鉬、高硅高鉬球鐵；特殊機(jī)型排溫超過(guò)850 ℃時(shí)，汽油機(jī)增壓器渦輪殼考慮使用高鎳球鐵(D-2、D-5S)材料。軸套、閥門等材料需采用奧氏體型耐熱鋼或者其他耐高溫性能相當(dāng)?shù)牟牧稀Ｍㄟ^(guò)更換增壓器軸套材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)注其與渦輪殼材料的膨脹系數(shù)的差異，改進(jìn)后的增壓器順利完成了發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)。

3)增壓器渦輪殼設(shè)計(jì)及優(yōu)化過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)考慮高溫及溫差大帶來(lái)的熱應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)過(guò)渡交接面圓角應(yīng)盡可能大，減小應(yīng)力集中；此外，旁通開(kāi)度加大，廢氣對(duì)周邊壁面、交接面的熱沖擊明顯，導(dǎo)致殼體對(duì)軸套、閥門總成等零組件的熱傳遞、廢氣對(duì)其熱交換增加。