渦輪增壓器水冷中間殼回?zé)岣纳圃囼?yàn)研究

李偉

摘要：為改善渦輪增壓器渦端密封環(huán)和渦端浮動(dòng)軸承的溫度，中間殼增加水腔，渦輪增加隔熱空腔結(jié)構(gòu)，進(jìn)行不通水、穩(wěn)定運(yùn)行通水，熱停機(jī)立即停止通水、穩(wěn)定運(yùn)行通水，熱停機(jī)繼續(xù)通水3個(gè)方案的回?zé)嵩囼?yàn)。穩(wěn)定運(yùn)行通水，熱停機(jī)立即停止通水，渦端密封環(huán)、渦端浮動(dòng)軸承穩(wěn)定運(yùn)行溫度分別為216℃、104℃，比不通水降低51℃、38℃;最高回?zé)釡囟确謩e為286.4℃、205.1℃，比不通水降低52.6℃、10.5℃。穩(wěn)定運(yùn)行通水，熱停機(jī)繼續(xù)通水，渦端密封環(huán)回?zé)釡囟仍跓嵬C(jī)后50s從216.6℃急劇降低到130.8℃，渦端浮動(dòng)軸承呈近似線性降低。中間殼增加水腔和渦輪增加隔熱空腔是改善溫度的有效措施。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓器;水冷中間殼;渦輪隔熱空腔;回?zé)嵩囼?yàn);渦端密封環(huán);渦端浮動(dòng)軸承

0? 引言

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦前溫度普遍高于740℃?，F(xiàn)代渦輪增壓器（簡(jiǎn)稱增壓器）小型化及結(jié)構(gòu)排布使得渦端密封環(huán)和渦端浮動(dòng)軸承距離高溫區(qū)域近，溫度高、溫差大是實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的典型特點(diǎn)[1][2]。渦前溫度是影響渦端密封環(huán)和軸承系統(tǒng)運(yùn)行溫度的主要因素[3]，渦前溫度高導(dǎo)致渦端密封環(huán)產(chǎn)生嚴(yán)重變形。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性提升，增壓器轉(zhuǎn)速不斷提升，軸承系統(tǒng)摩擦損失增大，軸承系統(tǒng)及潤(rùn)滑油溫度呈增加趨勢(shì)。綜合使得渦端密封環(huán)和渦端浮動(dòng)軸承成為影響天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)用增壓器可靠性及壽命的關(guān)鍵零部件。發(fā)動(dòng)機(jī)正常使用過程中偶爾出現(xiàn)的熱停機(jī)導(dǎo)致中間殼溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速升高，區(qū)別正常運(yùn)行時(shí)的熱傳遞，將熱停機(jī)情況下的急劇熱傳遞稱為回?zé)?。回?zé)釋?dǎo)致中間殼溫度在短時(shí)間內(nèi)急劇升高，存在潤(rùn)滑油超過溫度限值而結(jié)焦，渦端密封環(huán)超過溫度限值而失去彈性的風(fēng)險(xiǎn)，增壓器可靠性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。增壓器軸承系統(tǒng)在很大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)承受明顯軸向和徑向熱梯度，穩(wěn)定性很大程度上受到中間殼內(nèi)孔熱變形以及周圍油膜溫度的影響。通過優(yōu)化中間殼水腔結(jié)構(gòu)或浮動(dòng)軸承設(shè)計(jì)等可以明顯改善降低渦端密封環(huán)及浮動(dòng)軸承的回?zé)釡囟取uis San Andrés等[4]研究發(fā)現(xiàn)增壓器軸承系統(tǒng)在很大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)承受明顯軸向和徑向熱梯度，對(duì)軸承系統(tǒng)熱管理至關(guān)重要。Mikogami T 等[5]進(jìn)行增壓器回?zé)嵩囼?yàn)仿真分析，新設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，渦端浮動(dòng)軸承部位溫度降低20℃，渦端密封環(huán)部位溫度降低60℃。國(guó)內(nèi)對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)用增壓器回?zé)嵩囼?yàn)和渦輪焊接位置增加隔熱空腔研究不充分，對(duì)熱停機(jī)后停止通水和繼續(xù)通水的回?zé)嵩囼?yàn)研究較少，本文針對(duì)某四缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)用渦輪增壓器的中間殼增加水腔結(jié)構(gòu)，渦輪增加隔熱空腔結(jié)構(gòu)，進(jìn)行熱停機(jī)后停止通水和繼續(xù)通水的回?zé)嵩囼?yàn)研究，為改善回?zé)釡囟忍峁?shù)據(jù)支持。

1? 增壓器改善方案說明

某四缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)用增壓器葉輪進(jìn)/出口直徑分別為？渦輪進(jìn)/出口直徑分別為？準(zhǔn)41mm/？準(zhǔn)34mm，渦輪轉(zhuǎn)子浮動(dòng)軸承配合直徑為？

如圖1（b）所示，為改善渦端密封環(huán)及軸承系統(tǒng)溫度，中間殼增加水腔結(jié)構(gòu)，通過水循環(huán)重點(diǎn)降低渦端密封環(huán)及渦端浮動(dòng)軸承溫度。中間殼進(jìn)水和出水口對(duì)稱設(shè)計(jì)，尺寸均為M14×1.5，水腔體積為16983.52mm3。如圖1（a）所示，渦輪軸和渦輪焊接在一起，普通增壓器渦輪軸和渦輪焊接位置都是實(shí)心結(jié)構(gòu)，為減少渦輪向轉(zhuǎn)子軸的熱傳遞，渦輪焊接位置增加隔熱空腔結(jié)構(gòu)，隔熱空腔直徑為10.5mm，體積為125.61mm3。

2? 試驗(yàn)方法

2.1 樣件準(zhǔn)備

如圖1（b）所示，選擇渦端密封環(huán)（測(cè)點(diǎn)1）、壓端浮動(dòng)軸承（測(cè)點(diǎn)2）和渦端浮動(dòng)軸承（測(cè)點(diǎn)3）3個(gè)典型位置進(jìn)行溫度場(chǎng)測(cè)試研究。測(cè)量孔直徑2mm，測(cè)量孔不能穿透壁面，底部距離壁面0.1～0.3mm。確保測(cè)量孔不會(huì)對(duì)增壓器密封性能和結(jié)構(gòu)等造成破壞。

2.2 測(cè)試方法

增壓器回?zé)嵩囼?yàn)在機(jī)械工業(yè)內(nèi)燃機(jī)增壓系統(tǒng)重點(diǎn)試驗(yàn)室進(jìn)行。增壓器先在50000r/min穩(wěn)定運(yùn)行30分鐘，然后緩慢運(yùn)行到如下工況：增壓器轉(zhuǎn)速190000r/min，渦前溫度750℃，渦前壓力141kPa，潤(rùn)滑油進(jìn)油溫度75℃，潤(rùn)滑油壓力350kPa，增壓溫度140℃，增壓壓力114kPa，排氣背壓10kPa，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)30分鐘后記錄3個(gè)測(cè)點(diǎn)10分鐘內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行溫度。然后熱停機(jī)，記錄3個(gè)測(cè)點(diǎn)10分鐘內(nèi)回?zé)釡囟?。采用自?dòng)采集系統(tǒng)每10s記錄1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用同1臺(tái)增壓器進(jìn)行3種測(cè)試方案試驗(yàn)：方案1水腔內(nèi)沒有水，試驗(yàn)過程不通水;方案2穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)通水，熱停機(jī)時(shí)立即停止通水;方案3穩(wěn)定運(yùn)行通水，熱停機(jī)后繼續(xù)通水。方案2和3通水時(shí)控制進(jìn)水溫度72℃，進(jìn)水壓力100kPa，進(jìn)水體積流量5.85L/min。增壓器轉(zhuǎn)速采用電渦流轉(zhuǎn)速測(cè)試儀，精度0.01%;渦前壓力、增壓壓力、排氣背壓、進(jìn)水壓力采用壓力變送器，精度0.3%FS;潤(rùn)滑油進(jìn)油溫度、增壓溫度、回?zé)釡囟?、進(jìn)水溫度采用PT100溫度傳感器，精度A級(jí)Grade。

3? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

方案1試驗(yàn)過程不通水，測(cè)點(diǎn)1、3、2穩(wěn)定運(yùn)行溫度分別為263.7～270.5℃、141.8～143℃、109.4～110.8℃，渦端密封環(huán)分別比渦端和壓端浮動(dòng)軸承高127℃、160℃左右，渦端密封環(huán)穩(wěn)定運(yùn)行溫度最高達(dá)到270.5℃，接近潤(rùn)滑油溫度使用限值280℃。最高回?zé)釡囟确謩e為339℃、215.6℃、213.6℃，達(dá)到最高回?zé)釡囟鹊臅r(shí)間分別為160s、240s、270s。渦端密封環(huán)339℃的最高回?zé)釡囟入m低于400℃的密封環(huán)材料溫度限值，但已高于280℃的潤(rùn)滑油溫度限值，且回?zé)釡囟却笥?80℃的時(shí)間為370s，高溫時(shí)間較長(zhǎng)，容易在密封環(huán)位置產(chǎn)生大量積碳，導(dǎo)致異常磨損。方案2運(yùn)行時(shí)通水，熱停機(jī)后立即停止通水，測(cè)點(diǎn)1、3、2穩(wěn)定運(yùn)行溫度依次為211.3～218.3℃、96～111.1℃、94.1～99.8℃，最高回?zé)釡囟纫来螢?86.4℃、205.1℃、191.2℃。達(dá)到最高回?zé)釡囟鹊臅r(shí)間分別為160s、300s、330s。方案3運(yùn)行時(shí)通水，熱停機(jī)后繼續(xù)通水，各測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行溫度與方案2基本一致。但從熱停機(jī)開始，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度均是逐步降低。

方案2和3穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)均通水，測(cè)點(diǎn)1、3、2穩(wěn)定運(yùn)行溫度分別比方案1降低51℃、38℃、13℃左右，溫度改善最明顯的是渦端密封環(huán)和渦端浮動(dòng)軸承。通水后測(cè)點(diǎn)1、3分別為215℃和103℃左右，明顯低于潤(rùn)滑油使用溫度限值280℃。方案1穩(wěn)定運(yùn)行溫度渦端浮動(dòng)軸承比壓端高32℃左右，通水后溫度差值減小到5℃左右，溫度均勻性改善明顯，改善了中間殼內(nèi)孔熱變形。

方案1和2的3個(gè)測(cè)點(diǎn)的回?zé)釡囟惹€形態(tài)類似，都是先上升后下降。方案2熱停機(jī)后立即停止通水，但水腔中殘存的水可以繼續(xù)吸收渦端熱量，使得測(cè)點(diǎn)1、3、2最高回?zé)釡囟确謩e比方案1降低52.6℃、10.5℃、22.4℃。達(dá)到最高回?zé)釡囟鹊臅r(shí)間除測(cè)點(diǎn)1相同外，其余2個(gè)測(cè)點(diǎn)均增加60s。渦端密封環(huán)回?zé)釡囟却笥?80℃時(shí)間減少到50s，比方案1減少320s。綜合使得方案2熱負(fù)荷明顯優(yōu)于方案1。方案3在熱停機(jī)后繼續(xù)通水，3個(gè)測(cè)點(diǎn)回?zé)釡囟染S時(shí)間下降，曲線形態(tài)與方案1和2有明顯差異。方案3在測(cè)點(diǎn)1回?zé)釡囟仍跓嵬C(jī)后50s從216.6℃急劇降低到130.8℃，然后再繼續(xù)緩慢近似線性降低。測(cè)點(diǎn)3、2從熱停機(jī)開始近似呈線性降低。熱停機(jī)后160s時(shí)，方案3比方案1、2相比，測(cè)點(diǎn)1分別降低226.2℃、173.6℃，測(cè)點(diǎn)3分別降低135.6℃、98℃。

4? 總結(jié)及結(jié)論

為降低某四缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)用渦輪增壓器渦端密封環(huán)和浮動(dòng)軸承溫度，增壓器中間殼增加水腔，渦輪增加隔熱空腔結(jié)構(gòu)，進(jìn)行水腔不通水、穩(wěn)定運(yùn)行通水，熱停機(jī)立即停止通水和穩(wěn)定運(yùn)行通水，熱停機(jī)繼續(xù)通水3個(gè)測(cè)試方案190000r/min回?zé)嵩囼?yàn)測(cè)試分析。

①不通水情況下，渦端密封環(huán)穩(wěn)定運(yùn)行最高溫度270.5℃，接近潤(rùn)滑油使用限值280℃，熱停機(jī)時(shí)最高回?zé)釡囟冗_(dá)到339℃，超過潤(rùn)滑油使用限值280℃，溫度大于280℃的時(shí)間為370s，容易產(chǎn)生大量積碳及異常磨損。

②穩(wěn)定運(yùn)行通水，熱停機(jī)后立即停止通水，渦端密封環(huán)、渦端浮動(dòng)軸承穩(wěn)定運(yùn)行溫度分別為211.3～218.3℃，96～111.1℃，最高回?zé)釡囟确謩e為286.4℃、205.1℃。穩(wěn)定運(yùn)行溫度比不通水分別降低51℃、38℃左右，最高回?zé)釡囟确謩e降低52.6℃、10.5℃。

③穩(wěn)定運(yùn)行通水，熱停機(jī)后繼續(xù)通水，從熱停機(jī)開始，渦端密封環(huán)回?zé)釡囟仍跓嵬C(jī)后50s從216.6℃急劇降低到130.8℃，然后再繼續(xù)緩慢近似線性降低。渦端浮動(dòng)軸承從熱停機(jī)開始近似呈線性降低。該方案是3個(gè)方案中改善效果最好的，但需水泵在停機(jī)后繼續(xù)工作一段時(shí)間。

④中間殼增加水腔和渦輪增加隔熱空腔結(jié)構(gòu)能夠有效降低渦端密封環(huán)和渦端浮動(dòng)軸承穩(wěn)定運(yùn)行及回?zé)釡囟取?/p>

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