車用增壓器渦輪的超速可靠性增長研究

王　正　王增全　何　洪　郭　凱　王晉偉　趙力明

中國北方發動機研究所柴油機增壓技術重點實驗室，天津，300400

車用增壓器渦輪的超速可靠性增長研究

王正王增全何洪郭凱王晉偉趙力明

中國北方發動機研究所柴油機增壓技術重點實驗室，天津，300400

摘要：針對某型車用增壓器渦輪存在的超速可靠性不高的問題，分析渦輪超速破壞應力與失效危險部位，運用渦輪超速破壞可靠度計算模型對原渦輪的超速可靠性進行評價。在此基礎上，從結構優化的角度出發，研究渦輪的可靠性增長措施。根據改進后渦輪的超速應力與強度參數，研究改進后渦輪的超速可靠性，分析渦輪的超速可靠性增長效果，并通過渦輪增壓器結構耐久性考核試驗進行定性試驗驗證。研究結果表明，改進后的渦輪超速可靠性明顯提高，能夠滿足渦輪增壓器的使用要求。

關鍵詞：渦輪增壓器；渦輪；超速破壞；可靠性；可靠性增長

0引言

渦輪是車用渦輪增壓器的核心零件之一，不僅要求具有良好的氣動性能，能夠高效地將發動機氣缸排出的廢氣能量轉化為壓氣機葉輪工作所需的機械功，而且要滿足一定的可靠性，能夠持續可靠地工作[1]。超速破壞是車用增壓器渦輪的典型失效模式之一[2]，車用渦輪增壓器由于運行工況的復雜性和多變性，增壓器有時會在超過其額定轉速的工況下工作[3]，例如，渦輪增壓器在高海拔地區使用時在某些工況下會出現超速現象。當增壓器轉速過大時，渦輪有可能發生超速破壞。渦輪一旦發生超速破壞不僅會使渦輪飛散，而且飛散的碎片還有可能擊穿渦輪箱引起更大的損壞。

因此，為有效保證渦輪增壓器的可靠性與發動機的安全性，在渦輪增壓器的研制過程中，需要對渦輪的超速可靠性進行分析與評價[3-4]。目前，增壓器渦輪的超速可靠性評價大多采用安全系數法，即按照“安全系數為2”的設計準則對渦輪的超速強度進行可靠性評價與試驗驗證。安全系數法由于計算簡便而在工程中被廣泛應用，但是這種方法并不能全面客觀地反映強度分散性、轉速波動性等不確定性因素對渦輪超速可靠性的影響[5]。

本文針對某型車用增壓器渦輪的超速可靠性增長問題，研究渦輪對應超速破壞失效模式的應力與強度，建立渦輪的超速可靠度計算模型，并對渦輪的既有超速可靠性進行評價；同時開展渦輪的結構優化設計，分析渦輪的超速可靠性增長效果，并通過增壓器耐久性考核試驗進行驗證。

1增壓器渦輪的超速應力研究

圖1　渦輪超速最大應力出現在輪轂中心

圖2　渦輪超速最大應力出現在輪背

渦輪的超速破壞應力主要與由轉速引起的離心載荷有關。渦輪在離心載荷作用下的最大應力通常會出現在輪轂中心(圖1)、輪背(圖2)等位置，具體位置與渦輪的實際結構有關。

(a)輪背應力分布

(b)心部應力分布圖3　渦輪的應力分布狀態

圖3所示為渦輪增壓器在某工況運行時，運用有限元法計算得到渦輪的應力狀態。從圖3中可以看出，渦輪的最大應力出現在輪背靠近轉軸附近的位置，當增壓器在該轉速下工作時，渦輪輪背的最大應力為737 MPa，此時渦輪心部的最大應力為529.87 MPa。受鑄造工藝等因素的影響，渦輪的心部強度通常相對較差，而輪背部位的強度則相對較好，因此，渦輪輪背靠近轉軸的位置以及心部都有可能成為渦輪實際發生超速破壞的部位。

為進一步確定渦輪的超速破壞危險部位，在渦輪增壓器試驗臺上進行渦輪超速破壞試驗，發生超速破壞后的渦輪如圖4所示。

圖4　發生超速破壞的某型車用增壓器渦輪

2渦輪超速可靠性建模與既有超速可靠性評價

車用渦輪增壓器在實際使用過程中，受發動機運行工況復雜性與多變性的影響，在每個指定壽命單位(如一次任務剖面循環、隨發動機運行10 h、隨車行駛100 km等)內，渦輪增壓器實際出現的最高工作轉速具有一定的隨機性。

由于渦輪的超速破壞應力主要取決于增壓器在工作過程中出現的最高工作轉速，因此，通過對增壓器在指定壽命單位內的最高工作轉速進行統計分析，并結合有限元仿真計算，可以獲得在指定壽命單位內渦輪超速應力的概率分布特征[6]。

為確定渦輪超速破壞危險部位的應力概率分布特征，對渦輪增壓器在一次任務剖面循環內的最高工作轉速進行了統計分析，并運用有限元法對渦輪超速破壞危險部位的應力進行仿真計算，得到了渦輪在一次任務剖面循環中超速破壞危險部位應力s的概率密度函數為

(1)

同時，為確定渦輪超速破壞危險部位的強度概率分布特征，對渦輪進行了輪背取樣拉伸測試，由測試結果可知，渦輪超速破壞危險部位強度δ的概率密度函數為

(2)

根據以離散型變量為壽命度量指標框架下的零部件時變可靠性建模方法[6-7]，可以建立以任務剖面循環次數為壽命度量指標時增壓器渦輪的超速可靠度計算模型，即

(3)

式中，w為壽命度量指標；fδ(δ)為渦輪超速破壞強度的概率密度函數；Fs(s)、fs(s)分別為渦輪超速破壞應力的累積分布函數和概率密度函數。

運用式(3)可以計算得到渦輪超速可靠度隨任務剖面循環次數(壽命度量指標)w的變化規律，如圖5所示。

圖5　渦輪超速可靠度隨試驗循環次數的變化規律

從圖5可以看出，渦輪的超速可靠度隨著任務剖面循環次數的增加逐漸降低，當任務剖面循環次數達到16時，渦輪的超速可靠度降低到0.995，超速破壞風險增大到0.5%。渦輪的超速破壞不僅涉及增壓器的可靠性問題，而且關系到發動機的安全性問題，因此，增壓器渦輪在整個使用壽命期間不允許發生超速破壞。顯然，該渦輪的超速可靠性不能滿足使用要求。

3渦輪的結構優化與應力分析

針對渦輪超速可靠性不能滿足使用要求的問題，在不影響增壓器氣動性能的前提下，為提高渦輪的超速可靠性，對渦輪進行了結構優化，采取的可靠性增長措施具體為，將渦輪的輪背由平面型結構改進為凸臺型結構，如圖6所示。

為確定可靠性增長措施的有效性，對改進后的渦輪進行了應力分析。圖7所示為增壓器在某工況運行時改進后渦輪的應力分布狀態。從圖中可以看出，與改進前相比，改進后的渦輪心部的最大應力有所減小，由529.87 MPa減小到476.45 MPa；而渦輪輪背部位的最大應力仍然出現在靠近轉軸部位，但是最大應力值大幅減小，由改進前的737 MPa減小到462 MPa。因此，可以確定改進后渦輪的超速破壞危險部位為渦輪的心部最大應力處。

(a)改進前

(b)改進后圖6　改進前后的渦輪結構示意圖

(a)輪背應力分布

(b)心部應力分布圖7　改進后渦輪的應力分布

進一步，結合渦輪增壓器在一次任務剖面循環內最高工作轉速的統計特征，對改進后渦輪超速破壞危險部位的應力進行仿真計算，得到了在一次試驗循環中渦輪超速破壞危險部位應力的概率密度函數：

(4)

4改進后渦輪的超速可靠性評價與可靠性增長效果分析

為確定渦輪超速破壞危險部位的強度概率分布特征，更加準確地評價改進后增壓器渦輪的超速可靠性，針對改進后的增壓器渦輪，根據渦輪危險部位的受力狀態，從渦輪的輪轂靠近輪背的部位沿徑向進行取樣，如圖8所示。圖9所示為完成拉伸性能測試的渦輪心部強度模擬試樣。

圖8　渦輪的心部拉伸性能試樣取樣方法

圖9　渦輪的心部拉伸性能試樣

表1所示為隨機選取的11個渦輪心部取樣試樣拉伸強度測試結果。根據表1的測試結果，對渦輪心部強度進行概率分布檢驗，如圖10所示。從圖10中可以看出，渦輪的心部強度較好地服從威布爾分布，其概率密度函數可以表示為

(5)

表1　渦輪心部取樣拉伸性能測試結果　MPa

圖10　渦輪心部拉伸強度概率分布檢驗

進一步，將改進后渦輪的超速破壞應力與強度參數代入式(3)所示的渦輪超速可靠度計算模型，可以計算得到改進后的渦輪超速可靠度隨任務剖面循環次數的變化規律，如圖11所示。

圖11　渦輪超速可靠度隨試驗循環次數的變化規律

從圖11中可以看出，與原渦輪相比，改進后的渦輪超速可靠度明顯提高。改進后渦輪的超速可靠度隨著任務剖面循環次數的增加并未呈現出明顯的下降趨勢，對應10 000次任務剖面循環，渦輪的超速可靠度均保持在1，即渦輪發生超速破壞的風險極低。顯然，改進后的渦輪能夠滿足增壓器渦輪的可靠性要求。

為進一步驗證改進后渦輪的超速強度及其可靠性，在渦輪增壓器試驗臺上對改進后的渦輪增壓器進行了120 h結構耐久性考核試驗，在整個試驗過程中增壓器渦輪未出現任何故障，圖12所示為增壓器結構耐久性試驗結束后渦輪的拆檢照片，從圖12中可以看出渦輪完好無損。

圖12　經過120 h耐久性考核試驗后的渦輪

5結論

針對某型車用增壓器渦輪存在的超速可靠性不足，分析了渦輪對應超速破壞失效模式的應力分布特征與失效危險部位，根據某渦輪的應力和強度參數，運用增壓器渦輪超速破壞可靠度計算模型對原渦輪的超速可靠性進行了評價，指出原渦輪存在發生超速破壞的風險，不能滿足使用要求。在此基礎上，對渦輪進行了結構優化設計，通過仿真計算和試驗測試獲得了改進后渦輪對應超速破壞失效模式的應力與強度參數，進一步對改進后的渦輪進行了可靠度計算，分析了渦輪的超速可靠性增長效果，并通過渦輪增壓器結構耐久性考核試驗進行了定性試驗驗證。研究結果表明，渦輪的可靠性增長措施得當有力，可靠性增長效果明顯。與原渦輪相比，改進后的渦輪超速可靠性明顯提高，能夠滿足增壓器渦輪的使用要求。

參考文獻：

[1]王增全, 王正. 車用渦輪增壓器結構可靠性[M]. 北京：科學出版社, 2013.

[2]朱大鑫．渦輪增壓與渦輪增壓器[M]．北京：機械工業出版社，1992．

[3]王正，王增全，郭凱, 等.增壓器渦輪葉輪極端載荷下動態可靠性模型[J].農業機械學報, 2011, 42(7): 32-35.

Wang Zheng, Wang Zengquan, Guo Kai,et al. Dynamicreliability Model of Turbine Impeller of Turbochaerger under Ultimate Load[J]. Transactions on the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(7): 32-35.

[4]陳曉偉, 朱梅林, 徐凱，等. 渦輪增壓器壓氣機葉片靜強度可靠性分析[J]. 華中理工大學學報, 1999, 27 (11): 51-52, 55.

Chen Xiaowei, Zhu Meilin, Xu Kai, et al. A New Approach to Calculate Safety Index of the ICE Components[J]. Journal of Huazhong University of Science & Technology, 1999, 27(11): 51-52, 55.

[5]Ronold K O, Larsen G C. Reliability-based Design of Wind-turbine Rotor Blades Against Failure in Ultimate Loading[J]. Engineering Structures, 2000, 22: 565-574.

[6]王正, 謝里陽. 機械時變可靠性理論與方法[M]. 北京：科學出版社, 2012.

[7]王正,康銳,謝里陽. 以載荷作用次數為壽命度量指標的失效相關系統可靠性建模[J]. 機械工程學報, 2010, 46(6): 188-194.

Wang Zheng, Kang Rui, Xie Liyang.Reliability Modeling of Systems with Dependent Failure When the Life Measured by the Number of Load Application[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46(6): 188-194.

(編輯蘇衛國)

Study on Reliability Growth of Turbine of Turbocharger for Vehicle Applications with Over-speed Failure Mode

Wang ZhengWang ZengquanHe HongGuo KaiWang JinweiZhao Liming

National Key Laboratory of Diesel Engine Turbocharging Technology,China North Engine Research Institute,Tianjing,300400

Abstract:For the over-speed reliability problem of turbine of turbocharger for vehicle applications, the stress and critical position of turbine with over-speed failure mode were analyzed. With the reliability model of turbine with over-speed failure mode, the reliability of original turbine was evaluated. Then, through the structural optimization design, the method for reliability growth of turbine with over-speed failure mode was studied. According to the parameters of stress and strength of improved turbine, the reliability of improved turbine with over-speed failure mode was studied, and the reliability growth effectiveness of turbine was analyzed. Finally, the reliability was verified qualitatively by the structural endurance test of turbocharger in a test bench. The results show that the reliability of improved turbine with over-speed failure mode increases obviously and it can meet the operation requirements of turbocharger.

Key words:turbocharger; turbine; over-speed failure; reliability; reliability growth

收稿日期：2015-01-30

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51375465,50905007)

中圖分類號：TK422;TH114

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.03.023

作者簡介：王正，男，1981年生。中國北方發動機研究所柴油機增壓技術重點實驗室研究員、博士。主要研究方向為渦輪增壓技術、柴油機可靠性技術、機械系統可靠性等。王增全，男，1962年生。中國北方發動機研究所柴油機增壓技術重點實驗室研究員，中國兵器工業集團首席技術專家。何洪，男，1963年生。中國北方發動機研究所柴油機增壓技術重點實驗室研究員。郭凱，男，1983年生。中國北方發動機研究所柴油機增壓技術重點實驗室助理研究員。王晉偉，男，1964年生。中國北方發動機研究所柴油機增壓技術重點實驗室副研究員。趙力明，男，1973年生。中國北方發動機研究所柴油機增壓技術重點實驗室工程師。