彈性環(huán)阻尼器對渦輪增壓器轉(zhuǎn)子動力性能影響研究

何洪， 王世琥， 王連群， 吉建波， 趙玲玲

(1. 柴油機增壓技術(shù)重點實驗室， 天津 300400； 2. 西安交通大學(xué)， 陜西 西安 710049;3. 河北華北柴油機有限責(zé)任公司， 河北 石家莊 050081； 4. 中國北方發(fā)動機研究所(天津)， 天津 300400)

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彈性環(huán)阻尼器對渦輪增壓器轉(zhuǎn)子動力性能影響研究

何洪1， 王世琥2， 王連群3， 吉建波1， 趙玲玲4

(1. 柴油機增壓技術(shù)重點實驗室， 天津 300400； 2. 西安交通大學(xué)， 陜西 西安 710049;3. 河北華北柴油機有限責(zé)任公司， 河北 石家莊 050081； 4. 中國北方發(fā)動機研究所(天津)， 天津 300400)

以高速渦輪增壓器滾珠軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)彈性環(huán)阻尼器(ERSFD)為研究對象,采用有限元分析以及擠壓油膜理論對彈性環(huán)支承剛度、油膜壓力場分布、油膜剛度阻尼以及滾珠軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性等進行了分析研究，并與擠壓油膜阻尼器(SFD)進行對比分析。研究發(fā)現(xiàn)，彈性環(huán)阻尼器的交叉剛度和阻尼很小，有效地改善了擠壓油膜阻尼器剛度阻尼自由度耦合問題，剛度阻尼的非線性得到明顯的抑制。采用六凸臺彈性環(huán)阻尼器與滾珠軸承串聯(lián)組合的增壓器進行了臺架試驗，并與動力學(xué)計算結(jié)果進行了對比分析。

渦輪增壓器； 阻尼器； 滾珠軸承； 振動

目前，增壓器上普遍采用的是浮環(huán)軸承，然而由于滾珠軸承功耗小于浮環(huán)軸承[1-2],安裝了球軸承渦輪增壓器的發(fā)動機加速響應(yīng)性能與安裝滑動軸承相比,在相同的時間內(nèi)具有更大的增壓壓力和扭矩[3],因此，球軸承在增壓器上的應(yīng)用得到了重視。

轉(zhuǎn)子在工作中因不平衡量所產(chǎn)生的同步激振對轉(zhuǎn)子振動的影響很大，采用抑振阻尼器的軸承支撐系統(tǒng)可以降低系統(tǒng)的支承剛度，增大支承阻尼，進而達到減小系統(tǒng)振動的目的[4]。采用浮環(huán)軸承的增壓器由于軸承本身的阻尼作用，對轉(zhuǎn)子振動具有一定抑制作用[5-6]，對于采用滾珠軸承的增壓器而言，由于軸承自身阻尼作用較弱，阻尼器的作用更為重要。

抑振阻尼器在轉(zhuǎn)子上的應(yīng)用包括黏彈性阻尼器、擠壓油膜阻尼器和金屬橡膠減振器等方式，其中對擠壓油膜阻尼器SFD(Squeeze Film Damper)的研究最廣。由于擠壓油膜阻尼器剛度的非線性帶來了雙穩(wěn)態(tài)跳躍、鎖死和非協(xié)調(diào)進動等嚴重有害現(xiàn)象，很多學(xué)者為了改善擠壓油膜阻尼器剛度的高度非線性做出了有益的嘗試，以保證高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在臨界轉(zhuǎn)速附近的振動控制在合理的范圍內(nèi)[7-10]。本研究采用模擬和試驗的方法針對彈性環(huán)擠壓油膜阻尼器開展研究。

1 彈性環(huán)阻尼器

彈性環(huán)擠壓油膜阻尼器ERSFD(Elastic Ring Squeeze Film Damper，下簡稱彈性環(huán)阻尼器)是一種能提供彈性支承,并且通過油膜擠壓和彈性環(huán)形變的耦合作用產(chǎn)生油膜阻尼以減小轉(zhuǎn)子系統(tǒng)本身和外傳振動的阻尼器。ERSFD的顯著特點是比其他彈性支承結(jié)構(gòu)更為緊湊,占用空間小,結(jié)構(gòu)可靠性高,在支承系統(tǒng)中專門設(shè)置油路,給彈性環(huán)內(nèi)、外腔提供滑油。彈性環(huán)阻尼器與滾珠軸承的組合見圖1。

ERSFD的彈性環(huán)將整個圓周分隔成分段的擠壓油膜區(qū),工作時轉(zhuǎn)子軸頸偏離中心渦動形成分段擠壓油膜,其流場的分布和大小取決于流體動壓作用和彈性環(huán)的變形。因此,對這種復(fù)雜的流固耦合作用使用數(shù)值法計算其油膜力特性是相當復(fù)雜的。

2 渦輪增壓器組合彈性支承剛度阻尼特性分析

2.1 彈性環(huán)剛度分析

利用有限元分析方法，對彈性環(huán)剛度進行接觸分析。計算分析中分別考慮到了彈性環(huán)的變形，不同渦動角下凸臺數(shù)、凸臺寬度、凸臺高度，彈性環(huán)厚度，彈性環(huán)安裝間隙等因素的變化對彈性環(huán)剛度的影響。

由圖2彈性環(huán)分析結(jié)果可以看出，彈性環(huán)變形呈現(xiàn)與凸臺數(shù)相關(guān)的周期性變化(見圖2b和圖2c)。彈性環(huán)剛度隨凸臺數(shù)的增加而增加，渦動角對其幾乎沒有影響(見圖2d)。凸臺寬度和凸臺高度對彈性環(huán)剛度的影響近乎呈線性增加(見圖2e和圖2f)。彈性環(huán)厚度與彈性環(huán)剛度是指數(shù)型增加，影響比較大(見圖2g)。安裝間隙越小，彈性環(huán)剛度越大。彈性環(huán)剛度隨偏心率變化呈現(xiàn)對數(shù)型增加關(guān)系(見圖2h)。

2.2 彈性環(huán)阻尼器分析方程

圖3示出了彈性環(huán)阻尼器坐標的示意。

內(nèi)油膜方程為

(1)

由上式可以看出，內(nèi)油膜壓力分布受動壓項和擠壓項的共同作用。

外油膜方程為

(2)

從式(2)可以看到，外油膜壓力分布只與擠壓項的作用有關(guān)。

利用非定常工況的Reynolds對各項擾動參數(shù)求導(dǎo)，即可獲得各項擾動壓力的微分方程，將內(nèi)、外油膜方程分別對ε，θ求導(dǎo)，獲得剛度阻尼方程，將剛度阻尼方程用差分法展開求解(差分項略)，完成后利用下式數(shù)值積分可得出剛度和阻尼8個動力系數(shù)。

(3)

(4)

(5)

(6)

2.3 油膜剛度、阻尼計算分析結(jié)果

以下均為彈性環(huán)油腔兩端未密封的計算結(jié)果。

圖4示出了六凸臺彈性環(huán)內(nèi)外腔油膜壓力分布情況。

圖4a和圖4b示出了內(nèi)、外油膜壓力分布情況。圖4c示出了內(nèi)油膜剛度隨凸臺數(shù)和偏心率變化。圖4d示出了內(nèi)油膜阻尼隨凸臺數(shù)和偏心率變化。圖4e示出了外油膜剛度隨凸臺數(shù)和偏心率變化。圖4f示出了外油膜阻尼隨隨凸臺數(shù)和偏心率變化。從圖中可以看出小偏心率下，剛度、阻尼均變化緩慢，只有在大偏心率下，剛度和阻尼才會顯著上升。

圖5示出了彈性環(huán)阻尼器和擠壓油膜阻尼器剛度、阻尼特性的對比分析。從圖中可以看出在偏心率小于0.6時兩種油膜阻尼器的剛度基本一致。在大偏心率下，擠壓油膜阻尼器剛度在偏心率增加時呈非線性急速增加，而彈性環(huán)阻尼器油膜剛度增加相對平緩，可見彈性環(huán)阻尼器可以很好地改善擠壓油膜阻尼的非線性。進一步計算分析表明，彈性環(huán)阻尼器的交叉剛度和阻尼很小，有效地改善了擠壓油膜阻尼器剛度阻尼自由度耦合問題。

2.4 渦輪增壓器轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)計算結(jié)果

通過計算分析可以發(fā)現(xiàn)，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支承特性進行改良可以獲得很好的減振效果。用剛性比轉(zhuǎn)子軸系剛性低很多的支承可以使轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速在一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速以下，而在通過剛體臨界時，轉(zhuǎn)子基本不彎曲，不會引起大的增壓器振動。如果渦輪增壓器軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)采用的是滾珠軸承，滾珠軸承中滑油的阻尼很小，所以必須采用被動抑制振動的阻尼器。

圖6示出了剛性支承渦輪增壓器滾珠軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速坎貝爾圖。從橫軸往上數(shù)與縱軸一共有6個交叉點，對應(yīng)于6個臨界轉(zhuǎn)速(從下往上分別為1階、2階、3階等等)。這些臨界轉(zhuǎn)速會隨著轉(zhuǎn)速的升高呈現(xiàn)出開叉渦動的特性。這種渦動有時是正向(FW)，有時是反向(BW)。主要取決于omiga矩陣的性質(zhì)。圖中給出的僅僅是各階臨界轉(zhuǎn)速的發(fā)展趨勢。

圖7分別示出了采用四凸臺、六凸臺、八凸臺彈性環(huán)支承后的渦輪增壓器滾珠軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速坎貝爾圖。從圖7可以看出各階臨界轉(zhuǎn)速隨著凸臺數(shù)的增加而提高，故可以通過改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支承剛度來改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速。

不同于剛性支承，彈性環(huán)支承剛度越低，工作轉(zhuǎn)速內(nèi)的錐動和平動的振幅越小，同時阻尼越大振幅越小。對六凸臺彈性環(huán)阻尼器和沒有阻尼器的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行比較，計算結(jié)果顯示振幅減小75%以上，這充分說明彈性環(huán)阻尼器是一個有效的抑振手段(見圖8)。

3 渦輪增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性試驗

采用加速度傳感器在試驗臺上對渦輪增壓器滾珠軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行動力測試(見圖9)。

考慮到六凸臺彈性環(huán)和六凸臺油膜剛度相仿，對穩(wěn)定性有利，故選擇六凸臺作為試驗對象，加工了3個不同凸臺高度的彈性環(huán)，試驗樣件見圖10。對試驗樣件進行動力學(xué)分析，并開展臺架試驗。

從圖11 示出的彈性環(huán)阻尼器與擠壓油膜阻尼器增壓器振動對比數(shù)據(jù)來看，與擠壓油膜阻尼器相比，彈性環(huán)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的徑向(Z向,X向在試驗臺有管路約束結(jié)果失真)振動明顯降低，在高轉(zhuǎn)速下彈性環(huán)阻尼器減振效果相對更好，在30 000 r/min以上抑振效果開始顯現(xiàn)，降幅在10%以上，與前面分析結(jié)果相吻合。由于不加阻尼器的轉(zhuǎn)子振動太大，超過增壓器轉(zhuǎn)子承受限制，因此無法通過試驗驗證有阻尼器與無阻尼器的增壓器振動差別。

4 結(jié)論

a) 相比擠壓油膜阻尼器，彈性環(huán)阻尼器剛度阻尼的非線性得到明顯的抑制;彈性環(huán)阻尼器抑振效果好于油膜阻尼器;

b) 彈性環(huán)的剛度明顯小于滾珠軸承，串聯(lián)后會減小系統(tǒng)的剛度；凸臺數(shù)對彈性環(huán)剛度影響非常大;

c) 和沒有阻尼器的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)相比較，彈性環(huán)阻尼器振幅減小75%以上，說明彈性環(huán)阻尼器是有效的抑振手段。

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[3] Tsuyoshi Watanabe,Takaaki Koike, Hirmu Furukawa.Development of turbocharger for improving passenger car acceleration[C].SAE Paper 960018,1996.

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[編輯： 姜曉博]

Influence of Elastic Ring Damper on Power Performance of Turbocharger Rotor

HE Hong1， WANG Shihu2， WANG Lianqun3, JI Jianbo1, ZHAO Lingling4

(1. Science and Technology on Diesel Engine Turbocharging Laboratory, Tianjin 300400, China；2. Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;3. Hebei Huabei Diesel Engine Ltd., Shijiazhuang 050081, China;4. China North Engine Research Institute (Tianjin), Tianjin 300400, China)

An elastic ring squeeze film damper (ERSFD) used in the ball bearing rotor system of a high speed turbocharger was studied. Based on the finite element analysis(FEA) and oil film squeezing theory, the support rigidity of elastic ring, the pressure field distribution of oil film, the rigidity damping of oil film and the rotor dynamic characteristic of ball-bearing rotor system for ERSFD were analyzed and compared with the squeeze film damper (SFD). It was found that the cross rigidity and cross damping of ERSFD were very small，which could solve the coupling problem of SFD rigidity damping effectively so as to improve its nonlinear property obviously. The vibration of bearing housing on a ball bearing turbocharger with six convex stages ERSFD was measured on a test bench and compared with the rotor dynamics computation results.

turbocharger； damper； ball bearing； vibration

2016-01-18；

2016-04-26

國防科技重點實驗室基金(9140C3305030902)

何洪(1963—)，男，研究員，主要研究方向為增壓技術(shù)；hhe@nlett.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.013

TK413.5

B

1001-2222(2016)04-0070-05