探究不同工況下渦輪增壓器軸向載荷的變化

王 超，張廣西，徐止聽，于新勇，李 嘉

(濰柴動力股份有限公司 山東 濰坊 261205)

0 引言

渦輪增壓器作為現階段內燃機上必不可少的零部件，其性能和可靠性一直備受重視。渦輪增壓器在高速運轉過程中，兩個葉輪的正反面都有較大的氣壓載荷差異，這種載荷差異形成了沿增壓器轉子軸線方向的作用力。渦輪增壓器的軸向穩定是受止推軸承影響的，止推軸承承載了渦輪增壓器轉子系統轉動時的軸向載荷。

為了保證渦輪增壓器的穩定運行，其止推軸承必須能夠承載這個軸向作用力。因此，在設計渦輪增壓器時，應詳細計算增壓器的軸向載荷，然后根據載荷大小設計相應承載能力的止推軸承。在實際應用中，渦輪增壓器的擦殼、斷軸等故障很多是由于止推軸承發生了問題。止推軸承的主要故障模式是止推軸承磨損，導致磨損的可能原因為軸向載荷超出設計值、軸系失穩、潤滑不良等。

排氣制動作為一種提高制動功的有效手段，應用非常廣泛。但是排氣制動工況時，渦輪增壓器渦后會形成很大的排氣背壓，使得渦輪增壓器的軸向力突然升高，導致止推軸承處油膜被破壞，進而引起止推軸承磨損。需要注意的是，這種磨損發生之后會進入一個惡性循環，下一次磨損會比上一次更容易發生。

本文主要是對不同工況下渦輪增壓器止推軸承的軸向載荷進行研究，通過設計制作特殊渦輪增壓器試驗樣件進行臺架試驗。針對排氣制動工況，采用控制外特性工況下排氣制動蝶閥的開啟與關閉，用來模擬實際應用中整車的排氣制動最苛刻的工況。試驗中采集記錄渦輪增壓器的各進出口溫度、壓力、流量以及渦輪增壓器轉速等數據，最后通過計算，對渦輪增壓器止推軸承承載的軸向載荷進行分析。

1 渦輪增壓器止推軸承軸向載荷試驗

1.1 發動機和渦輪增壓器主要參數

本試驗采用排量為13L的某型號直列六缸柴油機，渦輪增壓器后置，排氣尾管后安裝排氣制動蝶閥，具體結構如圖1。

渦輪增壓器的主要技術參數如表1：

1.2 試驗樣件測點布置

此次試驗采用表1所述規格的渦輪增壓器，根據渦輪增壓器軸向載荷計算方法所需要的數據進行傳感器測點布置，以便采集準確的試驗數據對軸向載荷進行計算評估。在試驗前，制作渦輪增壓器特殊試驗樣件，按照圖2布置相關傳感器。

1)在壓氣機進口處布置一只溫度傳感器(0～800℃)、兩只壓力傳感器(±17.5kPa，圓周方向對稱布置)，用于采集葉輪入口處溫度和壓力，分別記為T1C、P1C_a、P1C_b；

2)在壓殼上對應葉輪葉尖處布置兩只壓力傳感器(0～350kPa，沿葉輪圓周方向對稱分布)，用于采集葉輪出口處壓力，分別記為PtC_a、PtC_b；

3)在壓氣機背板靠近葉輪背部中間位置設置兩只壓力傳感器(0～350kPa，沿葉輪圓周方向對稱分布)，用于采集葉輪背部壓力，分別記為PbC_a、PbC_b；

4)在渦殼對應渦輪入口處布置兩只壓力傳感器(0～350kPa，沿渦輪圓周方向對稱分布)，用于采集渦輪入口處壓力，分別記為PtT_a、PtT_b；

5)在渦輪機出口處布置兩只壓力傳感器(0～350kPa，圓周方向對稱布置)，用于采集渦輪出口處壓力，分別記為P2T_a、P2T_b；

6)在中間體靠近渦輪背部中間位置布置兩只壓力傳感器(0～350kPa，沿葉輪圓周方向對稱分布)，用于采集渦輪背部壓力，分別記為PbT_a、PbT_b；

7)在壓殼上布置增壓器轉速傳感器。

1.3 試驗方法

將前述的渦輪增壓器特殊試驗樣件安裝在發動機上，在發動機試驗臺架上進行相關試驗并采集記錄試驗數據。按照表2所列工況進行特定試驗，其中前3項是采集計算常規工況下軸向載荷的變化，后2項試驗是在外特性工況時控制制動蝶閥開啟關閉分析軸向載荷的變化。試驗中分別檢測發動機的轉速、扭矩、油門、增壓器轉速和1.2節中所述的溫度、壓力。

表2 發動機運行工況

2 渦輪增壓器轉子軸軸向載荷數據分析與計算

渦輪增壓器轉子的軸向載荷是由壓氣機葉輪的氣壓載荷和渦輪的氣壓載荷組成的。因為軸向載荷只有在渦輪增壓器運行時才會出現，所以很難通過普通試驗設備直接監測和采集，一般是通過理論計算而來。本文參考《渦輪增壓器軸向力分析與止推軸承承載力評估》[1]、《渦輪增壓器推力軸承軸向載荷變化規律探究》[2]等文獻中的理論計算方法，結合合理的經驗參數和公式，通過相關的熱力學、動力學公式進行止推軸承軸向載荷分析。

2.1 理論計算方法

如圖3所示，設渦輪端指向壓氣機端為正方向：

作用在壓氣機葉輪上的軸向力：

FC=FC3-FC1-FC2

作用在渦輪上的軸向力：

FT=FT1+FT2-FT3

渦輪增壓器轉子系統所受氣體軸向合力，即止推軸承所承受的軸向載荷為：

F=FC+FT[2]

3 試驗結果分析

通過試驗得到的相關數據，根據前述計算方法進行軸向載荷的計算，發現不同工況下渦輪增壓器的軸向載荷是呈現不同的變化規律的，而在排氣制動工況時，隨著排氣制動蝶閥的開啟與關閉，渦輪增壓器的軸向載荷也跟著出現相應的變化。

3.1 外特性工況

控制發動機在外特性工況運行，轉速從600r/min依次增加至2100r/min，。渦輪增壓器軸向載荷隨渦輪增壓器轉速的變化規律如圖4。

當渦輪增壓器轉速處于80000r/min以下范圍內時，隨著渦輪增壓器轉速升高，渦輪增壓器的軸向載荷逐漸增大，在發動機轉速1600～1800r/min時達到最大值約449.2N；當渦輪增壓器轉速處于80000r/min以上時，隨著渦輪增壓器轉速升高，渦輪增壓器的軸向載荷逐漸減小，額定點時的軸向載荷約為380N。

以上整個過程，渦輪增壓器的軸向載荷都是指向壓氣機端的。

3.2 定轉速負荷階躍工況

控制發動機在不同轉速(600～2100r/min)下進行負荷率由0至100%的瞬態階躍變化運行時，渦輪增壓器的軸向載荷隨渦輪增壓器轉速變化規律如圖5，圖中曲線從左到右依次為發動機600～2100r/min轉速下渦輪增壓器的軸向載荷。

從圖中可以看出，在同一發動機轉速下，進行負荷階躍時，隨著渦輪增壓器增壓器轉速升高，其軸向載荷也會變大。

對不同發動機轉速的最大軸向載荷對比，在發動機轉速小于1600r/min，進行負荷階躍時，發動機轉速越高，渦輪增壓器的最大軸向載荷就會越大，最大值能達到約431N；當發動機轉速大于1600r/min，進行負荷階躍時，發動機轉速越高，渦輪增壓器的最大軸向載荷會逐漸減小。

以上整個過程，渦輪增壓器的軸向載荷都是指向壓氣機端的。

3.3 額定點急加速工況

此工況是控制發動機轉速及負荷從怠速600r/min急加速過渡至額定點2100r/min，加載時長分別為0s、5s、10s、30s，負荷率由0加載至100%。渦輪增壓器軸向載荷隨渦輪增壓器轉速的變化規律如圖6。

當加載時間設定為0s時，渦輪增壓器軸向載荷隨渦輪增壓器轉速變化的趨勢是前半段較平緩，后半段較劇烈；加載時間設定為5s時，渦輪增壓器的軸向載荷隨渦輪增壓器轉速變化速率已經趨于穩定；加載時間設定為30s時，渦輪增壓器的軸向載荷隨渦輪增壓器轉速變化趨勢已經跟前述3.1節的外特性試驗結果類似。以上四種加速結束到達額定點穩定后，渦輪增壓器的轉速及軸向載荷的大小是相同的，約為380N。

以上整個過程，渦輪增壓器的軸向載荷都是指向壓氣機端的。

3.4 外特性—制動蝶閥常閉工況

控制發動機排氣制動蝶閥常閉狀態，在外特性工況運行，模擬排氣制動蝶閥故障無法開啟的工況。由于在發動機轉速低于1000r/min時，發動機無法在排氣制動蝶閥關閉的情況下穩定運行，所以試驗的發動機轉速范圍是1000～2100r/min。渦輪增壓器軸向載荷隨渦輪增壓器轉速的變化規律如圖7。

從試驗結果看，制動蝶閥關閉的情況下，在發動機外特性工況，渦輪增壓器的最高轉速為32000r/min左右。當渦輪增壓器轉速低于30000r/min時，隨著渦輪增壓器轉速升高，軸向載荷迅速增大，最高達到758N；當渦輪增壓器轉速繼續升高，渦輪增壓器的軸向載荷開始下降。

以上整個過程，渦輪增壓器的軸向載荷都是指向壓氣機端的。

3.5 外特性—制動蝶閥開啟關閉工況

控制發動機在外特性工況運行，并在每個轉速下進行一次排氣制動蝶閥關閉-開啟動作。由于在發動機轉速低于1000r/min時，發動機無法在排氣制動蝶閥關閉的情況下穩定運行，所以試驗的發動機轉速范圍是1000～2100r/min。渦輪增壓器軸向載荷隨渦輪增壓器轉速的變化規律如圖8。圖中環形曲線從左到右依次為發動機1000～2100r/min轉速下渦輪增壓器的軸向載荷。

當發動機轉速在1000r/min時，關閉排氣制動蝶閥，渦輪增壓器的軸向載荷由20N上升到400N，同時渦輪增壓器轉速下降約4000r/min；當發動機轉速達到2100r/min，關閉排氣制動蝶閥，渦輪增壓器的軸向載荷由60N上升到600N，同時渦輪增壓器轉速下降約12000r/min。

以上整個過程，渦輪增壓器的軸向載荷都是指向壓氣機端的。

4 結論

通過發動機臺架試驗得到的數據分析可知，渦輪增壓器的軸向載荷隨渦輪增壓器轉速的變化受發動機轉速、扭矩、加載速率等影響。發動機在穩定工況時，渦輪增壓器軸向載荷與發動機轉速負荷有關，發動機轉速升高扭矩增大，相應的渦輪增壓器軸向載荷也會變大；當發動機在變工況時，渦輪增壓器軸向載荷與發動機的加載時間有關，加載時間越長，渦輪增壓器軸向載荷的變化越平穩。

在排氣制動工況時，渦輪增壓器的軸向載荷會出現很大的升高，甚至會出現數十倍的變化。根據試驗數據，排氣制動蝶閥關閉時，排氣背壓越大，渦輪增壓器的軸向載荷就越大。

通過以上結論，帶有排氣制動蝶閥的發動機在可靠性開發考核時，應重點關注排氣制動對渦輪增壓器止推軸承的影響。在渦輪增壓器設計時，要根據實際應用時的軸向載荷，合理設計渦輪增壓器的止推軸承結構，確保其承載能力能夠滿足實際使用時的軸向載荷需求。