高原环境下增压器压气机叶轮轮毂疲劳可靠性研究

任兆欣， 苏铁熊， 邢卫东， 王正 ， 邵萍 ， 李静

(1. 中北大学机电工程学院, 山西 太原 030051；2. 中国北方发动机研究所柴油机增压技术重点实验室， 天津 300400；3. 北京城区供电开发总公司， 北京 100022)



高原环境下增压器压气机叶轮轮毂疲劳可靠性研究

任兆欣1, 2， 苏铁熊1， 邢卫东2， 王正2， 邵萍2， 李静3

(1. 中北大学机电工程学院, 山西 太原 030051；2. 中国北方发动机研究所柴油机增压技术重点实验室， 天津 300400；3. 北京城区供电开发总公司， 北京 100022)

针对涡轮增压器压气机叶轮在高原地区工作时潜在的轮毂疲劳失效模式，研究了高原环境下涡轮增压器转速的变化规律以及压气机叶轮轮毂疲劳失效危险部位的应力。在此基础上，建立了增压器压气机叶轮的轮毂疲劳可靠度计算模型，分析了增压器压气机叶轮轮毂疲劳可靠度随不同海拔高度的变化规律。研究表明，当发动机在高海拔地区工作时，涡轮增压器压气机叶轮发生轮毂疲劳失效的风险在增大，随着海拔高度的增加，压气机叶轮轮毂的疲劳可靠性在降低。

涡轮增压器； 高原环境； 压气机叶轮； 疲劳失效； 可靠性

涡轮增压器是车用发动机功率密度提升和改善高原环境适应性的关键部件之一。压气机叶轮作为涡轮增压器的核心部件，其可靠性对整个涡轮增压器有着重要的影响。

涡轮增压柴油机在高海拔地区工作时，由于环境的改变，发动机的进气量、燃烧、热损失、输出功率、燃油消耗率以及涡轮增压器的性能参数等均会发生变化，使得发动机的机械负荷和热负荷状况与平原地区不同，这时，增压器涡轮的进口燃气温度、增压器转速、最高燃烧压力、燃烧过量空气系数和燃油消耗率等诸因素中的任一因素均可能成为限制发动机功率正常输出的障碍[1-2]。通常，限制涡轮增压柴油机功率发挥的最主要因素为涡轮前燃气温度或增压器转速。对于涡轮增压器压气机叶轮而言，柴油机在高海拔地区工作时涡轮增压器的转速总体上呈现增大的趋势，增压器转速的增大会使压气机叶轮轮毂部位的应力增加，压气机叶轮发生轮毂疲劳破坏的风险也随之增大。

针对增压器压气机叶轮的可靠性问题，国内外学者从不同角度进行了研究[3-12]。林海英等针对某航空活塞发动机涡轮增压器叶片强度、振动问题，结合气动设计和结构改进设计，对叶轮在离心力作用下的强度和振动模态进行分析[3]。张虹等通过对车用增压器压气机叶轮内应力特点的分析，找到了车用增压器压气机叶轮应力集中的位置，研究了如何利用几何参数的修改来减小集中应力，建立了车用增压器压气机叶轮强度分析的过程和方法[4]。Pankaj Kumar等[6]采用修正的数值分析方法对转子叶片的单自由度非线性随机振动及可靠性进行了研究。黄若等针对某型增压器压气机叶轮的低周疲劳失效模式，对压气机叶轮进行了强度计算和分析，得到了应力—转速曲线，为叶轮低周疲劳试验提供了理论依据[9]。陈晓伟等应用有限元法对某增压器压气机叶片进行了静应力分析与计算，得到危险点的应力均值, 然后通过改进的一次二阶矩法对该叶片进行了静强度可靠性分析[11]。

本研究以某涡轮增压器压气机叶轮为例，针对高原环境下压气机叶轮潜在的轮毂疲劳失效模式，分析高原环境下涡轮增压器转速的变化以及压气机叶轮轮毂疲劳失效危险部位的应力响应，研究压气机叶轮轮毂疲劳可靠性的变化规律。

1 高原环境下压气机叶轮轮毂的失效分析

轮毂疲劳失效是车用涡轮增压器压气机叶轮的典型失效模式之一，压气机叶轮轮毂的疲劳破坏不仅会使增压器无法正常工作，有时还会击穿蜗壳引起发动机其他部件的损坏。对于车用涡轮增压器压气机叶轮，在不发生叶片共振的情况下，其最大应力位置(即失效危险部位)通常会出现在叶轮的轮毂部位(见图1)。

由于车用发动机工作剖面的复杂性，涡轮增压器的工作状态参数随发动机运行工况的改变在不断发生变化，导致压气机叶轮轮毂危险部位承受着交变载荷的作用，压气机叶轮存在发生轮毂疲劳失效的可能，特别是当发动机在高原环境下运行时，随着涡轮增压器转速的增加，压气机叶轮轮毂失效危险部位的应力也随之增大，压气机叶轮发生轮毂疲劳失效的风险也在增加。涡轮增压器压气机叶轮轮毂部位的应力主要由增压器的转速所决定。在这里，以某型车用6缸涡轮增压柴油机为例，运用GT仿真分析软件，通过建立涡轮增压器与发动机的性能联合仿真模型，并结合发动机的高原性能试验数据，研究发动机在不同海拔下运行时涡轮增压器的转速随海拔高度与发动机运行工况的变化。

图2示出该型车用6缸涡轮增压柴油机在不同海拔工作时涡轮增压器转速的变化曲线。从图2中可以看出，在发动机转速一定的情况下，随着海拔高度的增加涡轮增压器的工作转速在逐渐增大，特别是当海拔高度为4 500 m时，在发动机转速为2 200 r/min的工况下，涡轮增压器的转速较平原地区增加了约17.6%。

2 压气机叶轮轮毂失效危险部位应力分析

压气机叶轮轮毂失效危险部位的应力历程是进行其疲劳可靠性分析与寿命预测的基础。压气机叶轮的应力历程取决于其工作状态参数，并由涡轮增压器所匹配发动机的任务剖面所决定。在这里，将发动机耐久性考核试验剖面作为增压器压气机叶轮轮毂疲劳可靠性分析的依据，表1列出发动机耐久性考核试验剖面的工况组成。

表1 发动机耐久性考核试验剖面的工况组成

由于发动机在空载运转时增压器转速较低，从表1可以看出，该型车用柴油机的耐久性考核试验剖面主要由4种工况组成，即工况3～工况6，因此在对涡轮增压器压气机叶轮轮毂失效危险部位进行应力分析时，可以针对表1所示柴油机耐久性考核试验剖面中的这4种主要工况进行。

涡轮增压器压气机叶轮工作时轮毂部位承受着离心载荷和热载荷的作用，图3示出压气机叶轮在离心载荷作用下的应力分布，图4示出涡轮增压器在某工况下运行时压气机叶轮的内部温度场分布。结合图3和图4可以看出，作用于压气机叶轮轮毂失效危险部位的热载荷相对较小，因此，在对压气机叶轮轮毂失效危险部位进行应力分析时，可以忽略热载荷的影响。

根据发动机的耐久性考核试验剖面，运用增压器与发动机联合工作过程仿真模型，可以计算得到发动机在不同海拔高度运行时，对应耐久性试验剖面中4种主要工况的涡轮增压器转速。表2列出当发动机在海拔高度为4 500 m的环境下运行时，涡轮增压器在4种工况下的转速。

表2 涡轮增压器转速

在确定涡轮增压器转速的基础上，运用有限元方法可以计算得到在不同海拔条件下对应发动机耐久性考核试验剖面中4种主要工况的压气机叶轮轮毂失效危险部位的应力。进一步，结合发动机的耐久性考核试验剖面，可以得到压气机叶轮轮毂失效危险部位的疲劳应力历程(见图5)。

3 压气机叶轮轮毂疲劳可靠性建模与可靠 度变化分析

为确定压气机叶轮轮毂失效危险部位的疲劳强度，按照图6所示的试验样件取样方法[12]，设计了压气机叶轮轮毂疲劳强度模拟试验样件，选取了45个该型号压气机叶轮，制作了叶轮轮毂疲劳试验样件，并进行了疲劳性能测试。根据试验结果，压气机叶轮轮毂部位的疲劳寿命对数均值和对数标准差与应力水平之间的关系可以分别表示为

μlgN+0.025 37s=10.123 6，

(1)

σlgN+0.026 31s=8.526 9。

(2)

式中：N为疲劳寿命；s为应力；μlgN和σlgN分别为疲劳寿命对数均值和标准差。

根据线性Miner累积损伤法则，对应发动机耐久性考核试验剖面的一次试验循环(试验时间为10h)，增压器压气机叶轮轮毂失效危险部位的疲劳累积损伤量为[12]

(3)

式中：Ni为对应应力水平si时的疲劳寿命；n为应力水平数量。

进一步，可以得到压气机叶轮轮毂发生疲劳破坏前经历的发动机耐久性考核试验循环次数w为

(4)

压气机叶轮轮毂对应疲劳失效模式的功能函数可以表示为

(5)

以发动机耐久性考核试验循环次数w作为压气机叶轮轮毂的疲劳寿命度量指标时，压气机叶轮轮毂对应疲劳寿命w的可靠度可以表示为[12]

(6)

采用一次二阶矩法，令xi=lgNi，压气机叶轮轮毂对应疲劳失效模式的功能函数可以写成为

(7)

压气机叶轮轮毂对应疲劳寿命w的可靠度可以近似表示为

(8)

式中，Φ(·) 为标准正态分布的累积分布函数。

将压气机叶轮的轮毂应力参数与强度参数代入式(8)，可以计算得到压气机叶轮轮毂疲劳可靠度的变化规律(见图7)。从图7中可以看出，随着海拔高度的增加，压气机叶轮轮毂疲劳可靠度在降低；同时，随着发动机考核试验剖面循环次数的增加，压气机叶轮轮毂疲劳可靠度在逐渐减小。

4 结束语

针对某型涡轮增压器压气机叶轮在高原环境下潜在的轮毂疲劳失效模式，分析了压气机叶轮轮毂疲劳失效的特点，研究了高原环境下涡轮增压器转速的变化规律以及在不同海拔工作时，压气机叶轮轮毂疲劳失效危险部位的应力响应。在此基础上建立了增压器压气机叶轮的轮毂疲劳可靠度计算模型，研究了发动机在不同海拔高度工作时涡轮增压器压气机叶轮的轮毂疲劳可靠度随寿命的变化规律。研究表明，当发动机在高原环境下运行时，随着涡轮增压器转速的增加，压气机叶轮轮毂失效危险部位的应力也随之增大，压气机叶轮发生轮毂疲劳失效的风险也在增加。随着海拔高度的增加，增压器压气机叶轮轮毂疲劳可靠性在降低；同时，随着发动机考核试验剖面循环次数的增加，压气机叶轮轮毂疲劳可靠度在逐渐减小。

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[12] 王增全, 王正.车用涡轮增压器结构可靠性[M]. 北京：科学出版社,2013.

[编辑: 李建新]

Fatigue Reliability of Compressor Impeller Hub for Turbocharger in Plateau Environment

REN Zhaoxin1,2, SU Tiexiong1, XING Weidong2, WANG Zheng2, SHAO Ping2, LI Jing3

(1. College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;2. Key Laboratory of Diesel Engine Turbocharging Technology,China North Engine Research Institute, Tianjin 300400, China；3. Beijing urban Electrical Power Engineering Corporation, Beijing 100022, China)

For the fatigue failure mode of compressor impeller hub for turbocharger in plateau environment, the variation of turbocharger speed was analyzed and the stress at the fatigue failure location of compressor impeller hub was studied. Then, the fatigue reliability model of compressor impeller hub was developed and the law of impeller fatigue reliability with altitude was analyzed. The results show that the risk of hub fatigue failure for compressor impeller in high altitude area increases and the reliability of compressor impeller hub decreases with the increase of altitude.

turbocharger; plateau environment; compressor impeller; fatigue failure; reliability

2015-05-11;

2015-10-20

国家自然科学基金项目(51375465)

任兆欣(1973—)，男，研究员，博士，主要从事内燃机高原功率恢复技术的研究； renzhaoxin126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.011

TK411.8

B

1001-2222(2015)06-0055-04