涡轮增压器推力轴承轴向载荷变化规律研探究
2022-05-19杨豫魁张广西刘学哲
0 引言
涡轮增压器是当今内燃机的关键零部件，由于涡轮增压器的存在，使得发动机的功率密度和经济性得以显著提升。涡轮增压器作为一种高速旋转叶轮机械，其轴承系统必须具有良好的可靠性才能保证涡轮增压器的稳定运行。一旦涡轮增压器轴承系统发生故障，将导致整个涡轮增压器在瞬间发生致命性损坏，甚至引起发动机整机的损坏，故对于涡轮增压器轴承系统的研究是非常必要的。
涡轮增压器轴承系统一般主要包括浮动轴承和推力轴承。浮动轴承主要承载涡轮增压器转子系统运行时的径向载荷，限制转子系统的径向晃动；推力轴承主要承载涡轮增压器转子系统运行时的轴向载荷，限制转子系统的轴向窜动。实际开发与运行过程中，关于推力轴承的常见故障模式主要为推力轴承磨损，而推力轴承磨损的主要可能原因为轴向载荷超限、轴系失稳、润滑不足等。
本文主要对推力轴承轴向载荷进行研究，通过实际台架试验，控制发动机工况变化，监控并记录涡轮增压器空气、排气温度、压力、流量以及涡轮增压器转速等参数，后通过理论计算方法进行涡轮增压器推力轴承轴向载荷的分析与研究。
1 涡轮增压器推力轴承轴向载荷测试试验
1.1 发动机与涡轮增压器技术参数
本试验采用排量为8L的某型号EGR柴油机，涡轮增压器型号为GT35。
涡轮增压器主要技术参数如表1：
MSCT对狭窄度≥70%、50%～70%者诊断的敏感度、准确度、特异度、阳性预测值等较狭窄度＜50%者均显著较高，且P＜0.05。见表2。
1.2 试验样件准备
本试验采用1.1节所述规格的涡轮增压器，按照如下要求布置如下传感器，如图1：
2011年发生在太平洋沿岸近海的东北地震（此后称东北地震），摧毁了本州岛东北部的大部分区域。在P波达到后的8s，即发震时刻后的31s，对东北地区的公众就发布了地震预警（EEW。Hoshiba and Iwakiri，2011；Hoshiba et al，2011；Sagiyaet al，2011）。在这个区域中没有盲区，也就是说，在S波达到之前，所有位置都接收到了预警，这是因为该地震离海岸相当远。
1)在压气机入口处分别安装一只温度传感器、两只压力传感器(圆周方向对称布置)，监测叶轮入口处温度、压力，分别记为T
、P
、P
；
2)在压壳对应叶轮出口处设置两只压力传感器(沿叶轮圆周方向对称分布)，监测叶轮出口处压力，分别记为P
、P
；
促进学生更快适应社会发展 随着当今经济时代的到来，以信息技术为主的高新技术快速发展，传统的技能教育已经不能满足时代发展。因此，学校在利用微课进行思想教育工作的同时，还应该加强对学生职业核心能力的培养。目前，我国大多数用人单位都是看中学生的基本专业技能、解决实际问题的能力和社交能力，所以职业核心素养越来越被重视，并且成为社会考核人才的一项重要标准[7]。
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2.2.2 男生体质健康标准测试各指标间相关分析 从表6（见下页）可以看出，男生体重与坐位体前屈、肺活量与引体向上变量间相关无显著性外，其余变量间相关性都具有显著性意义，具体相关程度见表7（见下页）。
3)在压气机背板靠近叶轮背部中径处设置两压力传感器(沿叶轮圆周方向对称分布)，监测叶轮背部压力，分别记为P
、P
；
4)在涡壳对应涡轮入口处设置两只压力传感器(沿涡轮圆周方向对称分布)，监测涡轮入口处压力，分别记为P
、P
；
5)涡轮进口气体对涡轮产生的轴向力：(以指向压端为正)
每年节假日，尤其是春节前夕，我总会带领班子成员到离退休的老领导、老教师家中慰问；教师或教师的家属病了，我总是亲自带队探望，有时还会帮助联系医院、医生；解决教师子女的入园、升学问题，为有困难的职工及时送去一份关爱，也是我的重要工作。解决了教师的后顾之忧，他们才能全身心投入到教育教学工作中。多年来，帮助教师解决困难已经成了我的习惯，这让我和教师们的心靠得更近了。
6)在中间体靠近涡轮背部中径处设置两压力传感器(沿叶轮圆周方向对称分布)，监测涡轮背部压力，分别记为P
、P
；
7)其余同正常样件(带增压器转速传感器)。 图1.涡轮增压器传感器布置示意图
1.3 试验方法
将1.1、1.2节所述特制的涡轮增压器样件安装在发动机上，控制发动机分别按照表2所示工况运行，分别记录发动机转速、扭矩、油门开度、涡轮增压器转速以及1.2节中所述的温度、压力。
2 数据分析与整理
2.1 推力轴承轴向载荷计算方法
涡轮增压器推力轴承轴向载荷计算方法有很多种，一般常采用理论计算方法和数值计算方法。本文采用理论计算方法，具体理论计算公式可参考王延生与黄佑生共同编写的《车辆发动机废气涡轮增压》一书
，《车用涡轮增压器转子轴向力数值计算与分析》
、《涡轮增压器轴向力分析与止推轴承承载力评估》
等文献也采用了此理论计算方法进行推力轴承轴向载荷分析。
2.2 理论计算方法
如图2所示，假设指向压气机端为正方向：
1)作用在叶轮进口平面上的气体力：(以指向压端为正)
旁多水利枢纽工程位于西藏自治区林周县旁多乡下游1.5km处的拉萨河干流上，为拉萨河中段梯级开发之首，是西藏自治区“十五”期间重点水利工程项目，工程任务以灌溉、发电为主，兼顾防洪和供水。
式中：
1
、
1
分别为叶轮入口处气体压力、温度，
为叶轮入口气体质量流量，
1
为叶轮入口气体流速，
为理想气体常数；
当涡轮增压器转速处于80000r/min以下时，随着涡轮增压器转速升高，推力轴承指向压气机端的轴向载荷逐渐减小；
1.确保了国内自产原油的加工后路。勘探板块通常每年自产原油1 亿吨，生产成品油6600 万吨，按照基础量8000 万吨的规模可保障自产原油的正常加工，顺价销售。
式中：
1
、
2
分别叶轮入口、出口半径，
为叶轮入口至出口范围内半径为
的圆环位置对应的压力，
2
为叶轮出口处压力；
6)涡轮出口气体对涡轮产生的轴向力：
3)作用在叶轮背上的气体力：
式中：
0
为轴封半径，
为叶轮背部气体压力，
为叶轮背部气体密度，
2
为叶轮圆周速度；
4)作用在叶轮上的轴向力：
=
3
-
1
-
2
5)在涡轮机出口处分别安装一只温度传感器、两只压力传感器(圆周方向对称布置)，监测涡轮出口处温度、压力，分别记为T
、P
、P
；
式中：
3
为涡轮入口处压力；
聚类分析显示5个可能的研究热点，值得注意的是汉语名词化结构、英语摘要、语法隐喻理论、《红楼梦》英译本。汉语名词化结构研究可关注朱德熙、沈家煊、陆俭明、吕叔湘、王冬梅等。英语摘要的名物化现象研究可关注Halliday、刘国辉、赵艳芳、肖建安、金娜娜等。语法隐喻理论研究可关注朱永生、胡壮麟、Martin、黄国文、张德禄、范文芳、丛迎旭、侯建波等。《红楼梦》英译本的名物化翻译研究可关注Thompson、王克非、张丹丹等。
式中：
4
为涡轮出口处压力，
为涡轮出口气体质量流量，
2
为涡轮出口气体流速；
7)涡轮背部气体对涡轮产生的轴向力：
式中：
为涡轮背部气体压力，
为叶轮背部气体密度，
1
为涡轮圆周速度；
②出入线明挖段为三线矩形断面，结构断面宽度15～19m，托换梁需跨过明挖隧道，托换梁最大跨度达23.3m，工程施工难度大，实施风险高。
8)作用在涡轮上的轴向力：
=
1
+
2
-
3
涡轮增压器转子系统所受气体轴向合力，亦即推力轴承所承受的轴向载荷为：
=
+
3 分析结果
通过发动机台架试验研究，发现发动机在不同条件下改变运行工况时，涡轮增压器推力轴承所承受的轴向载荷随涡轮增压器转速呈现不同的变化规律，具体如下：
也许，这才是人间烟火气吧。易非想。陈留的脚会臭吗？他看起来那么洁净，都像有洁癖似的，肯定不会。若会，我会强迫他换袜子的，上午换一双，下午再换一双……想到这儿，易非笑了，笑过之后，倒在黑暗中不好意思的红了脸，尽管这黑暗中的胡思乱想没有人能察觉到。
3.1 发动机外特性稳定运行工况
在发动机处于外特性工况稳定运行时，通过调节发动机转速使涡轮增压器转速发生改变，涡轮增压器推力轴承轴向载荷随增压器转速的变化规律如图3。
2)作用在叶轮进口外径到出口外径圆环面上的气体力：
当涡轮增压器转速处于80000r/min至100000r/min范围内时，轴向载荷变为指向涡轮机端，并随着涡轮增压器转速升高，指向涡轮机端的轴向载荷逐渐增大；
当涡轮增压器转速处于100000r/min至110000r/min范围内时，随着涡轮增压器转速升高，指向涡轮机端的轴向载荷逐渐减小；
当涡轮增压器转速处于110000r/min以上时，轴向载荷又变为指向压气机端，并随着涡轮增压器转速升高，指向压气机端的轴向载荷逐渐增大，轴向载荷在发动机额定点时达到最大值，最大值约90N。
3.2 不同发动机转速负荷阶跃工况
发动机分别在1000r/min、1400r/min、1800r/min、2100r/min转速下进行负荷率由0至100%，过渡时长为0s的瞬时阶跃变化运行时，涡轮增压器推力轴承所承受的轴向载荷随涡轮增压器变化规律如图4。
发动机阶跃运行转速越高，推力轴承所承受的轴向载荷越大，且会超出额定点稳定运行工况的轴向载荷值，最大值能达约159N。
21世纪初，国际核电市场复苏转暖，日本企业在政府支持下通过收购和联合等方式与国际核电技术巨头开展合作，在当时的国际市场上形成以日本企业为主的三足鼎立(日本东芝-美国西屋、日本三菱-法国阿海珐、日本日立-美国通用电气)局面，并在美国、英国、越南和印度等国市场取得显著进展。
3.3 不同过渡时长负荷阶跃工况
发动机在2100r/min转速下分别进行过渡时长为0s、5s、10s，负荷率由0至100%的阶跃变化运行时，涡轮增压器推力轴承所承受的轴向载荷随涡轮增压器转速变化规律如图5。
发动机负荷阶跃过渡时长越短，推力轴承所承受的轴向载荷越大，轴向载荷最大的工况为过渡时长为0s的瞬态阶跃，轴向载荷最大值能达约159N。
3.4 不同热管理模式负荷阶跃工况
发动机在2100r/min转速分别采用Normal模式、DPF再生模式进行负荷率由0至100%的瞬时阶跃变化运行时，涡轮增压器推力轴承所受的轴向载荷随涡轮增压器转速变化规律如图6。
发动机处于DPF再生模式下进行负荷率由0至100%的瞬态负荷阶跃工况运行时，推力轴承所受轴向载荷略大于Normal模式瞬态负荷阶跃时的轴向载荷，最大值能达约161N。
综上，在发动机处于不同阶跃条件下运行时，涡轮增压器推力轴承承受的轴向载荷随涡轮增压器转速的变化规律不同，热管理模式也会对轴向载荷产生一定程度的影响。
4 结论
通过发动机台架试验探究分析，涡轮增压器推力轴承承受的轴向载荷随涡轮增压器转速的变化规律受发动机运行工况影响，热管理模式也会对轴向载荷产生一定程度的影响。发动机处于瞬态阶跃运行工况时，涡轮增压器推力轴承承受的轴向载荷远大于稳定运行工况，且运行工况瞬态变化越剧烈，推力轴承承受的轴向载荷越大。
故发动机运行工况的剧烈瞬态变化过程是涡轮增压器推力轴承负载较为苛刻的工况，在实际产品可靠性开发考核过程中，对于涡轮增压器推力轴承的考核验证应采用瞬态工况；实际产品电控数据标定开发过程中，也应重点关注发动机处于瞬态工况以及热管理模式下运行时的保护策略标定。
[1]王延生，黄佑生.车用发动机废气涡轮增压[M].北京：国防工业出版社，1984:120-124.
[2]王云龙，张虹，田锐，等.车用涡轮增压器转子轴向力数值计算与分析[J].机械设计与制造，2014,3：37-40.
[3]张健健，马敏，李伟，等.涡轮增压器轴向力分析与止推轴承承载力评估[J].内燃机与动力装置，2021,38(2)：29-34.
