增压器涡轮壳热裂痕的危害、因由及热应力试验

摘要：涡轮增压器涡壳热裂纹是柴油机增压机构运行步骤中的一种易损异样现象。本文系统解述了增压器涡壳热裂痕的产生缘由、优点、损害和检测步骤，并关于该异样状况进行了实验探讨。该试验由对涡轮增压器实物进行多种拆解，讲解不同部位的性能数据，结合涡轮增压器的测试试验结果，浅谈增压器涡壳热裂纹发生可能因由，以及涡轮增压器涡壳热裂痕怎样进行检测等讨论。探求结果表明：柴油机增压器涡壳热裂纹产生的原因比较复杂，主要有压力源变化、温度管理“非法”、腐蚀性和内部构造的短处等；同时，如果发现涡轮增压器涡壳热裂纹，应立即选择有效举措，以免影响柴油发电机使用，并让涡轮增压器发挥其较佳性能。

      涡轮增压器通过压缩空气来增加进入气缸里的空气，从而提升气缸燃烧做功能力。在目前的技术因素下，涡轮增压器是唯一能使柴油机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。它是利用柴油机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压缩由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当柴油机转速增快时，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入汽缸。空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调节柴油机的速度，就可以增加柴油机的输出功率。增压器机理如图1所示，零件装配如图2所示。

      涡轮增压器装配在柴油机的进排烟歧管上，处在发烫、高压和高速运转的工作现状下，其作业环境非常恶劣，作业要求又比较苛刻，因此对制造的材料、零配件的结构尺寸和加工技术都要求很高。在涡轮增压器的新产品试制步骤中，需要对涡轮增压器进行试验，以研讨涡轮增压器的各项性能重庆康明斯发电机官网。涡轮壳是涡轮增压器的具体零件之一，其流道由复杂曲面形成，以满足空气动力学性能要点，较大限度利用柴油机废气能量。同时，因为安装空间的限制和与其他部件连接的限制，使其外形构造复杂。由于柴油机排放气体温度很高，涡轮壳一般在700～800℃发热交变热负荷下工作，而且随着柴油机起动、停止、待机等不一样运行工况的变化，其排放气体的温度也随之改变。冷热交替变化的工作环境，对增压器涡轮壳是一个很大的考验，因此由于热应力导致的裂纹破坏是涡轮壳破坏的易发原由。在新产品的试制中必须对涡轮壳进行试验研究，论说涡轮壳构造中影响热裂纹产生的主要构成参数，以便对涡轮壳构成进行修改和调节，达到提升产品品质的目的。

      涡轮壳构造对增压器效率性能有很大危害，增压器布置准则规定流道截面面积与流道截面曲率半径之比为常数，因此涡轮壳结构必须满足流道内流体的动力学性能。涡轮增压器涡壳内部结构如图3所示，该涡轮壳采用硅钼合金材料，其中碳品质分数为3.0%～3.4%，硅为3.75%～4.25%，钼为0.5%～0.7%。材料的过热强度、热疲劳性能和热冲击性能都较好。涡轮壳结构选择双进气流道组成。在新产品的试制步骤中，涡轮壳的多种构成数据中可以有不同的采取。如进气流道分隔墙的厚度、流道壁厚和内腔的舌形挡板厚度。涡轮壳的外部构成也有多种，如流道外壳上设置凸台和不设凸台，流道外壳与进气口连接部位（如图4）选用圆弧过渡或直线过渡，V形圈边的构造形式是平面或凹槽等。涡轮壳的这些重要构成数据直接危害涡轮壳作业时的热应力分布，从而影响涡轮壳热裂痕的产生。

     涡轮增压器涡壳热裂纹多以开裂状表现，其外观以及形状因产生原因不同而有所不同。例如，压力源变化导致的涡轮壳热裂纹，多呈多棱形；而温差造成的涡轮壳热裂纹，多呈类扇形状；腐蚀性致使的涡轮壳热裂纹，多为U字形或圆形开裂；构造短处致使的涡轮壳热裂纹，多以不规则的角状开裂形式产生。

     涡轮增压器涡壳热裂痕损害比较严重，主要表现在以下几个方面：

      涡轮增压器涡壳热裂纹的发生缘由比较复杂，详细有以下几个方面：

（1）压力源变化。因为外界温度、压力等影响，涡轮增压器的作业状态不断变化，从而产生压力的变化，压力的改变会引起涡轮增压器涡壳的变形，致使涡轮壳热裂纹的产生；

（2）温度管理错误。涡轮增压器内部温度变化会危害到涡轮壳的变形，如果温度管理错误，将容易引起热裂痕的发生；

（3）腐蚀性。因为燃料中含有油品，进入涡轮增压器涡壳内部，易使涡轮壳发生腐蚀，从而引起热裂痕的产生；

（4）内部组成的缺陷。涡轮增压器的内部构成设计不当或材料性能较差，也有可能致使涡轮壳热裂痕的产生。

      将涡轮增压器试验样品装配于与该涡轮增压器配套的发动机进排气歧管上，试验环境和要素与涡轮壳实际作业时的情况尽量一致，即将涡轮壳置于较恶劣的热和机械载荷循环下进行测试。涡轮壳热循环试验在专用的涡轮性能试验台上进行，试验时环境温度为常温。试验选用其配套的柴油机，温度测量用热电偶测定涡轮壳进气口的进气温度。当涡轮壳进气口温度升至775～800℃时，保持此温度下柴油机继续运行5分钟，然后柴油机卸载运行，使涡轮壳进气口温度下降。当温度降到150～200℃时，保持此温度5分钟。图5所示为从试验参数中提取的温度变化曲线。因为在涡轮壳流道的前后部分存在温度梯度，故而操作平均进气温度来模拟热循环温度。

      为观察涡轮壳热裂痕发生状况，每50小时关闭一次柴油机，将涡轮增压器拆下，对涡轮壳进行检查，对发生裂痕的地方进行仔细检测和标记。根据试验标准，涡轮壳试验符合以下3个因素则为合格产品：

（3）对于双进气流道的涡轮壳，不超过4个沿流道分隔墙的裂痕康明斯发电机厂家，而且每个裂纹较大允许的裂纹长度不超过0.4mm。

      经过50小时的热循环试验后，在流道分隔墙上有4处裂纹，如图6所示。在1号裂痕处，流道分隔墙两面都有轻微的径向开裂，而且1号和2号裂痕都比预期的裂痕宽，1号裂纹有将近3.5mm宽，这2处裂痕在流道壁处终止。流道分隔墙的另外2处裂痕（3号和4号）在距离流道外壁约四分之一的位置终止。

      经过100小时热循环试验后，流道分隔墙上仍有4处裂纹，与第一次试验位置一致，而且有扩大的趋势，其中1号和2号2处裂痕继续扩展穿透到流道的外表面，并在舌形挡板处产生断裂。此时因为流道分隔墙的严重开裂，试验终止。

      试验完成后对全部涡轮壳裂纹的位置和大小进行了仔细的检测，100小时试验后测定的裂痕尺寸如表1所示。其中1，2，3和4号裂纹为50小时测定时裂纹的方位，100小时测量的裂痕方位仍处于1，2，3和4号位置，并且1号和2号裂痕分别继续扩展穿透到流道的外表面的A，B处。

      柴油机排放气体温度通常过高，而且随着柴油机工作循环，在起动、停止、待机等不一样的运转工况下其排放气体的温度也不同，冷热交替变化的工作环境使得涡轮壳的某些局部产生热应力。这些热应力大小也随工况变化，即为交变应力。当这些局部的交变热应力超过了材料的强度极限时，热裂痕发生。因此必须调整涡轮壳热应力的分布，减小局部应力，防范其热裂纹的产生。

      从试验结果可见，该涡轮增压器涡壳在给定工况下局部产生了严重的裂痕。产生裂痕的要素较为复杂，但其详细要素是涡轮壳构成的局部尺寸和构造的不合理，使得局部强度不足。因此必须对涡轮壳结构进行修改和调整。

      由于构成涡轮壳构成的尺寸数据和构成数据较多，必须找出危害这些裂痕产生的详细构成数据。在50小时和100小时的热循环试验后，在流道分隔墙和舌形挡板上有裂痕产生，且100小时热循环试验后舌形挡板处发生断裂，因此可以判断流道分隔墙的厚度和舌形挡板尺寸不合理；100小时热循环试验后有2处的裂纹扩展到流道外表面，发生严重开裂，说明流道壁厚尺寸也设计得不合理。此外在流道外表面上选择凸台和不设凸台也会影响流道壁的热应力分布状况，故而准确布置凸台也直接危害流道壁的热裂纹产生。根据涡轮壳以往的规划经验和热裂纹试验，发现涡轮壳构造的进气口截面和V形圈边的构成形式也对涡轮壳的热应力分布有危害。综上所述，可确定涡轮壳尺寸和组成参数中流道分隔墙、流道壁、舌形挡板的厚度和进气口截面、凸台、V形圈边的构成形式这6个参数为影响涡轮壳作业时热应力的详细数据。

      虽然目前计算机仿真水平已经相当高，但是产品试制步骤中的试验讨论是必不可少的.涡轮壳的流道曲面形状和外形结构复杂，影响涡轮壳裂纹产生的原因较多.本文通发烫裂痕试验和以往的实际规划经验，以及有限元浅谈探讨，确定了直接危害涡轮壳裂痕发生的详细结构参数为流道分隔墙、流道壁、舌形挡板的厚度和T-T截面、凸台康明斯发电机组公司、V形圈边的构成形式，必须对其进行正交优化调节。

图5  增压器进气口温度和时间变化曲线  增压器涡轮壳裂痕位置示意图

      涡轮增压器是一种重要的动力涡轮机，它可以将柴油发电机组的输出容量增加2-3倍，从而提高柴发机组的性能和燃料经济性。但是，涡轮增压器在操作程序中，因为工况复杂，多见生涡壳热裂纹，这是一种比较易损的异常现状，如果不及时发现并高效排除，将会严重影响涡轮增压器的正常使用，并造成较大的经济损失。为知晓决这一问题，本文机构地研讨和探讨了涡轮增压器涡壳热裂痕的产生起因、优点、损害和测量程序，并关于该不正常现象进行了试验探求，以期为涡轮增压器的安全使用提供参考依据。----------------