增压器涡轮壳热裂纹的危害、缘由及热应力试验

导读：涡轮增压器涡壳热裂纹是柴油机增压系统运行流程中的一种多发异常现状。本文装置分析了增压器涡壳热裂痕的产生缘由、特点、影响和检查办法，并针对该异样情形进行了实验探讨。该试验由对涡轮增压器实物进行多种拆解，细说不同部位的性能参数，结合涡轮增压器的测试试验结果，总述增压器涡壳热裂纹发生可能起因，以及涡轮增压器涡壳热裂纹怎样进行检修等研究。探讨结果表明：柴油机增压器涡壳热裂纹产生的原由比较复杂，具体有压力源变化、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，应立即选择高效办法，以免影响柴油发电机操作，并让涡轮增压器发挥其较佳性能康明斯发电机组价格一览表。

      涡轮增压器通过压缩空气来增加进入气缸里的空气，从而提升汽缸燃烧做用途力。在目前的技术条件下，涡轮增压器是唯一能使柴油机在工作效率不变的状况下增加输出功率的机械系统。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速度也同步增快，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整柴油机的速度，就可以增加柴油机的输出容量。增压器原理如图1所示，零件装配如图2所示。

      涡轮增压器安装在柴油机的进排气歧管上，处在发烫、高压和高速运转的作业情形下，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、零配件的组成尺寸和加工技术都要求很高。在涡轮增压器的新产品试制过程中，需要对涡轮增压器进行试验，以探讨涡轮增压器的各项性能。涡轮壳是涡轮增压器的详细零件之一，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，由于装配空间的限制和与其他部件连接的限制，使其外形构造复杂。因为柴油机排放气体温度很高，涡轮壳一般在700～800℃高温交变热负载下工作，而且随着柴油机启动、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，因此由于热应力致使的裂纹破坏是涡轮壳破坏的易见起因。在新产品的试制中必须对涡轮壳进行试验研究，解读涡轮壳组成中影响热裂痕发生的详细结构数据，以便对涡轮壳组成进行修改和调整，达到提升产品质量的意义。

      涡轮壳组成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，因此涡轮壳构成必须满足流道内流体的动力学性能。涡轮增压器涡壳内部构造如图3所示，该涡轮壳选用硅钼合金材料，其中碳质量分数为3.0%～3.4%，硅为3.75%～4.25%，钼为0.5%～0.7%。材料的发热强度、热疲劳性能和热冲击性能都较好。涡轮壳结构采用双进气流道构造。在新产品的试制步骤中，涡轮壳的多种构造数据中可以有不一样的选型。如进气流道分隔墙的厚度康明斯柴油发电机组官网、流道壁厚和内腔的舌形挡板厚度。涡轮壳的外部构造也有多种，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）选择圆弧过渡或直线过渡，V形圈边的组成形式是平面或凹槽等。涡轮壳的这些重要构成参数直接影响涡轮壳工作时的热应力分布，从而危害涡轮壳热裂纹的产生。

     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由不同而有所不同。例如，压力源变化导致的涡轮壳热裂痕，多呈多棱形；而温差造成的涡轮壳热裂痕，多呈类扇形状；腐蚀性引起的涡轮壳热裂纹，多为U字形或圆形开裂；结构弊端致使的涡轮壳热裂纹，多以不规则的角状开裂形式出现。

     涡轮增压器涡壳热裂纹影响比较严重，详细表现在以下几个方面：

      涡轮增压器涡壳热裂纹的产生缘由比较复杂，主要有以下几个方面：

（1）压力源变化。由于外界温度、压力等影响，涡轮增压器的工作状态不断变化，从而发生压力的变化，压力的改变会引起涡轮增压器涡壳的变形，导致涡轮壳热裂痕的产生；

（2）温度管理“非法”。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“非法”，将容易导致热裂纹的产生；

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

（4）内部构造的弊端。涡轮增压器的内部组成规划不当或材料性能较差，也有可能引起涡轮壳热裂痕的发生。

      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烟歧管上，试验环境和因素与涡轮壳实际工作时的状况尽量一致，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。试验选择其配套的柴油机，温度测定用热电偶检测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所示为从试验数据中提取的温度变化曲线。由于在涡轮壳流道的前后部分存在温度梯度，于是使用平均进气温度来模拟热循环温度。

      为观察涡轮壳热裂纹发生情况，每50小时关闭一次柴油机，将涡轮增压器拆下，对涡轮壳进行查验，对发生裂痕的地方进行仔细测定和标记。根据试验标准，涡轮壳试验符合以下3个要素则为合格产品：

（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，而且每个裂痕较大允许的裂痕长度不超过0.4mm。

      经过50小时的热循环试验后，在流道分隔墙上有4处裂痕，如图6所示。在1号裂纹处，流道分隔墙两面都有轻微的径向开裂，而且1号和2号裂纹都比预期的裂痕宽，1号裂痕有将近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处裂痕，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处裂纹继续扩展穿透到流道的外表面，并在舌形挡板处产生断裂。此时由于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痕的位置和大小进行了仔细的测量，100小时试验后检查的裂痕尺寸如表1所示。其中1，2，3和4号裂痕为50小时检修时裂纹的方位，100小时检修的裂纹方位仍处于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，而且随着柴油机作业循环，在启动、停止、待机等不一样的运转工况下其排放气体的温度也不一样，冷热交替变化的作业环境使得涡轮壳的某些局部发生热应力。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，减少局部应力，预防其热裂纹的产生。

      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纹。发生裂纹的条件较为复杂，但其具体要素是涡轮壳结构的局部尺寸和组成的不合理，使得局部强度不足。因此必须对涡轮壳构造进行修改和调整。

      因为结构涡轮壳构成的尺寸数据和构成数据较多，必须找出影响这些裂痕发生的主要组成参数。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发生柴油发电机厂家品牌，且100小时热循环试验后舌形挡板处产生断裂，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处的裂痕扩展到流道外表面，产生严重开裂，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用凸台和不设凸台也会危害流道壁的热应力分布情形，所以准确布置凸台也直接危害流道壁的热裂痕发生。根据涡轮壳以往的规划经验和热裂痕试验，发现涡轮壳结构的进气口截面和V形圈边的结构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数据中流道分隔墙、流道壁、舌形挡板的厚度和进气口截面、凸台、V形圈边的构造形式这6个参数为影响涡轮壳作业时热应力的具体数据。

      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探讨是必不可少的.涡轮壳的流道曲面形状和外形构造复杂，危害涡轮壳裂痕产生的缘由较多.本文通太热裂痕试验和以往的实际设计经验，以及有限元解述探求，确定了直接危害涡轮壳裂痕产生的详细构造参数为流道分隔墙、流道壁、舌形挡板的厚度和T-T截面、凸台、V形圈边的结构形式，必须对其进行正交优化调整。

图5  增压器进气口温度和时间变化曲线  增压器涡轮壳裂纹位置示意图

      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，从而提高康明斯发电机组的性能和燃料经济性。但是，涡轮增压器在使用流程中，由于工况复杂，易损生涡壳热裂痕，这是一种比较易见的异样现象，如果不及时发现并有效排除，将会严重危害涡轮增压器的正常使用，并造成较大的经济损失。为领悟决这一问题，本文装置地探讨和探求了涡轮增压器涡壳热裂痕的发生因由、特征、影响和检修方法，并针对该异常现状进行了试验探讨，以期为涡轮增压器的安全使用供应参考依据。----------------