某型渦輪增壓器軸流渦輪疲勞壽命預測分析

劉演龍 鐘佳宏 何曉燕

摘要：針對船用渦輪增壓器在發動機實際工況下的疲勞失效模式，基于發動機的耐久試驗任務剖面，分析了增壓器在不同工況下運行時的渦輪轉速的變化規律，計算了船用渦輪增壓器渦輪疲勞危險部位的應力變化情況，其最大應力出現部位位于葉片根部，最大應力值為647MPa。利用線性Miner累計損傷法則，統計出渦輪增壓器渦輪在發動機整個耐久試驗任務剖面過程中的總損傷量為0.004，根據總損傷量和耐久試驗總時長，推算出渦輪增壓器渦輪的壽命為33334h;通過拉森-米勒參數法分析計算在工作狀態下，渦輪的蠕變壽命為316227h，為后續渦輪可靠性分析提供理論參考。

Abstract： According to the fatigue of marine turbocharger in actual working condition of the engine under the failure mode， durability test mission profile engine based on analysis of the rotational speed of the turbocharger under different working conditions of the marine turbochargers turbine fatigue dangerous parts of the stress calculation， the maximum stress position located at the blade root， the maximum stress value is 647MPa. By using the linear Miner cumulative damage law， the total damage of turbocharger turbine during the whole endurance test task is calculated to be 0.004. Combined with the existing material mechanics performance， the leaves of dispersion coefficient is 6， calculate the corresponding number of cycles 400 times， according to the total amount of damage and durability test of the total length， calculate the turbocharger turbine for the life of 33334h，and the creep life of the turbine is 316227h under working conditions by the Larsen-Miller parameter method， which provides a theoretical reference for subsequent turbine reliability analysis.

關鍵詞：軸流渦輪;疲勞壽命;線性Miner累計損傷法則;拉森-米勒參數法

Key words： axials turbine;fastigue life;linear Miner cumulative damage law;the larsen-miller parameter method

中圖分類號：U464.135 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0046-04

0 ?引言

渦輪增壓器作為船用柴油機的重要組成部件，其可靠性在很大程度上影響著整個柴油機的可靠性。同時，由于增壓器常在高速、高溫、工況多變的苛刻條件下工作，可靠性受到嚴重的挑戰。因此，對渦輪增壓器可靠性進行深入研究，不僅對提高增壓器本身的可靠性具有重要的意義，而且有助于提高增壓器發動機的可靠性，降低增壓器與發動機的維修成本。

渦輪盤與渦輪葉片作為渦輪增壓器的核心部件，其性能好壞直接關系到增壓器的性能。隨著近年來科學技術的發展，渦輪的設計取得很大進步，但渦輪的疲勞破壞事故時有發生，渦輪的疲勞破壞問題成為影響增壓器的可靠因數之一。

在增壓器中，渦輪工作時受力極其復雜，主要包括離心力、氣動載荷、熱載荷。尤其在機器啟停時高溫蠕變、工況大幅變化產生較大的交變應力是增壓器失效的主要模式之一。因此計算熱應力引起的高溫蠕變壽命分析、不同工況下低周疲勞壽命分析，是渦輪壽命預測中最關鍵的因數之一。

本文利用MSC.Nastran對某型渦輪增壓器軸流渦輪在不同轉速下的工況進行強度計算，通過柴油機耐久性試驗工況、超速試驗工況、增壓器臺位實驗工況等計算增壓器渦輪高周疲勞壽命，通過拉森-米勒參數法分析計算恒定工況下高溫疲勞蠕變壽命，為渦輪增壓器的軸流渦輪的設計、制造提供參考。

1 ?計算模型

1.1 渦輪模型

某型渦輪增壓器的渦輪葉片與渦輪盤通過榫齒裝配的形式連接。渦輪由39組渦輪葉片通過榫齒裝配于渦輪盤上，其三維模型如圖1所示，有限元模型如圖2所示。

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1.2 ?材料特性

某型增壓器渦輪葉片材料為G-Ni110，其600℃的主要力學性能數據見表1。在600℃下的S-N曲線如圖3所示。

2 ?載荷譜確定

載荷譜由耐久試驗剖面和混頻兩大因數決定。根據耐久試驗剖面可以計算出零部件各種載荷隨時間的歷程，進而獲得關鍵零部件的應力隨時間的歷程即應力剖面。對應力剖面進行雨流計數，通過混頻，即可得到應力譜。

柴油機耐久性試驗剖面及壓縮處理：典型柴油機的耐久性試驗剖面是載荷譜的基礎，耐久性試驗剖面一般包括表2中的歷程。

表2中各工況變換時間不超過1min，根據GB/T3254.2-94中柴油機耐久性試驗時間，選取耐久試驗為800h進行計算增壓器渦輪疲勞計算。通過表2柴油機耐久試驗可以折合增壓器壓氣機的轉速及運行時間，具體如表3所述。

3 ?計算結果及分析

3.1 應力計算

在增壓器的使用過程中，工作葉片受的載荷是復雜多變的，沒有可能也沒有必要計算出葉片任意時刻所承受的載荷及其產生的應力場。對于渦輪葉片，所受載荷主要是離心力、溫度應力，同時還承受氣動力。而離心力的大小由增壓器轉速決定的，所以以增壓器轉速為主，根據實際情況，結合溫度應力，氣動力進行計算狀態的確定。本文只考慮離心力與溫度應力耦合作用下的疲勞計算。

某型渦輪增壓器渦輪最大應力出現位置位于葉片根部，最大應力值為647MPa，應力云圖如圖4所示，各工況應力情況如表4所示。

3.2 疲勞計算

3.2.1 各典型剖面的雨流處理及任務混頻

根據柴油機耐久性試驗步驟，把不同轉速對應的應力作為一個剖面經雨流處理后得到應力區間，根據試驗步驟，每800h每個剖面循環80次，循環表如表5所示。

其中，對稱應力循環譜計算公式為如下所示：

（1）

式中，應力幅σa、平均應力σφ及計算的對稱循環應力σα*，σβ為材料的極限強度，見表1。根據材料手冊中應力疲勞數據，采用線性插值法獲得對稱應力循環下的循環壽命Ni。

3.2.2 壽命計算方法、步驟

根據工況，計算出各損傷量Di后，采用線性累加原理計算累積損傷，見公式（2）。

D=?（2）

損傷量計算出后，可按公式（2）計算總壽命：

（3）

式中T為一個循環時間。

增壓器只考慮耐久性試驗工況下的壽命，D=0.004，T=800，N=200000h。

上述計算中沒有考慮載荷的分散性。事實上，載荷譜和材料的疲勞性都存在一定的分散性。在計算壽命中，壽命分散系數根據具體情況來確定，一般取4～6，為安全起見一般取6，那么總壽命N=（1/6D）*T增壓器只考慮耐久性試驗下壽命N=33334h。

3.2.3 其他工況下渦輪壽命分析

在上述計算增壓器耐久性試驗工況下壽命為N=33334h，通過分析可知，當應力循環值較大時對渦輪累積損傷較大，下面通過增壓器出廠試驗和超速試驗對增壓器損傷進行分析。

出廠試驗條件為轉速0啟動到100%工況運行30分鐘再停機，通過公式（1）可知增壓器試車工況下的壽命，如表6所示。

通過表7可知試車一次渦輪損傷D=0，試車壽命N=1×107。

在增壓器110%工況下，增壓器3min壽命分析如表7所示。

通過表7可知110%工況下渦輪損傷D=0.000005，試車壽命N=167h，即循環次數Ni=3334次超速試驗。

3.3 拉森-米勒蠕變壽命預測

渦輪在高溫環境中工作，蠕變斷裂是主要破壞形式之一，因此有關設計規范都規定高溫機械設備必須依據材料的長久持續強度來進行設計，工程設計所要求的長期持久強度一般在10萬至20萬小時發生蠕變的斷裂應力，這樣的試驗數據極難獲得，目前我國軍標GJB/Z18-91和發動機設計規范都推薦采用拉森-米勒（L-M）方程進行計算。L-M計算公式（4）如下：

持久公式壽命t計算公式：

（4）

其中：

t為L-M中壽命，單位h;

θ為渦輪表面溫度，單位℃;

σ為渦輪應力大小，單位MPa。

邊界條件：設渦輪工作溫度700℃下，轉速29145RPM下應力為534MPa，求得t=316227h，即渦輪連續工作316227h蠕變失效。

4 ?結論

①在柴油機耐久性試驗工況下，渦輪疲勞壽命N=33334h。

②在增壓器30min出廠試驗中，渦輪不損傷。

③在渦輪110%工況下，渦輪壽命N=167h，循環次數為Ni=3334次。

④在工作狀態下，蠕變壽命t=316227h。

⑤通過上述分析，當渦輪超過工作轉速后容易引發疲勞破壞，700℃溫度工作下，渦輪壽命很長。

正常工況下，渦輪的疲勞壽命大于指標需求的25000h，滿足使用需要。

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