渦輪增壓器水冷中間殼回熱改善試驗研究

李偉

摘要：為改善渦輪增壓器渦端密封環和渦端浮動軸承的溫度，中間殼增加水腔，渦輪增加隔熱空腔結構，進行不通水、穩定運行通水，熱停機立即停止通水、穩定運行通水，熱停機繼續通水3個方案的回熱試驗。穩定運行通水，熱停機立即停止通水，渦端密封環、渦端浮動軸承穩定運行溫度分別為216℃、104℃，比不通水降低51℃、38℃;最高回熱溫度分別為286.4℃、205.1℃，比不通水降低52.6℃、10.5℃。穩定運行通水，熱停機繼續通水，渦端密封環回熱溫度在熱停機后50s從216.6℃急劇降低到130.8℃，渦端浮動軸承呈近似線性降低。中間殼增加水腔和渦輪增加隔熱空腔是改善溫度的有效措施。

關鍵詞：渦輪增壓器;水冷中間殼;渦輪隔熱空腔;回熱試驗;渦端密封環;渦端浮動軸承

0? 引言

天然氣發動機渦前溫度普遍高于740℃。現代渦輪增壓器（簡稱增壓器）小型化及結構排布使得渦端密封環和渦端浮動軸承距離高溫區域近，溫度高、溫差大是實際運行環境的典型特點[1][2]。渦前溫度是影響渦端密封環和軸承系統運行溫度的主要因素[3]，渦前溫度高導致渦端密封環產生嚴重變形。隨著發動機動力性提升，增壓器轉速不斷提升，軸承系統摩擦損失增大，軸承系統及潤滑油溫度呈增加趨勢。綜合使得渦端密封環和渦端浮動軸承成為影響天然氣發動機用增壓器可靠性及壽命的關鍵零部件。發動機正常使用過程中偶爾出現的熱停機導致中間殼溫度在短時間內迅速升高，區別正常運行時的熱傳遞，將熱停機情況下的急劇熱傳遞稱為回熱。回熱導致中間殼溫度在短時間內急劇升高，存在潤滑油超過溫度限值而結焦，渦端密封環超過溫度限值而失去彈性的風險，增壓器可靠性面臨嚴峻挑戰。增壓器軸承系統在很大轉速范圍內承受明顯軸向和徑向熱梯度，穩定性很大程度上受到中間殼內孔熱變形以及周圍油膜溫度的影響。通過優化中間殼水腔結構或浮動軸承設計等可以明顯改善降低渦端密封環及浮動軸承的回熱溫度。Luis San Andrés等[4]研究發現增壓器軸承系統在很大轉速范圍內承受明顯軸向和徑向熱梯度，對軸承系統熱管理至關重要。Mikogami T 等[5]進行增壓器回熱試驗仿真分析，新設計優化方案，渦端浮動軸承部位溫度降低20℃，渦端密封環部位溫度降低60℃。國內對天然氣發動機用增壓器回熱試驗和渦輪焊接位置增加隔熱空腔研究不充分，對熱停機后停止通水和繼續通水的回熱試驗研究較少，本文針對某四缸天然氣發動機用渦輪增壓器的中間殼增加水腔結構，渦輪增加隔熱空腔結構，進行熱停機后停止通水和繼續通水的回熱試驗研究，為改善回熱溫度提供數據支持。

1? 增壓器改善方案說明

某四缸天然氣發動機用增壓器葉輪進/出口直徑分別為？渦輪進/出口直徑分別為？準41mm/？準34mm，渦輪轉子浮動軸承配合直徑為？

如圖1（b）所示，為改善渦端密封環及軸承系統溫度，中間殼增加水腔結構，通過水循環重點降低渦端密封環及渦端浮動軸承溫度。中間殼進水和出水口對稱設計，尺寸均為M14×1.5，水腔體積為16983.52mm3。如圖1（a）所示，渦輪軸和渦輪焊接在一起，普通增壓器渦輪軸和渦輪焊接位置都是實心結構，為減少渦輪向轉子軸的熱傳遞，渦輪焊接位置增加隔熱空腔結構，隔熱空腔直徑為10.5mm，體積為125.61mm3。

2? 試驗方法

2.1 樣件準備

如圖1（b）所示，選擇渦端密封環（測點1）、壓端浮動軸承（測點2）和渦端浮動軸承（測點3）3個典型位置進行溫度場測試研究。測量孔直徑2mm，測量孔不能穿透壁面，底部距離壁面0.1～0.3mm。確保測量孔不會對增壓器密封性能和結構等造成破壞。

2.2 測試方法

增壓器回熱試驗在機械工業內燃機增壓系統重點試驗室進行。增壓器先在50000r/min穩定運行30分鐘，然后緩慢運行到如下工況：增壓器轉速190000r/min，渦前溫度750℃，渦前壓力141kPa，潤滑油進油溫度75℃，潤滑油壓力350kPa，增壓溫度140℃，增壓壓力114kPa，排氣背壓10kPa，穩定運轉30分鐘后記錄3個測點10分鐘內穩定運行溫度。然后熱停機，記錄3個測點10分鐘內回熱溫度。采用自動采集系統每10s記錄1組試驗數據。采用同1臺增壓器進行3種測試方案試驗：方案1水腔內沒有水，試驗過程不通水;方案2穩定運行時通水，熱停機時立即停止通水;方案3穩定運行通水，熱停機后繼續通水。方案2和3通水時控制進水溫度72℃，進水壓力100kPa，進水體積流量5.85L/min。增壓器轉速采用電渦流轉速測試儀，精度0.01%;渦前壓力、增壓壓力、排氣背壓、進水壓力采用壓力變送器，精度0.3%FS;潤滑油進油溫度、增壓溫度、回熱溫度、進水溫度采用PT100溫度傳感器，精度A級Grade。

3? 試驗結果及分析

方案1試驗過程不通水，測點1、3、2穩定運行溫度分別為263.7～270.5℃、141.8～143℃、109.4～110.8℃，渦端密封環分別比渦端和壓端浮動軸承高127℃、160℃左右，渦端密封環穩定運行溫度最高達到270.5℃，接近潤滑油溫度使用限值280℃。最高回熱溫度分別為339℃、215.6℃、213.6℃，達到最高回熱溫度的時間分別為160s、240s、270s。渦端密封環339℃的最高回熱溫度雖低于400℃的密封環材料溫度限值，但已高于280℃的潤滑油溫度限值，且回熱溫度大于280℃的時間為370s，高溫時間較長，容易在密封環位置產生大量積碳，導致異常磨損。方案2運行時通水，熱停機后立即停止通水，測點1、3、2穩定運行溫度依次為211.3～218.3℃、96～111.1℃、94.1～99.8℃，最高回熱溫度依次為286.4℃、205.1℃、191.2℃。達到最高回熱溫度的時間分別為160s、300s、330s。方案3運行時通水，熱停機后繼續通水，各測點穩定運行溫度與方案2基本一致。但從熱停機開始，3個測點的溫度均是逐步降低。

方案2和3穩定運行時均通水，測點1、3、2穩定運行溫度分別比方案1降低51℃、38℃、13℃左右，溫度改善最明顯的是渦端密封環和渦端浮動軸承。通水后測點1、3分別為215℃和103℃左右，明顯低于潤滑油使用溫度限值280℃。方案1穩定運行溫度渦端浮動軸承比壓端高32℃左右，通水后溫度差值減小到5℃左右，溫度均勻性改善明顯，改善了中間殼內孔熱變形。

方案1和2的3個測點的回熱溫度曲線形態類似，都是先上升后下降。方案2熱停機后立即停止通水，但水腔中殘存的水可以繼續吸收渦端熱量，使得測點1、3、2最高回熱溫度分別比方案1降低52.6℃、10.5℃、22.4℃。達到最高回熱溫度的時間除測點1相同外，其余2個測點均增加60s。渦端密封環回熱溫度大于280℃時間減少到50s，比方案1減少320s。綜合使得方案2熱負荷明顯優于方案1。方案3在熱停機后繼續通水，3個測點回熱溫度均隨時間下降，曲線形態與方案1和2有明顯差異。方案3在測點1回熱溫度在熱停機后50s從216.6℃急劇降低到130.8℃，然后再繼續緩慢近似線性降低。測點3、2從熱停機開始近似呈線性降低。熱停機后160s時，方案3比方案1、2相比，測點1分別降低226.2℃、173.6℃，測點3分別降低135.6℃、98℃。

4? 總結及結論

為降低某四缸天然氣發動機用渦輪增壓器渦端密封環和浮動軸承溫度，增壓器中間殼增加水腔，渦輪增加隔熱空腔結構，進行水腔不通水、穩定運行通水，熱停機立即停止通水和穩定運行通水，熱停機繼續通水3個測試方案190000r/min回熱試驗測試分析。

①不通水情況下，渦端密封環穩定運行最高溫度270.5℃，接近潤滑油使用限值280℃，熱停機時最高回熱溫度達到339℃，超過潤滑油使用限值280℃，溫度大于280℃的時間為370s，容易產生大量積碳及異常磨損。

②穩定運行通水，熱停機后立即停止通水，渦端密封環、渦端浮動軸承穩定運行溫度分別為211.3～218.3℃，96～111.1℃，最高回熱溫度分別為286.4℃、205.1℃。穩定運行溫度比不通水分別降低51℃、38℃左右，最高回熱溫度分別降低52.6℃、10.5℃。

③穩定運行通水，熱停機后繼續通水，從熱停機開始，渦端密封環回熱溫度在熱停機后50s從216.6℃急劇降低到130.8℃，然后再繼續緩慢近似線性降低。渦端浮動軸承從熱停機開始近似呈線性降低。該方案是3個方案中改善效果最好的，但需水泵在停機后繼續工作一段時間。

④中間殼增加水腔和渦輪增加隔熱空腔結構能夠有效降低渦端密封環和渦端浮動軸承穩定運行及回熱溫度。

參考文獻：

[1]田生，楊國旗，楊迪，等.水冷軸承體的溫度場分布[J].現代零部件，2013（01）：79-80.

[2]吳新濤，何洪，徐思友，等.渦輪增壓器軸承體傳熱計算方法研究[J].車用發動機，2010（001）：11-14.

[3]徐思友，吳新濤，閆瑞乾，等.增壓器軸承和密封環溫度試驗研究[J].車用發動機，2010（002）：35-37.

[4]Luis San Andrés， Vince Barbarie， Avijit Bhattacharya. On the Effect of Thermal Energy Transport to the Performance of （Semi）Floating Ring Bearing Systems for Automotive Turbochargers[C]// Asme Turbo Expo： Turbine Technical Conference & Exposition. 2012.

[5]Mikogami T ， Takeishi K ， Akimoto T . Computer Analysis of? Turbocharger Heat Soak Back Properties[C]// SAE International Congress and Exposition. 1985.