某型涡轮增压器轴流涡轮疲劳寿命预测分析

刘演龙 钟佳宏 何晓燕

摘要：针对船用涡轮增压器在发动机实际工况下的疲劳失效模式，基于发动机的耐久试验任务剖面，分析了增压器在不同工况下运行时的涡轮转速的变化规律，计算了船用涡轮增压器涡轮疲劳危险部位的应力变化情况，其最大应力出现部位位于叶片根部，最大应力值为647MPa。利用线性Miner累计损伤法则，统计出涡轮增压器涡轮在发动机整个耐久试验任务剖面过程中的总损伤量为0.004，根据总损伤量和耐久试验总时长，推算出涡轮增压器涡轮的寿命为33334h;通过拉森-米勒参数法分析计算在工作状态下，涡轮的蠕变寿命为316227h，为后续涡轮可靠性分析提供理论参考。

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.

關键词：轴流涡轮;疲劳寿命;线性Miner累计损伤法则;拉森-米勒参数法

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

中图分类号：U464.135                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）07-0046-04

0  引言

涡轮增压器作为船用柴油机的重要组成部件，其可靠性在很大程度上影响着整个柴油机的可靠性。同时，由于增压器常在高速、高温、工况多变的苛刻条件下工作，可靠性受到严重的挑战。因此，对涡轮增压器可靠性进行深入研究，不仅对提高增压器本身的可靠性具有重要的意义，而且有助于提高增压器发动机的可靠性，降低增压器与发动机的维修成本。

涡轮盘与涡轮叶片作为涡轮增压器的核心部件，其性能好坏直接关系到增压器的性能。随着近年来科学技术的发展，涡轮的设计取得很大进步，但涡轮的疲劳破坏事故时有发生，涡轮的疲劳破坏问题成为影响增压器的可靠因数之一。

在增压器中，涡轮工作时受力极其复杂，主要包括离心力、气动载荷、热载荷。尤其在机器启停时高温蠕变、工况大幅变化产生较大的交变应力是增压器失效的主要模式之一。因此计算热应力引起的高温蠕变寿命分析、不同工况下低周疲劳寿命分析，是涡轮寿命预测中最关键的因数之一。

本文利用MSC.Nastran对某型涡轮增压器轴流涡轮在不同转速下的工况进行强度计算，通过柴油机耐久性试验工况、超速试验工况、增压器台位实验工况等计算增压器涡轮高周疲劳寿命，通过拉森-米勒参数法分析计算恒定工况下高温疲劳蠕变寿命，为涡轮增压器的轴流涡轮的设计、制造提供参考。

1  计算模型

1.1 涡轮模型

某型涡轮增压器的涡轮叶片与涡轮盘通过榫齿装配的形式连接。涡轮由39组涡轮叶片通过榫齿装配于涡轮盘上，其三维模型如图1所示，有限元模型如图2所示。

■

1.2  材料特性

某型增压器涡轮叶片材料为G-Ni110，其600℃的主要力学性能数据见表1。在600℃下的S-N曲线如图3所示。

2  载荷谱确定

载荷谱由耐久试验剖面和混频两大因数决定。根据耐久试验剖面可以计算出零部件各种载荷随时间的历程，进而获得关键零部件的应力随时间的历程即应力剖面。对应力剖面进行雨流计数，通过混频，即可得到应力谱。

柴油机耐久性试验剖面及压缩处理：典型柴油机的耐久性试验剖面是载荷谱的基础，耐久性试验剖面一般包括表2中的历程。

表2中各工况变换时间不超过1min，根据GB/T3254.2-94中柴油机耐久性试验时间，选取耐久试验为800h进行计算增压器涡轮疲劳计算。通过表2柴油机耐久试验可以折合增压器压气机的转速及运行时间，具体如表3所述。

3  计算结果及分析

3.1 应力计算

在增压器的使用过程中，工作叶片受的载荷是复杂多变的，没有可能也没有必要计算出叶片任意时刻所承受的载荷及其产生的应力场。对于涡轮叶片，所受载荷主要是离心力、温度应力，同时还承受气动力。而离心力的大小由增压器转速决定的，所以以增压器转速为主，根据实际情况，结合温度应力，气动力进行计算状态的确定。本文只考虑离心力与温度应力耦合作用下的疲劳计算。

某型渦轮增压器涡轮最大应力出现位置位于叶片根部，最大应力值为647MPa，应力云图如图4所示，各工况应力情况如表4所示。

3.2 疲劳计算

3.2.1 各典型剖面的雨流处理及任务混频

根据柴油机耐久性试验步骤，把不同转速对应的应力作为一个剖面经雨流处理后得到应力区间，根据试验步骤，每800h每个剖面循环80次，循环表如表5所示。

其中，对称应力循环谱计算公式为如下所示：

（1）

式中，应力幅σa、平均应力σφ及计算的对称循环应力σα*，σβ为材料的极限强度，见表1。根据材料手册中应力疲劳数据，采用线性插值法获得对称应力循环下的循环寿命Ni。

3.2.2 寿命计算方法、步骤

根据工况，计算出各损伤量Di后，采用线性累加原理计算累积损伤，见公式（2）。

D= （2）

损伤量计算出后，可按公式（2）计算总寿命：

（3）

式中T为一个循环时间。

增压器只考虑耐久性试验工况下的寿命，D=0.004，T=800，N=200000h。

上述计算中没有考虑载荷的分散性。事实上，载荷谱和材料的疲劳性都存在一定的分散性。在计算寿命中，寿命分散系数根据具体情况来确定，一般取4～6，为安全起见一般取6，那么总寿命N=（1/6D）*T增压器只考虑耐久性试验下寿命N=33334h。

3.2.3 其他工况下涡轮寿命分析

在上述计算增压器耐久性试验工况下寿命为N=33334h，通过分析可知，当应力循环值较大时对涡轮累积损伤较大，下面通过增压器出厂试验和超速试验对增压器损伤进行分析。

出厂试验条件为转速0启动到100%工况运行30分钟再停机，通过公式（1）可知增压器试车工况下的寿命，如表6所示。

通过表7可知试车一次涡轮损伤D=0，试车寿命N=1×107。

在增压器110%工况下，增压器3min寿命分析如表7所示。

通过表7可知110%工况下涡轮损伤D=0.000005，试车寿命N=167h，即循环次数Ni=3334次超速试验。

3.3 拉森-米勒蠕变寿命预测

涡轮在高温环境中工作，蠕变断裂是主要破坏形式之一，因此有关设计规范都规定高温机械设备必须依据材料的长久持续强度来进行设计，工程设计所要求的长期持久强度一般在10万至20万小时发生蠕变的断裂应力，这样的试验数据极难获得，目前我国军标GJB/Z18-91和发动机设计规范都推荐采用拉森-米勒（L-M）方程进行计算。L-M计算公式（4）如下：

持久公式寿命t计算公式：

（4）

其中：

t为L-M中寿命，单位h;

θ为涡轮表面温度，单位℃;

σ为涡轮应力大小，单位MPa。

边界条件：设涡轮工作温度700℃下，转速29145RPM下应力为534MPa，求得t=316227h，即涡轮连续工作316227h蠕变失效。

4  结论

①在柴油机耐久性试验工况下，涡轮疲劳寿命N=33334h。

②在增压器30min出厂试验中，涡轮不损伤。

③在涡轮110%工况下，涡轮寿命N=167h，循环次数为Ni=3334次。

④在工作状态下，蠕变寿命t=316227h。

⑤通过上述分析，当涡轮超过工作转速后容易引发疲劳破坏，700℃温度工作下，涡轮寿命很长。

正常工况下，涡轮的疲劳寿命大于指标需求的25000h，满足使用需要。

参考文献：

[1]任兆欣，苏铁熊，邢卫东，王正，邵萍，李静.高原环境下增压器压气机叶轮轮毂疲劳可靠性研究[J].车用发动机，2015（06）：55-58.

[2]王正，王增全，郭凯，门日秀，王良，武广红.增压器涡轮叶片振动分析及其可靠性评价方法研究[J].车用发动机，2012（04）：63-67.

[3]张宝剑，林少芬.基于威布尔的船用涡轮增压器叶片疲劳寿命可靠性分析[C].全国机械行业可靠性技术学术交流会暨可靠性工程分会全体委员会大会，2012.

[4]王正，王增全，郭凯，程江华.增压器涡轮轮毂疲劳可靠性分析与寿命预测方法[J].车用发动机，2012（03）：48-51.

[5]陈红.汽车涡轮增压器使用寿命探析[J].内燃机与配件，2012（03）：28-30.

[6]王正.增压器涡轮超速破坏失效模式可靠性评价模型[C].全国机械行业可靠性技术学术交流会暨可靠性工程分会全体委员会大会，2011.

[7]蒙肇斌，甄宝林，张继，王延庆.K18合金增压器涡轮叶片断裂故障分析[J].机械工程材料，2007（09）：73-75.

[8]黄若，孟令广，张虹.增压器压气机叶轮低周疲劳强度有限元计算分析[J].内燃机工程，2006（04）：55-57.

[9]吴军.基于有限元技术的增压器优化设计与分析[D].东南大学，2006.

[10]孟令广，黄若.涡轮增压器自循环低周疲劳试验装置[J].实验技术与管理，2005（08）：45-47.

[11]朱大鑫.涡轮增压器可靠性的研究[J].内燃机学报，1992（04）：309-316.