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CN104458236B - 一种增压器涡轮心部强度加速试验验证方法 - Google Patents

一种增压器涡轮心部强度加速试验验证方法 Download PDF

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CN104458236B CN201410765988.0A CN201410765988A CN104458236B CN 104458236 B CN104458236 B CN 104458236B CN 201410765988 A CN201410765988 A CN 201410765988A CN 104458236 B CN104458236 B CN 104458236B
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Abstract

本发明涉及一种增压器涡轮心部强度加速试验验证方法，首先确定增压器涡轮对应发动机任务剖面的工作状态参数变化历程，然后确定涡轮心部失效危险部位及其疲劳应力，通过设计涡轮心部强度模拟试验样件并进行疲劳性能测试确定涡轮心部疲劳强度与寿命关系，确定涡轮心部强度加速试验最高转速及对应的加速试验应力，编制涡轮心部强度台架加速试验剖面，接着确定涡轮心部强度加速验证试验剖面循环次数，最后在涡轮增压器试验台架上对涡轮心部强度进行加速试验验证。能够在试验台架上采用较短的试验时间实现对增压器涡轮心部强度的试验验证，可以显著提升试验效率、缩短试验时间、节约试验成本，为增压器涡轮可靠性评价与合理使用提供科学依据。

Description

一种增压器涡轮心部强度加速试验验证方法
技术领域
本发明属于增压器涡轮结构可靠性评价及其试验验证技术，具体涉及一种增压器涡轮心部强度加速试验验证方法。
背景技术
涡轮增压器是车用发动机实现功率密度提升和增强高原环境适应性的关键部件之一，涡轮作为涡轮增压器的核心零部件，其可靠性直接影响着涡轮增压器和整个发动机的可靠性与使用寿命。由于增压器涡轮的最大应力通常会出现在涡轮的心部，同时受铸造工艺的制约涡轮心部强度一般会低于其他部位，因此，涡轮心部是决定涡轮可靠性与寿命的关键部位之一。
车用涡轮增压器在随发动机在使用过程中，由于车用发动机运行工况的多变性，涡轮增压器的转速等工作状态参数在不断地发生变化，增压器转速的变化使涡轮心部承受着交变载荷的作用。涡轮心部在交变载荷的作用下会发生疲劳破坏，并导致涡轮飞散。增压器涡轮一旦发生疲劳飞散，不仅会使增压器和发动机无法工作，而且有可能引起增压器和发动机更大的损坏。因此，在涡轮增压器的研制过程中，十分有必要对涡轮的心部疲劳强度进行充分的理论分析与有效的试验验证。
虽然在试验台架上通过模拟涡轮增压器的任务剖面进行长时间的考核试验可以有效地验证增压器涡轮的心部强度，但是，由于增压器涡轮的设计寿命普遍都比较长，受试验时间、试验条件、试验成本等诸多因素的限制，这种在试验台架上按照涡轮增压器任务剖面对涡轮心部强度进行试验验证的方法，在工程实际中并不可行。
发明内容
本发明针对增压器涡轮的结构可靠性评价与试验验证问题，提供一种增压器涡轮心部强度加速试验验证方法。在确定涡轮工作状态参数变化历程、涡轮心部失效危险部位及其疲劳应力、涡轮心部疲劳强度与寿命关系的基础上，确定涡轮心部失效危险部位对应规定使用寿命的累积损伤量；根据增压器试验台能力与增压器安全运转的最高允许转速，确定涡轮心部强度加速试验应力，并进一步确定增压器涡轮心部强度台架加速试验剖面及其循环次数；然后，按照试验剖面及其循环次数在增压器台架上进行涡轮心部强度加速试验验证。
本发明技术方案：
一种增压器涡轮心部强度加速试验验证方法，其特征是包括以下步骤：
a、确定增压器涡轮对应发动机任务剖面的工作状态参数变化历程；
b、确定涡轮心部失效危险部位及其疲劳应力；
c、确定涡轮心部的疲劳强度与寿命关系；
d、确定涡轮心部失效危险部位对应规定使用寿命的累积损伤量；
e、确定涡轮的心部强度加速验证试验应力；
f、确定增压器涡轮心部强度台架加速试验剖面及其循环次数；
g、在涡轮增压器台架上进行涡轮心部强度加速试验验证。
一种增压器涡轮心部强度加速试验验证方法，其特征是包括以下步骤：
a、确定增压器涡轮对应发动机任务剖面的工作状态参数变化历程：结合发动机任务剖面，通过试验测试方法或根据涡轮增压器与发动机性能匹配关系运用仿真计算方法，确定出增压器涡轮对应发动机一次任务剖面循环的工作状态参数变化历程，包括涡轮的转速变化历程、进口温度变化历程、出口温度变化历程、进口压力变化历程、出口压力变化历程以及气体流量变化历程；
b、确定涡轮心部失效危险部位及其疲劳应力：根据步骤a所确定的增压器涡轮工作状态参数变化历程，利用有限元方法对涡轮进行应力分析，确定涡轮的心部失效危险部位以及对应发动机一次任务剖面循环时增压器涡轮心部失效危险部位的疲劳应力谱；
c、确定涡轮心部的疲劳强度与寿命关系：根据步骤b中确定的涡轮心部失效危险部位及其受力状态，确定涡轮心部强度模拟试验样件取样方法，心部强度模拟试验样件要包含涡轮心部的失效危险部位，沿涡轮径向进行取样，通过在疲劳试验机上按照脉动循环加载方式对涡轮心部强度模拟试验样件进行疲劳性能测试，确定出如式(1)所示的涡轮心部疲劳强度S与寿命N关系模型
N＝FS-N(S) (1)；
d、确定涡轮心部失效危险部位对应规定使用寿命的累积损伤量：根据涡轮增压器规定的使用寿命，确定出在规定寿命期内涡轮增压器所经历的任务剖面循环总次数，进一步，结合步骤b确定的涡轮心部失效危险部位的疲劳应力谱以及步骤c确定的涡轮心部疲劳强度与寿命关系模型，计算涡轮心部失效危险部位在规定使用寿命内的累积损伤量DT；
e、确定增压器涡轮的心部强度加速验证试验应力：根据涡轮增压器试验台能力与增压器在试验台架上能够安全运转的最高允许转速nmax，确定涡轮心部强度加速试验时增压器的最高试验转速nAT，最高试验转速nAT应大于涡轮增压器在发动机任务剖面下正常工作时的最高工作转速nN，但是不得超过增压器最高允许转速nmax，进一步通过应力分析确定出对应增压器最高试验转速nAT时的涡轮心部强度加速验证试验应力sAT；
f、确定增压器涡轮心部强度的加速验证试验剖面及其循环次数：按照步骤e确定的最高试验转速nAT和可以接受的试验时间，编制增压器涡轮心部强度台架加速试验剖面，试验剖面的一次试验循环为“最低稳定工作转速-最高试验转速nAT-最低稳定工作转速”，其中，增压器在最低稳定工作转速的运行时间为0.2-5分，在最高试验转速nAT的运行时间为0.2-5分；采用累积损伤等效的原则，根据步骤c确定的涡轮心部疲劳强度与寿命关系模型、步骤d确定的涡轮心部失效危险部位在规定使用寿命内的累积损伤量DT以及步骤e确定的涡轮心部强度加速验证试验应力SAT，运用式(2)确定涡轮心部强度加速验证试验剖面循环次数NAT，即
NAT＝DTFS-N(sAT) (2)；
g、在涡轮增压器台架上进行涡轮心部强度加速试验验证。按照步骤f确定的增压器涡轮心部强度台架加速试验剖面及其循环次数，在增压器试验台架上进行涡轮心部强度试验验证，试验过程中要控制增压器涡轮进口温度不得超过允许值，并对试验循环次数进行计数，当试验循环次数达到NAT后，对涡轮增压器进行降速停车，待增压器冷却后进行拆检，如涡轮完好无损，则可以确定增压器涡轮心部强度能够满足规定的使用要求。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
通过对增压器涡轮工作状态参数变化历程、涡轮心部失效危险部位及其疲劳应力、涡轮心部疲劳强度与寿命关系等进行分析，确定涡轮心部强度加速试验最高转速及对应的加速验证试验应力，编制增压器涡轮心部强度台架加速试验剖面，采用累积损伤等效原则确定涡轮心部强度加速验证试验剖面循环次数，根据确定的涡轮心部强度台架加速试验剖面及其循环次数，能够在涡轮增压器试验台架上采用较短的试验时间实现对涡轮心部强度的加速试验验证，可以显著提升增压器涡轮心部强度的试验验证效率，有效缩短试验时间，并降低试验成本，为增压器涡轮的可靠性评价与合理使用提供科学依据。
附图说明
图1是增压器涡轮心部强度加速试验验证方法流程。
具体实施方式
一种增压器涡轮心部强度加速试验验证方法，包括以下步骤：
a、确定增压器涡轮对应发动机任务剖面的工作状态参数变化历程：结合发动机任务剖面，通过试验测试方法或根据涡轮增压器与发动机性能匹配关系运用仿真计算方法，确定出增压器涡轮对应发动机一次任务剖面循环的工作状态参数变化历程，包括涡轮的转速变化历程、进口温度变化历程、出口温度变化历程、进口压力变化历程、出口压力变化历程以及气体流量变化历程；
b、确定涡轮心部失效危险部位及其疲劳应力：根据步骤a所确定的增压器涡轮工作状态参数变化历程，利用有限元方法对涡轮进行应力分析，确定涡轮的心部失效危险部位以及对应发动机一次任务剖面循环时增压器涡轮心部失效危险部位的疲劳应力谱；
c、确定涡轮心部的疲劳强度与寿命关系：根据步骤b中确定的涡轮心部失效危险部位及其受力状态，确定涡轮心部强度模拟试验样件取样方法，心部强度模拟试验样件要包含涡轮心部的失效危险部位，沿涡轮径向进行取样，通过在疲劳试验机上按照脉动循环加载方式对涡轮心部强度模拟试验样件进行疲劳性能测试，确定出如式(1)所示的涡轮心部疲劳强度S与寿命N关系模型
N＝FS-N(S) (1)；
例如，某车用增压器涡轮心部的失效危险部位位于轮毂中心，随机选取15个该增压器涡轮，沿径向并通过心部失效危险部位进行涡轮心部强度模拟试验样件取样；针对15个涡轮心部强度模拟试验样件，在疲劳试验机上按照脉动循环即循环比为0的加载方式进行了5个不同应力水平下的疲劳性能测试，根据疲劳性能试验结果，可以得到该增压器涡轮心部疲劳强度S与寿命N的关系模型为N＝exp(72.84-9.818ln S)；
d、确定涡轮心部失效危险部位对应规定使用寿命的累积损伤量：根据涡轮增压器规定的使用寿命，确定出在规定寿命期内涡轮增压器所经历的任务剖面循环总次数，进一步，结合步骤b确定的涡轮心部失效危险部位的疲劳应力谱以及步骤c确定的涡轮心部疲劳强度与寿命关系模型，计算涡轮心部失效危险部位在规定使用寿命内的累积损伤量DT；
e、确定增压器涡轮的心部强度加速验证试验应力：根据涡轮增压器试验台能力与增压器在试验台架上能够安全运转的最高允许转速nmax，确定涡轮心部强度加速试验时增压器的最高试验转速nAT，最高试验转速nAT应大于涡轮增压器在发动机任务剖面下正常工作时的最高工作转速nN，但是不得超过增压器最高允许转速nmax，进一步通过应力分析确定出对应增压器最高试验转速nAT时的涡轮心部强度加速试验应力sAT；
例如，某车用涡轮增压器在试验台架上能够安全运转的最高允许转速nmax为15万转/分，增压器在发动机任务剖面下正常工作时的最高工作转速nN为10万转/分，确定的涡轮心部强度加速试验时增压器最高试验转速nAT为13.5万转/分，进一步，通过应力分析确定出对应增压器最高试验转速nAT的涡轮心部强度加速试验应力sAT为765MPa；
f、确定增压器涡轮心部强度的加速验证试验剖面及其循环次数：按照步骤e确定的最高试验转速nAT和可以接受的试验时间，编制增压器涡轮心部强度台架加速试验剖面，试验剖面的一次试验循环为“最低稳定工作转速-最高试验转速nAT-最低稳定工作转速”，其中，增压器在最低稳定工作转速的运行时间为0.2-5分，在最高试验转速nAT的运行时间为0.2-5分；根据步骤c确定的涡轮心部疲劳强度与寿命关系模型、步骤d确定的涡轮心部失效危险部位在规定使用寿命内的累积损伤量DT以及步骤e确定的涡轮心部强度加速试验应力sAT，采用累积损伤等效的原则，运用式(2)确定涡轮心部强度加速验证试验剖面循环次数NAT，即
NAT＝DTFS-N(sAT) (2)；
例如，某型增压器涡轮的最高试验转速nAT为13.5万转/分，可以接受的试验时间为150小时以内，增压器在试验台架上的最低稳定工作转速为3万转/分，编制增压器涡轮心部强度台架加速试验剖面的一次试验循环为“3万转/分-13.5万转/分-3万转/分”，其中，增压器在3万转/分工况下运行时间为1.5分，在13.5万转/分工况下运行时间为1分。增压器涡轮心部失效危险部位在规定使用寿命内的累积损伤量DT为0.85，涡轮心部疲劳强度S与寿命N关系为N＝exp(72.84-9.818ln S)，涡轮心部强度加速试验应力sAT为765MPa，运用式(2)可以计算得到涡轮心部强度加速验证试验剖面循环次数NAT为1785次；
g、在涡轮增压器台架上进行涡轮心部强度加速试验验证。按照步骤f确定的增压器涡轮心部强度台架加速试验剖面及其循环次数，在增压器试验台架上进行涡轮心部强度试验验证，试验过程中要控制增压器涡轮进口温度不得超过允许值，并对试验循环次数进行计数，当试验循环次数达到NAT后，对涡轮增压器进行降速停车，待增压器冷却后进行拆检，如涡轮完好无损，则说明增压器涡轮心部强度能够满足规定的使用要求。

Claims (1)

1.一种增压器涡轮心部强度加速试验验证方法，包括以下步骤：
a、确定增压器涡轮对应发动机任务剖面的工作状态参数变化历程；
b、确定涡轮心部失效危险部位及其疲劳应力；
c、确定涡轮心部的疲劳强度与寿命关系；
d、确定涡轮心部失效危险部位对应规定使用寿命的累积损伤量；
e、确定涡轮的心部强度加速验证试验应力；
f、确定增压器涡轮心部强度台架加速试验剖面及其循环次数；
g、在涡轮增压器台架上进行涡轮心部强度加速试验验证，
其中：
在步骤a中，结合发动机任务剖面，通过试验测试方法或根据涡轮增压器与发动机性能匹配关系运用仿真计算方法，确定出增压器涡轮对应发动机一次任务剖面循环的工作状态参数变化历程，包括涡轮的转速变化历程、进口温度变化历程、出口温度变化历程、进口压力变化历程、出口压力变化历程以及气体流量变化历程；
在步骤b中，利用有限元方法对涡轮进行应力分析，确定涡轮的心部失效危险部位以及对应发动机一次任务剖面循环时增压器涡轮心部失效危险部位的疲劳应力谱；在步骤c中，根据涡轮心部失效危险部位及其受力状态，确定涡轮心部强度模拟试验样件取样方法，心部强度模拟试验样件要包含涡轮心部的失效危险部位，沿涡轮径向进行取样，通过在疲劳试验机上按照脉动循环加载方式对涡轮心部强度模拟试验样件进行疲劳性能测试，确定出如式(1)所示的涡轮心部疲劳强度S与寿命N关系模型：
N＝FS-N(S) (1)；
在步骤c中，涡轮心部强度模拟试验样件在疲劳试验机上按照脉动循环加载方式对其进行疲劳性能测试；
在步骤d中，根据涡轮增压器规定的使用寿命，确定出在规定寿命期内涡轮增压器所经历的任务剖面循环总次数，并结合步骤b确定的涡轮心部失效危险部位的疲劳应力谱以及步骤c确定的涡轮心部疲劳强度与寿命关系模型，计算涡轮心部失效危险部位在规定使用寿命内的累积损伤量DT；
在步骤e中，根据涡轮增压器试验台能力与增压器在试验台架上能够安全运转的最高允许转速nmax，确定涡轮心部强度加速试验时增压器的最高试验转速nAT，最高试验转速nAT不得超过增压器的最高允许转速nmax，通过应力分析确定出对应增压器最高试验转速nAT时的涡轮心部强度加速验证试验应力sAT；
在步骤f中，按照步骤e确定的最高试验转速nAT和可以接受的试验时间，编制增压器涡轮心部强度台架加速试验剖面，试验剖面的一次试验循环为“最低稳定工作转速-最高试验转速nAT-最低稳定工作转速”，其中，增压器在最低稳定工作转速的运行时间为0.2-5分，在最高试验转速nAT的运行时间为0.2-5分；
其特征是：在步骤f中，采用累积损伤等效的原则，根据步骤c确定的涡轮心部疲劳强度与寿命关系模型、步骤d确定的涡轮心部失效危险部位在规定使用寿命内的累积损伤量DT以及步骤e确定的涡轮心部强度加速验证试验应力sAT，运用式(2)确定涡轮心部强度加速验证试验剖面循环次数NAT，即
NAT＝DTFS-N(sAT) (2)。
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