CN106815396B - 车用径流式增压器涡轮叶片叶根疲劳蠕变寿命预测方法 - Google Patents

车用径流式增压器涡轮叶片叶根疲劳蠕变寿命预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及车用径流式增压器涡轮叶片叶根疲劳蠕变寿命预测方法，首先确定增压器涡轮所匹配车用发动机的工作状态参数及其统计特征，其次确定增压器涡轮的工作状态参数及其统计特征，然后确定增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的应力与温度参数；同时，确定增压器涡轮叶片叶根的疲劳性能参数与持久性能参数，在此基础上确定增压器涡轮叶片叶根的疲劳蠕变寿命。本发明能够在车用增压器涡轮的研制阶段或使用过程中，科学地确定出增压器涡轮叶片叶根的疲劳蠕变寿命，可用于车用径流式增压器涡轮叶片的可靠性分析与寿命评价，指导增压器涡轮叶轮的结构优化设计与合理使用，进而保证车用涡轮增压器在工作过程中的可靠性与安全性。

Description

车用径流式增压器涡轮叶片叶根疲劳蠕变寿命预测方法
技术领域
本发明属于车用增压器涡轮结构可靠性与寿命评价方法，具体涉及车用径流式增压器涡轮叶片叶根疲劳蠕变寿命预测方法。
背景技术
GJB451A-2005《可靠性维修性保障性术语》对任务剖面这一概念进行了描述：产品在完成规定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序描述。
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。涡轮叶轮是涡轮增压器的核心零部件之一，其可靠性与寿命直接影响着涡轮增压器或增压系统的可靠性。增压器的涡轮叶轮不仅要具有良好的气动性能，能够高效地将发动机的废气能量转化为机械功，而且要求具有足够的使用寿命和可靠性，满足涡轮增压器的使用要求。
车用涡轮增压器工作时高温燃气流经涡轮叶片并推动涡轮旋转做功，在此过程中涡轮叶片上承受着热载荷、气动载荷和离心载荷的作用。由于车用发动机运行工况的多变性，增压器涡轮叶片工作时承受的离心载荷、热载荷和气动载荷随发动机运行工况的改变在不断发生变化。根据车用径流式增压器涡轮叶片所承受的载荷与应力特征可知，由疲劳与蠕变交互作用所引起的涡轮叶片叶根断裂是车用增压器涡轮叶片的潜在失效模式之一。
增压器涡轮在工作过程中一旦发生叶片叶根断裂，不仅会引起涡轮增压器的损坏，使发动机无法正常工作，而且断裂的叶片还有可能击穿涡轮箱引起发动机或车辆其他部件的损坏。因此，在车用涡轮增压器研制过程中，针对由疲劳与蠕变交互作用所引起的涡轮叶片叶根断裂失效模式，对增压器涡轮叶片叶根的疲劳蠕变寿命进行科学评价，不仅能及时发现涡轮结构上存在的不足，有效指导增压器涡轮的优化设计；而且能够指导涡轮增压器的使用，合理确定增压器涡轮的工作寿命，充分保证涡轮增压器的可靠性与安全性。
发明内容
本发明针对车用增压器涡轮的结构与失效特点，提供车用径流式增压器涡轮叶片叶根疲劳蠕变寿命预测方法。能够在车用增压器涡轮研制或使用过程中，根据增压器涡轮所匹配发动机安装车辆的任务剖面，在确定增压器涡轮所匹配发动机的工作状态参数及其统计特征、增压器涡轮的工作状态参数及其统计特征、增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的应力与温度参数以及增压器涡轮叶片叶根疲劳性能参数与持久性能参数的基础上，确定出以发动机工作时间为寿命度量指标时增压器涡轮叶片叶根的疲劳蠕变寿命。
本发明技术方案：车用径流式增压器涡轮叶片叶根疲劳蠕变寿命预测方法，其特征是包括以下步骤：
a、确定增压器涡轮所匹配车用发动机的工作状态参数及其统计特征；
b、确定增压器涡轮的工作状态参数及其统计特征；
c、确定增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的应力与温度参数；
d、确定增压器涡轮叶片叶根的疲劳性能参数；
e、确定增压器涡轮叶片叶根的持久性能参数；
f、确定增压器涡轮叶片叶根的疲劳蠕变寿命。
车用径流式增压器涡轮叶片叶根疲劳蠕变寿命预测方法，其特征是包括以下步骤：
a、确定增压器涡轮所匹配车用发动机的工作状态参数及其统计特征：结合增压器涡轮所匹配车用发动机安装车辆的任务剖面，运用仿真计算方法或通过试验测试，分别确定出发动机输出扭矩、转速和功率随发动机工作时间的变化历程，进一步，采用统计分析的方法，分别确定出发动机输出扭矩、转速、功率的概率分布模型，同时，确定出车辆“起动-行驶-停车”工作循环次数随发动机工作时间的变化规律，用参数为λ的泊松随机过程描述车辆“起动-行驶-停车”工作循环次数随发动机工作时间的变化规律；
b、确定增压器涡轮的工作状态参数及其统计特征：针对步骤a确定的增压器涡轮所匹配车用发动机的工作状态参数及其概率特征，根据涡轮增压器与发动机性能匹配关系，利用仿真计算方法或通过试验测试，确定出在车辆一次“起动-行驶-停车”工作循环过程中增压器涡轮的最高工作转速概率分布模型，确定出发动机运行单位小时内增压器涡轮工作转速的概率分布模型，确定出发动机运行单位小时内增压器涡轮的进口气体平均温度与出口气体平均温度；
c、确定增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的应力与温度参数：根据步骤b确定的增压器涡轮的工作状态参数及其统计特征，利用有限元计算方法，确定出对应车辆一次“起动-行驶-停车”工作循环增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的最大应力sw的概率密度函数fs-w(sw)，确定出发动机运行单位小时内增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的应力st的概率密度函数fs-t(st)，确定出发动机运行单位小时内增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的温度平均值Tm；
d、确定增压器涡轮叶片叶根的疲劳性能参数：根据增压器涡轮材料的疲劳性能参数，确定出如式(1)所示的增压器涡轮叶片叶根疲劳寿命NF与应力s之间的函数关系，或者是，通过对增压器涡轮叶片叶根强度模拟试样进行疲劳性能测试确定出如式(1)所示的增压器涡轮叶片叶根疲劳寿命NF与应力s之间的函数关系；
NF＝FF(s) (1)
e、确定增压器涡轮叶片叶根的持久性能参数：根据增压器涡轮材料的持久性能参数，确定出如式(2)所示的增压器涡轮叶片叶根持久寿命tC同温度T和应力s之间的函数关系，或者是，通过对增压器涡轮叶片叶根强度模拟试样进行持久性能测试确定出如式(2)所示的增压器涡轮叶片叶根持久寿命tC同温度T和应力s之间的函数关系；
tC＝FC(T,s) (2)
f、确定增压器涡轮叶片叶根的疲劳蠕变寿命：将步骤a确定的车辆“起动-行驶-停车”工作循环次数随发动机工作时间的变化规律参数λ、步骤c确定的对应车辆一次“起动-行驶-停车”工作循环增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的最大应力sw的概率密度函数fs-w(sw)与发动机运行单位小时内增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的应力st的概率密度函数fs-t(st)以及发动机运行单位小时内增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的温度平均值Tm、步骤d确定的增压器涡轮叶片叶根疲劳寿命与应力之间的函数关系和步骤e确定的增压器涡轮叶片叶根持久寿命同温度和应力之间的函数关系，代入式(3)，即
Figure GDA0001232456930000041
确定出以车用发动机工作时间为寿命度量指标时增压器涡轮叶片叶根的疲劳蠕变寿命t。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：能够结合增压器涡轮所匹配车用发动机安装车辆的任务剖面，通过确定出发动机输出扭矩、转速、功率的概率分布模型以及车辆“起动-行驶-停车”工作循环次数随发动机工作时间的变化规律参数，确定出增压器涡轮的工作状态参数及其统计特征，利用有限元方法确定出增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的应力与温度参数，进一步根据增压器涡轮叶片叶根的疲劳性能参数与持久性能参数，确定出增压器涡轮叶片叶根的疲劳蠕变寿命。以车用发动机工作时间作为增压器涡轮叶片叶根的疲劳蠕变寿命度量指标，能够直观地反映增压器涡轮叶片的可靠性与耐久性水平。本发明体现了车用增压器涡轮的结构与失效特点，能够用于车用径流式增压器涡轮叶片的可靠性分析与寿命评价，不仅可以有效地指导增压器涡轮叶轮的结构优化设计，而且能够用于指导涡轮增压器使用寿命的评定，进而保证涡轮增压器在工作过程中的可靠性与安全性。
附图说明
图1是车用径流式增压器涡轮叶片叶根疲劳蠕变寿命预测方法流程。
具体实施方式
车用径流式增压器涡轮叶片叶根疲劳蠕变寿命预测方法，其特征是包括以下步骤：
a、确定增压器涡轮所匹配车用发动机的工作状态参数及其统计特征：结合增压器涡轮所匹配车用发动机安装车辆的任务剖面，运用仿真计算方法或通过试验测试，分别确定出发动机输出扭矩、转速和功率随发动机工作时间的变化历程，进一步，采用统计分析的方法，分别确定出发动机输出扭矩、转速、功率的概率分布模型，同时，确定出车辆“起动-行驶-停车”工作循环次数随发动机工作时间的变化规律，用参数为λ的泊松随机过程描述车辆“起动-行驶-停车”工作循环次数随发动机工作时间的变化规律；例如，对某型车用发动机工作状态参数的统计分析可知，车辆“起动-行驶-停车”工作循环次数随发动机工作时间的变化可以用参数λ＝0.75h-1的齐次泊松随机过程描述；
b、确定增压器涡轮的工作状态参数及其统计特征：针对步骤a确定的增压器涡轮所匹配车用发动机的工作状态参数及其概率特征，根据涡轮增压器与发动机性能匹配关系，利用仿真计算方法或通过试验测试，确定出在车辆一次“起动-行驶-停车”工作循环过程中增压器涡轮的最高工作转速概率分布模型，确定出发动机运行单位小时内增压器涡轮工作转速的概率分布模型，确定出发动机运行单位小时内增压器涡轮的进口气体平均温度与出口气体平均温度；例如，通过对某型车用增压器涡轮的工作状态参数测试与统计分析可以确定出，在车辆的一次“起动-行驶-停车”工作循环过程中增压器涡轮的最高工作转速服从位置参数为79800r/min、尺度参数为96400r/min的极大值分布，发动机运行单位小时对应的增压器涡轮(的最高)工作转速服从均值为68700r/min、标准差为13159r/min的正态分布，发动机运行单位小时增压器涡轮的进口气体平均温度与出口气体平均温度分别为625℃和509℃；
c、确定增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的应力与温度参数：根据步骤b确定的增压器涡轮的工作状态参数及其统计特征，利用有限元计算方法，确定出对应车辆一次“起动-行驶-停车”工作循环增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的最大应力sw的概率密度函数fs-w(sw)，确定出发动机运行单位小时内增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的应力st的概率密度函数fs-t(st)，确定出发动机运行单位小时内增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的温度平均值Tm；例如，根据某型车用增压器涡轮的工作转速、进口气体温度与出口气体温度，通过有限元仿真计算与统计分析可以确定出，对应车辆的一次“起动-行驶-停车”工作循环，增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的最大应力fs-w(sw)服从位置参数为570MPa、尺度参数为5.9MPa的极大值分布，即
Figure GDA0001232456930000071
发动机运行单位小时内增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的应力fs-t(st)服从均值为467MPa、标准差为26.5MPa的正态分布，即
Figure GDA0001232456930000072
发动机运行单位小时内增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的温度平均值Tm为545℃。
d、确定增压器涡轮叶片叶根的疲劳性能参数：根据增压器涡轮材料的疲劳性能参数，确定出如式(3)所示的增压器涡轮叶片叶根疲劳寿命NF与应力s之间的函数关系，或者是，通过对增压器涡轮叶片叶根强度模拟试样进行疲劳性能测试确定出如式(3)所示的增压器涡轮叶片叶根疲劳寿命NF与应力s之间的函数关系；
NF＝FF(s) (3)
例如，某型车用增压器涡轮采用K418镍基高温合金铸造而成，根据K418镍基铸造高温合金材料的疲劳性能测试数据可以确定出，增压器涡轮叶片叶根疲劳寿命NF与应力s之间的函数关系为
Figure GDA0001232456930000073
e、确定增压器涡轮叶片叶根的持久性能参数：根据增压器涡轮材料的持久性能参数，确定出如式(5)所示的增压器涡轮叶片叶根持久寿命tC同温度T和应力s之间的函数关系，或者是，通过对增压器涡轮叶片叶根强度模拟试样进行持久性能测试确定出如式(5)所示的增压器涡轮叶片叶根持久寿命tC同温度T和应力s之间的函数关系；
tC＝FC(T,s)(5)
例如，某型车用增压器涡轮采用K418镍基高温合金铸造而成，根据K418镍基铸造高温合金材料的持久性能测试数据可以确定出，增压器涡轮叶片叶根持久寿命tC同温度T和应力s之间的函数关系为
Figure GDA0001232456930000081
f、确定增压器涡轮叶片叶根的疲劳蠕变寿命：将步骤a确定的车辆“起动-行驶-停车”工作循环次数随发动机工作时间的变化规律参数λ、步骤c确定的对应车辆一次“起动-行驶-停车”工作循环增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的最大应力sw的概率密度函数fs-w(sw)与发动机运行单位小时内增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的应力st的概率密度函数fs-t(st)以及发动机运行单位小时内增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的温度平均值Tm、步骤d确定的增压器涡轮叶片叶根疲劳寿命与应力之间的函数关系和步骤e确定的增压器涡轮叶片叶根持久寿命同温度和应力之间的函数关系，代入式(7)，即
Figure GDA0001232456930000082
例如，某型车用增压器涡轮采用K418镍基高温合金铸造而成，增压器涡轮所匹配车用发动机安装车辆“起动-行驶-停车”工作循环次数随发动机工作时间的变化服从参数λ＝0.75h-1的齐次泊松随机过程，对应车辆的一次“起动-行驶-停车”工作循环，涡轮叶片叶根失效危险部位的最大应力fs-w(sw)服从位置参数为570MPa、尺度参数为5.9MPa的极大值分布，发动机运行单位小时内增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的应力fs-t(st)服从均值为467MPa、标准差为26.5MPa的正态分布，发动机运行单位小时内增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的温度平均值Tm为545℃，增压器涡轮叶片叶根疲劳寿命NF与应力s之间的函数关系如式(4)所示，增压器涡轮叶片叶根持久寿命tC同温度T和应力s之间的函数关系如式(6)所示，将上述参数代入式(7)，即
Figure GDA0001232456930000091
可以确定出以车用发动机工作时间为寿命度量指标时增压器涡轮叶片叶根的疲劳蠕变寿命t为71727小时。

Claims (1)

1.车用径流式增压器涡轮叶片叶根疲劳蠕变寿命预测方法，其特征是包括以下步骤：
a、确定增压器涡轮所匹配车用发动机的工作状态参数及其统计特征；
b、确定增压器涡轮的工作状态参数及其统计特征；
c、确定增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的应力与温度参数；
d、确定增压器涡轮叶片叶根的疲劳性能参数；
e、确定增压器涡轮叶片叶根的持久性能参数；
f、确定增压器涡轮叶片叶根的疲劳蠕变寿命；
在步骤a中，结合增压器涡轮所匹配车用发动机安装车辆的任务剖面，运用仿真计算方法或通过试验测试，分别确定出发动机输出扭矩、转速和功率随发动机工作时间的变化历程，进一步，采用统计分析的方法，分别确定出发动机输出扭矩、转速、功率的概率分布模型，同时，确定出车辆“起动-行驶-停车”工作循环次数随发动机工作时间的变化规律，用参数为λ的泊松随机过程描述车辆“起动-行驶-停车”工作循环次数随发动机工作时间的变化规律；
在步骤b中，针对步骤a确定的增压器涡轮所匹配车用发动机的工作状态参数及其概率特征，根据涡轮增压器与发动机性能匹配关系，利用仿真计算方法或通过试验测试，确定出在车辆一次“起动-行驶-停车”工作循环过程中增压器涡轮的最高工作转速概率分布模型，确定出发动机运行单位小时内增压器涡轮工作转速的概率分布模型，确定出发动机运行单位小时内增压器涡轮的进口气体平均温度与出口气体平均温度；
在步骤c中，根据步骤b确定的增压器涡轮的工作状态参数及其统计特征，利用有限元计算方法，确定出对应车辆一次“起动-行驶-停车”工作循环增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的最大应力sw的概率密度函数fs-w(sw)，确定出发动机运行单位小时内增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的应力st的概率密度函数fs-t(st)，确定出发动机运行单位小时内增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的温度平均值Tm；
在步骤d中，根据增压器涡轮材料的疲劳性能参数，确定出如式(1)所示的增压器涡轮叶片叶根疲劳寿命NF与应力s之间的函数关系，或者是，通过对增压器涡轮叶片叶根强度模拟试样进行疲劳性能测试确定出如式(1)所示的增压器涡轮叶片叶根疲劳寿命NF与应力s之间的函数关系；
NF＝FF(s) (1)；
在步骤e中，根据增压器涡轮材料的持久性能参数，确定出如式(2)所示的增压器涡轮叶片叶根持久寿命tC同温度T和应力s之间的函数关系，或者是，通过对增压器涡轮叶片叶根强度模拟试样进行持久性能测试确定出如式(2)所示的增压器涡轮叶片叶根持久寿命tC同温度T和应力s之间的函数关系；
tC＝FC(T,s) (2)；
将步骤a确定的车辆“起动-行驶-停车”工作循环次数随发动机工作时间的变化规律参数λ、步骤c确定的对应车辆一次“起动-行驶-停车”工作循环增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的最大应力sw的概率密度函数fs-w(sw)与发动机运行单位小时内增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的应力st的概率密度函数fs-t(st)以及发动机运行单位小时内增压器涡轮叶片叶根失效危险部位的温度平均值Tm、步骤d确定的增压器涡轮叶片叶根疲劳寿命与应力之间的函数关系和步骤e确定的增压器涡轮叶片叶根持久寿命同温度和应力之间的函数关系，代入式(3)，即
Figure FDA0002269256680000031
确定出以车用发动机工作时间为寿命度量指标时增压器涡轮叶片叶根的疲劳蠕变寿命t。
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