CN107941481A - 一种车用增压器涡轮的高温持久寿命评定方法 - Google Patents

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王正
王增全
王阿娜
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Abstract

本发明涉及一种车用增压器涡轮的高温持久寿命评定方法，首先确定增压器涡轮叶片的失效危险部位，其次确定增压器涡轮所匹配发动机台架耐久性考核试验剖面的运行工况组成，然后确定增压器涡轮叶片失效危险部位对应发动机台架耐久性考核试验剖面中不同运行工况的应力与温度；同时，确定增压器涡轮的高温持久寿命同应力和温度之间的数学关系，在此基础上确定增压器涡轮的高温持久寿命。本发明能够根据增压器涡轮所匹配发动机的台架耐久性考核试验剖面，确定出以发动机耐久性台架考核试验剖面循环次数为寿命度量指标时增压器涡轮的高温持久寿命，可用于增压器涡轮在研制过程中的耐久性分析，指导增压器涡轮的结构优化设计。

Description

一种车用增压器涡轮的高温持久寿命评定方法
技术领域
本发明属于增压器涡轮结构耐久性设计与分析方法，具体涉及一种车用增压器涡轮的高温持久寿命评定方法。
背景技术
涡轮增压器是发动机实现功率密度提升和和增强其高原环境适应性的关键部件。涡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。涡轮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。
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承受着热载荷、气动载荷和离心载荷的共同作用。涡轮增压器随发动机长时间工作时，涡轮叶片存在发生由高温持久强度不足导致的叶片断裂失效风险。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，特别是对于采用新材料的增压器涡轮，需要针对涡轮的叶片高温持久断裂失效模式，对涡轮叶片的高温持久寿命进行科学评定，及时发现涡轮结构上存在的不足，进而有效指导增压器涡轮叶轮的结构设计与合理使用。本发明针对增压器涡轮的叶片高温持久断裂失效模式，以解决在缺乏所匹配发动机使用剖面条件下增压器涡轮的叶片高温持久寿命预测问题为出发点，提出一种车用增压器涡轮的高温持久寿命评定方法。
发明内容
本发明针对车用增压器涡轮的叶片高温持久寿命预测问题，提供一种车用增压器涡轮的高温持久寿命评定方法。能够在缺乏涡轮增压器所匹配发动机使用剖面的情况下，通过确定涡轮叶片失效危险部位、增压器涡轮对应所匹配发动机台架耐久性考核试验剖面的运行工况组成、涡轮叶片失效危险部位的应力与温度、涡轮高温持久寿命同应力和温度之间的数学关系、涡轮叶片对应发动机台架耐久性考核试验一次循环的累积损伤量等，可确定出以发动机耐久性台架考核试验剖面循环次数为寿命度量指标时增压器涡轮的高温持久寿命。
本发明技术方案：一种车用增压器涡轮的高温持久寿命评定方法，其特征是包括以下步骤：
a、确定增压器涡轮叶片的失效危险部位；
b、确定增压器涡轮所匹配发动机台架耐久性考核试验剖面的运行工况组成；
c、确定增压器涡轮叶片失效危险部位对应发动机台架耐久性考核试验剖面中不同运行工况的应力与温度；
d、确定增压器涡轮的高温持久寿命同应力和温度之间的数学关系；
e、确定增压器涡轮叶片在发动机台架耐久性考核试验一次循环中对应各运行工况的损伤量；
f、确定增压器涡轮叶片对应发动机台架耐久性考核试验一次循环的累积损伤量；
g、确定增压器涡轮的高温持久寿命。
一种车用增压器涡轮的高温持久寿命评定方法，其特征是包括以下步骤：
a、确定增压器涡轮叶片的失效危险部位：采用有限元仿真计算，确定增压器涡轮工作时涡轮叶片在离心载荷、热载荷和气动载荷共同作用下的应力最大位置，并将位置作为涡轮叶片的失效危险部位。
b、确定增压器涡轮所匹配发动机台架耐久性考核试验剖面的运行工况组成：针对增压器涡轮所匹配的发动机，确定出发动机台架耐久性考核试验剖面的运行工况及其一次试验循环中的运行时间ti(i＝1,2,3,4)(单位为h)，具体包括以下四个主要工况，即
1)发动机转速为标定转速，扭矩按外特性，运行时间1小时；
2)发动机转速为标定转速的88％，扭矩按外特性，运行时间7小时；
3)发动机转速为标定转速的80％，扭矩按外特性，运行时间小时；
4)发动机转速为最大扭矩转速，扭矩为最大扭矩，运行时间小时。
c、确定增压器涡轮叶片失效危险部位对应发动机台架耐久性考核试验剖面中不同运行工况的应力与温度：针对步骤b确定的发动机台架耐久性考核试验剖面中的四个主要工况，分别确定出增压器涡轮叶片失效危险部位对应发动机台架耐久性考核试验剖面中四个不同运行工况的应力si(i＝1,2,3,4)(单位为MPa)与温度Ti(i＝1,2,3,4)(单位为℃)。
d、确定增压器涡轮的高温持久寿命同应力和温度之间的数学关系：在增压器涡轮上进行取样并加工成高温持久性能试验样件，在试验机上对试验样件的高温持久强度性能进行测试，根据涡轮高温持久性能试样测试结果，确定出如式(1)所示的涡轮高温持久寿命t(单位为h)同应力s(单位为MPa)与温度T(单位为℃)之间的数学关系，即
t＝Ft(s,T) (1)
e、确定增压器涡轮叶片在发动机台架耐久性考核试验一次循环中对应各运行工况的损伤量：根据步骤b中确定的发动机台架耐久性考核试验剖面的运行工况组成以及步骤c中确定的增压器涡轮叶片失效危险部位对应发动机台架耐久性考核试验剖面中不同运行工况的应力与温度，运用式(2)分别计算出，在一次发动机台架耐久性考核试验剖面循环中涡轮叶片失效危险部位对应四种不同运行工况的损伤量ΔDi(i＝1,2,3,4)，即
f、确定增压器涡轮叶片对应发动机台架耐久性考核试验一次循环的累积损伤量：针对将步骤e中确定的在一次发动机台架耐久性考核试验剖面循环中涡轮叶片失效危险部位对应四种不同运行工况的损伤量，运用式(3)确定增压器涡轮叶片对应发动机台架耐久性考核试验一次循环的累积损伤量ΔD，即
g、确定增压器涡轮的高温持久寿命：运用式(4)，即
确定出以发动机耐久性考核试验剖面循环次数为寿命度量指标时，增压器涡轮的高温持久寿命N。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：能够在缺乏增压器涡轮所匹配发动机实际使用剖面的条件下，根据增压器涡轮所匹配发动机的台架耐久性考核试验剖面，确定出以发动机耐久性台架考核试验剖面循环次数为寿命度量指标时增压器涡轮的高温持久寿命，可以用于增压器涡轮在研制过程中的耐久性分析，进而有效指导增压器涡轮的结构优化设计。将发动机耐久性台架考核试验剖面循环次数作为寿命度量指标，一方面便于增压器涡轮寿命评定结果同发动机及车辆实际使用寿命之间的换算，另一方面便于台架考核验证，同时可直观地反映增压器涡轮的耐久性水平。将增压器涡轮对应所匹配发动机台架耐久性考核试验剖面的运行工况作为涡轮叶片高温持久寿命评定时的载荷与应力计算的依据，可以充分利用发动机台架耐久性考核试验数据实现对增压器涡轮叶片高温持久寿命评定结果的验证。在确定增压器涡轮的高温持久寿命同应力和温度之间的数学关系时，通过在增压器涡轮上取样并加工成高温持久性能试样进行测试，能够综合反映材料特点、结构特征、工艺过程等因素对涡轮高温持久性能的影响，提高增压器涡轮高温持久寿命评定结果的有效性。
附图说明
图1是一种车用增压器涡轮的高温持久寿命评定方法流程。
具体实施方式
一种车用增压器涡轮的高温持久寿命评定方法，包括以下步骤：
a、确定增压器涡轮叶片的失效危险部位：采用有限元仿真计算，确定增压器涡轮工作时涡轮叶片在离心载荷、热载荷和气动载荷共同作用下的应力最大位置，并将位置作为涡轮叶片的失效危险部位。
b、确定增压器涡轮所匹配发动机台架耐久性考核试验剖面的运行工况组成：针对增压器涡轮所匹配的发动机，确定出发动机台架耐久性考核试验剖面的运行工况及其一次试验循环中的运行时间ti(i＝1,2,3,4)(单位为h)，具体包括以下四个主要工况，即
1)发动机转速为标定转速，扭矩按外特性，运行时间1小时；
2)发动机转速为标定转速的88％，扭矩按外特性，运行时间7小时；
3)发动机转速为标定转速的80％，扭矩按外特性，运行时间小时；
4)发动机转速为最大扭矩转速，扭矩为最大扭矩，运行时间小时。
c、确定增压器涡轮叶片失效危险部位对应发动机台架耐久性考核试验剖面中不同运行工况的应力与温度：针对步骤b确定的发动机台架耐久性考核试验剖面中的四个主要工况，分别确定出增压器涡轮叶片失效危险部位对应发动机台架耐久性考核试验剖面中四个不同运行工况的应力si(i＝1,2,3,4)(单位为MPa)与温度Ti(i＝1,2,3,4)(单位为℃)。
例如，某新型增压器涡轮叶片失效危险部位对应发动机台架耐久性考核试验剖面中四个不同运行工况的应力与温度分别为：
1)工况1：发动机转速为标定转速，扭矩按外特性(运行时间1小时)，增压器涡轮叶片失效危险部位的应力为356MPa、温度为563℃。
2)工况2：发动机转速为标定转速的88％，扭矩按外特性(运行时间7小时)，增压器涡轮叶片失效危险部位的应力为323MPa、温度为592℃。
3)工况3：发动机转速为标定转速的80％，扭矩按外特性(运行时间小时)，增压器涡轮叶片失效危险部位的应力为271MPa、温度为614℃。
4)工况4：发动机转速为最大扭矩转速，扭矩为最大扭矩(运行时间小时)，增压器涡轮叶片失效危险部位的应力为245MPa、温度为646℃。
d、确定增压器涡轮的高温持久寿命同应力和温度之间的数学关系：在增压器涡轮上进行取样并加工成高温持久性能试验样件，在试验机上对试验样件的高温持久强度性能进行测试，根据涡轮高温持久性能试样测试结果，确定出如式(1)所示的涡轮高温持久寿命t(单位为h)同应力s(单位为MPa)与温度T(单位为℃)之间的数学关系，即
t＝Ft(s,T) (1)
例如，通过对某新型材料增压器涡轮进行取样，并加工成高温持久性能试验样件，在试验机上对试验样件的高温持久强度性能进行测试，根据试样测试结果，可确定出如式(2)所示的该新型增压器涡轮高温持久寿命t(单位为h)同应力s(单位为MPa)与温度T(单位为℃)之间的数学关系为
e、确定增压器涡轮叶片在发动机台架耐久性考核试验一次循环中对应各运行工况的损伤量：根据步骤b中确定的发动机台架耐久性考核试验剖面的运行工况组成以及步骤c中确定的增压器涡轮叶片失效危险部位对应发动机台架耐久性考核试验剖面中不同运行工况的应力与温度，运用式(3)分别计算出，在一次发动机台架耐久性考核试验剖面循环中涡轮叶片失效危险部位对应四种不同运行工况的损伤量ΔDi(i＝1,2,3,4)，即
f、确定增压器涡轮叶片对应发动机台架耐久性考核试验一次循环的累积损伤量：针对将步骤e中确定的在一次发动机台架耐久性考核试验剖面循环中涡轮叶片失效危险部位对应四种不同运行工况的损伤量，运用式(4)确定增压器涡轮叶片对应发动机台架耐久性考核试验一次循环的累积损伤量ΔD，即
g、确定增压器涡轮的高温持久寿命：运用式(5)，即
确定出以发动机耐久性考核试验剖面循环次数为寿命度量指标时，增压器涡轮的高温持久寿命N。
例如，将步骤c中确定的某型增压器涡轮叶片失效危险部位对应发动机台架耐久性考核试验剖面中四个不同运行工况的应力与温度以及步骤d中确定的如式(2)所示某新型增压器高温持久寿命t同应力s与温度T之间的数学关系，代入式(5)，可以确定出以发动机耐久性考核试验剖面循环次数为寿命度量指标时该新型增压器涡轮的高温持久寿命，如式(6)所示
即该新型增压器涡轮的高温持久寿命为260430次发动机耐久性考核试验剖面循环。

Claims (8)

1.一种车用增压器涡轮的高温持久寿命评定方法，其特征是包括以下步骤：
a、确定增压器涡轮叶片的失效危险部位；
b、确定增压器涡轮所匹配发动机台架耐久性考核试验剖面的运行工况组成；
c、确定增压器涡轮叶片失效危险部位对应发动机台架耐久性考核试验剖面中不同运行工况的应力与温度；
d、确定增压器涡轮的高温持久寿命同应力和温度之间的数学关系；
e、确定增压器涡轮叶片在发动机台架耐久性考核试验一次循环中对应各运行工况的损伤量；
f、确定增压器涡轮叶片对应发动机台架耐久性考核试验一次循环的累积损伤量；
g、确定增压器涡轮的高温持久寿命。
2.根据权利要求1所述的一种车用增压器涡轮的高温持久寿命评定方法，其特征是：在步骤a中，采用有限元仿真计算，确定增压器涡轮工作时涡轮叶片在离心载荷、热载荷和气动载荷共同作用下的应力最大位置，并将此位置作为涡轮叶片的失效危险部位。
3.根据权利要求1所述的一种车用增压器涡轮的高温持久寿命评定方法，其特征是：在步骤b中，针对增压器涡轮所匹配的发动机，确定出发动机台架耐久性考核试验剖面的运行工况及其一次试验循环中的运行时间ti(i＝1,2,3,4)(单位为h)，具体包括以下四个主要工况，即
1)发动机转速为标定转速，扭矩按外特性，运行时间1小时；
2)发动机转速为标定转速的88％，扭矩按外特性，运行时间7小时；
3)发动机转速为标定转速的80％，扭矩按外特性，运行时间小时；
4)发动机转速为最大扭矩转速，扭矩为最大扭矩，运行时间小时。
4.根据权利要求1所述的一种车用增压器涡轮的高温持久寿命评定方法，其特征是：步骤b增压器涡轮所匹配发动机台架耐久性考核试验剖面的运行工况为四个,在步骤c中，针对这四个主要工况，分别确定出增压器涡轮叶片失效危险部位对应发动机台架耐久性考核试验剖面中四个不同运行工况的应力si(i＝1,2,3,4)(单位为MPa)与温度Ti(i＝1,2,3,4)(单位为℃)。
5.根据权利要求4所述的一种车用增压器涡轮的高温持久寿命评定方法，其特征是：在步骤d中，在增压器涡轮上进行取样并加工成高温持久性能试验样件，在试验机上对试验样件的高温持久强度性能进行测试，根据涡轮高温持久性能试样测试结果，确定出如式(1)所示的涡轮高温持久寿命t(单位为h)同应力s(单位为MPa)与温度T(单位为℃)之间的数学关系，即
t＝Ft(s,T) (1)。
6.根据权利要求5所述的一种车用增压器涡轮的高温持久寿命评定方法，其特征是：在步骤e中，根据步骤b中确定的发动机台架耐久性考核试验剖面的运行工况组成以及步骤c中确定的增压器涡轮叶片失效危险部位对应发动机台架耐久性考核试验剖面中不同运行工况的应力与温度，运用式(2)分别计算出，在一次发动机台架耐久性考核试验剖面循环中涡轮叶片失效危险部位对应四种不同运行工况的损伤量ΔDi(i＝1,2,3,4)，即
<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;D</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>t</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>3</mn> <mo>,</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，ti为发动机台架耐久性考核试验剖面中第i个运行工况在一次试验循环中的运行时间(单位为h)，为增压器涡轮叶片失效危险部位单独在发动机台架耐久性考核试验剖面中第i个运行工况的应力si(单位为MPa)和温度Ti(单位为℃)作用下的高温持久寿命。
7.根据权利要求6所述的一种车用增压器涡轮的高温持久寿命评定方法，其特征是：在步骤f中，针对将步骤e中确定的在一次发动机台架耐久性考核试验剖面循环中涡轮叶片失效危险部位对应四种不同运行工况的损伤量，运用式(3)确定增压器涡轮叶片对应发动机台架耐久性考核试验一次循环的累积损伤量ΔD，即
<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>D</mi> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>4</mn> </munderover> <msub> <mi>&amp;Delta;D</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>4</mn> </munderover> <mfrac> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>4</mn> </munderover> <mfrac> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>t</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>
8.根据权利要求7所述的一种车用增压器涡轮的高温持久寿命评定方法，其特征是：在步骤f中，运用式(4)，即
<mrow> <mi>N</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>4</mn> </munderover> <mfrac> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </msub> </mfrac> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>4</mn> </munderover> <mfrac> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>t</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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