CN110375971B - 径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验装置及方法 - Google Patents

径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验装置及方法，通过有限元分析软件求解涡轮叶轮和压气机叶轮的模态频率和模态振型，进而确定涡轮叶轮和压气机叶轮的节径，再构建SAFE图来确定叶轮的危险频率和相应的节径数关系；通过计算确定涡轮增压器受外界激励的频率和谐波阶次n，最后再通过涡轮叶轮和压气机叶轮的所受激励的谐波阶次n，确定激振元件的个数，激振元件直接安装于涡轮增压器上，得到涡轮叶轮和压气机叶轮的失效时间，整个试验过程和所用元件简单，在涡轮增压器相同的运转时间内，成倍增加叶片被激励次数，从而缩短高周疲劳试验所需的时间。

Description

径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验装置及方法
技术领域
本发明涉及涡轮增压器零部件技术领域领域，特别是涉及径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验方法。
背景技术
随着燃油经济性和排放标准的日益提高，最直接有效地提升发动机燃油经济性和排放标准的措施之一是采用高效率、高可靠性的增压技术。为达到提升增压器效率和降低发动机燃油经济性的目的，则需要设计更高效的涡轮叶轮和压气机叶轮，因此，涡轮叶轮和压气机叶轮的叶片造型更加复杂，叶片厚度也变得越来越薄。涡轮叶轮和压气机叶轮的结构决定了其耐久可靠性，造型更复杂、叶片更薄的涡轮叶轮和压气机叶轮在发动机运行过程中，势必会引起叶片的高周疲劳失效的风险，因此，采用合适的技术手段来评估涡轮叶轮和压气机叶轮的高周疲劳寿命成为涡轮增压器研发和生产过程的必备环节。
本发明旨在设计一种加速寿命试验装置及方法来实现径流涡轮增压器的涡轮叶轮与压气机叶轮在特定的工况下，用较少的可靠性试验时间来表征正常运行工况下的可靠性试验时间，从而缩短产品可靠性试验时间，降低设计和试验成本，缩短设计周期。
发明内容
本发明的目的是提供一种径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验装置及方法，以解决上述现有涡轮增压器的涡轮叶轮和压气机叶轮可靠性试验时间长，设计和试验成本高，设计周期长的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验装置，包括涡轮增压器，所述涡轮增压器设有与排气歧管连通的涡轮箱，所述涡轮箱内安装有涡轮叶轮和转子轴，所述涡轮叶轮安装在所述转子轴的一端，所述转子轴通过轴承体支撑，所述转子轴的另一端固定有压气机叶轮，所述压气机叶轮安装于压气机蜗壳内，所述压气机蜗壳与进气歧管连通，所述涡轮增压器内安装有加速失效装置，所述加速失效装置包括安装于所述压气机蜗壳的进口处的第一激振元件、安装于所述压气机蜗壳的流道处或扩压器处的第二激振元件、安装于所述涡轮箱的喷嘴环靠近所述涡轮叶轮处的第三激振元件以及安装于所述涡轮箱的出口处的第四激振元件。
优选地，所述第三激振元件和所述第四激振元件为耐热激振元件。
本发明还提供了一种径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验方法，所述试验方法包括以下步骤：
(1)通过有限元分析软件求解所述涡轮叶轮和所述压气机叶轮的模态频率和模态振型，通过振型图确定所述涡轮叶轮和所述压气机叶轮的节径；
(2)根据所述涡轮叶轮和所述压气机叶轮的循环对称结构的模态振型具有的节径特征，构建SAFE图来确定叶轮的危险频率和相应的节径数关系；
(3)通过计算确定有叶涡轮增压器受外界激励的频率和谐波阶次n，无叶涡轮增压器的激励阶次为转速引起的与叶片数相关的激励频率的整数倍；
(4)通过所述涡轮叶轮和所述压气机叶轮的所受激励的谐波阶次n，分别确定所述第一激振元件、所述第二激振元件、所述第三激振元件和所述第四激振元件中激振器的个数；
(5)启动所述涡轮增压器和所述加速失效装置，得到所述涡轮叶轮和所述压气机叶轮的失效时间。
优选地，所述模态振型的动力学方程为：
Figure GDA0002166958840000021
式中[M]为结构质量矩阵，[C]为结构阻尼矩阵，[K]为结构刚度矩阵，
Figure GDA0002166958840000022
为节点加速度向量，
Figure GDA0002166958840000023
为节点速度向量，{u}为节点位移向量，{Fa}为载荷向量。
优选地，第n阶谐波激励所匹配的节径数的计算方程为：
Figure GDA0002166958840000024
式中dn为模态节径数，NB为叶片数，NV为导叶数，n为力谐波阶次，符号
Figure GDA0002166958840000025
表示“向下取整”，当增压器的类型为无导叶涡轮增压器时，NV为0。
优选地，所述第一激振元件(21)、所述第二激振元件(22)、所述第三激振元件(23)和所述第四激振元件(24)中激振器的个数的确定方法为：使激振器的个数加1等于谐波阶次n或谐波阶次n的整数倍。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
本发明提供的径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验装置及方法，通过有限元分析软件求解涡轮叶轮和压气机叶轮的模态频率和模态振型，进而确定涡轮叶轮和压气机叶轮的节径，再构建SAFE图来确定叶轮的危险频率和相应的节径数关系；通过计算确定有叶涡轮增压器受外界激励的频率和谐波阶次n，最后再通过涡轮叶轮和压气机叶轮的所受激励的谐波阶次n，确定激振元件的个数，激振元件直接安装于涡轮增压器上，得到涡轮叶轮和压气机叶轮的失效时间，整个试验过程和所用元件简单，在涡轮增压器相同的运转时间内，成倍增加叶片被激励次数，从而缩短高周疲劳试验所需的时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验装置及方法中叶轮的危险频率和相应的节径数关系SAFE图；
图2为本发明提供的径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验装置及方法中带有激振元件的涡轮增压器剖面图；
图3为本发明提供的径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验装置及方法中带有激振元件的涡轮增压器A-A剖面图；
图4为本发明提供的径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验装置及方法中带有激振元件的涡轮增压器B-B剖面图；
图5为本发明提供的径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验装置及方法中带有激振元件的涡轮增压器C-C剖面图；
图6为本发明提供的径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验装置及方法中带有激振元件的涡轮增压器D-D剖面图；
图中：1：涡轮增压器、11：涡轮箱、12：涡轮叶轮、13：转子轴、14：轴承体、15：压气机叶轮、16：压气机蜗壳、2：加速失效装置、21：第一激振元件、22：第二激振元件、23：第三激振元件、24：第四激振元件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验装置及方法，通过设置加速失效装置，以解决现有涡轮增压器的涡轮叶轮和压气机叶轮可靠性试验时间长，设计和试验成本高，设计周期长的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
本实施例提供一种径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验装置，如图2所示，整个加速寿命试验装置包括涡轮增压器1，涡轮增压器1设有与排气歧管连通的涡轮箱11，涡轮箱11内安装有涡轮叶轮12和转子轴13，涡轮叶轮12安装在转子轴13的一端，转子轴13通过轴承体14支撑，转子轴13的另一端通过锁母固定有压气机叶轮15，压气机叶轮15安装于压气机蜗壳16内，压气机蜗壳16与进气歧管连通，涡轮增压器1内还安装有加速失效装置2，加速失效装置2包括第一激振元件21、第二激振元件22、第三激振元件23以及第四激振元件24。
本实施例提供的径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验装置的试验方法，首先，通过有限元分析软件求解涡轮叶轮和压气机叶轮的模态频率和模态振型，通过振型图确定涡轮叶轮和压气机叶轮的节径，具体地，模态振型的动力学方程为
Figure GDA0002166958840000041
其中[M]为结构质量矩阵，[C]为结构阻尼矩阵，[K]为结构刚度矩阵，
Figure GDA0002166958840000042
为节点加速度向量，
Figure GDA0002166958840000043
为节点速度向量，{u}为节点位移向量，{Fa}为载荷向量；再根据涡轮叶轮和压气机叶轮的循环对称结构的模态振型具有的节径特征，如图1所示，构建SAFE图来确定叶轮的危险频率和相应的节径数关系，再通过计算确定有叶涡轮增压器受外界激励的频率和谐波阶次n，无叶涡轮增压器的激励阶次为转速引起的与叶片数相关的激励频率的整数倍，具体地，第n阶谐波激励所匹配的节径数的计算方程为
Figure GDA0002166958840000051
其中dn为模态节径数，NB为叶片数，NV为导叶数，n为力谐波阶次，符号
Figure GDA0002166958840000052
表示“向下取整”，当增压器的类型为无导叶涡轮增压器时，NV为0；再通过涡轮叶轮和压气机叶轮的所受激励的谐波阶次n，分别确定并选择第一激振元件21、第二激振元件22、第三激振元件23和第四激振元件24中激振器的个数，具体地，由于涡轮增压器1本身就会因气流产生振动，这些振动对涡轮叶轮12和压气机叶轮15产生的影响体现在涡轮增压器1的压气机蜗壳16的进口处、压气机蜗壳16的流道处或扩压器处、涡轮箱11的喷嘴环靠近所述涡轮叶轮12处以涡轮箱11的出口处，这些位置自身就相当于具有1个激振器，因此，使加速失效装置2中各位置的激振器的个数加1等于谐波阶次n或谐波阶次n的整数倍，即可确定并选择加速失效装置2的第一激振元件21、第二激振元件22、第三激振元件23和第四激振元件24中激振器的个数，最后，启动涡轮增压器和加速失效装置，进行高周疲劳试验。
具体到本实施例，如图3所示，由于涡轮叶轮12带动转子轴13转动，进而带动压气机叶轮15旋转，压气机蜗壳16与压气机进口形成压力差，新鲜空气经压气机进口进入压气机蜗壳16，进气流动变得异常，造成旋转湍流进而引起压气机叶轮叶片的振动，因此，在压气机蜗壳16进口处安装4个激振器组成第一激振元件21，以提升增压器压气机叶轮激励的倍频，该激振元件的径向高度及轴向位置，可通过计算分析进行设计，计算过程包括：先对压气机叶轮15进行模态分析，得到压气机叶轮15不同阶次的固有频率和振型，再对压气机端进行非定常流固耦合分析，得到压气机叶轮15的叶片在离心载荷和气动载荷下的强迫振动响应，最后通过时频变换，得到与压气机蜗舌相近的激励幅度。
进一步地，如图4所示，压气机叶轮15压缩新鲜空气进入发动机气缸，经扩压器进入流道，由于压气机蜗壳16的喉口位置的几何突变，流动变得异常，造成旋转湍流，这个流动异常造成了压气机叶轮叶片的振动，因此，在压气机蜗壳16的流道或扩压器内安装3个激振器组成第二激振元件22，以提升增压器压气机叶轮激励的倍频，其几何形状和位置的计算过程包括：先对压气机叶轮15进行模态分析，得到压气机叶轮15不同阶次的固有频率和振型，再对压气机端进行非定常流固耦合分析，得到压气机叶轮15的叶片在离心载荷和气动载荷下的强迫振动响应，最后通过时频变换，得到与压气机蜗舌相近的激励幅度。
进一步地，如图5所示，发动机高温高压排气进入涡轮箱11，由于涡端喉口位置的几何突变，流动变得异常，造成旋转湍流，这个流动异常造成了涡轮叶轮12叶片的振动，因此，在涡轮箱11的喷嘴环靠近叶轮进口处安装3个激振器组成第三激振元件23，以提升增压器涡轮叶轮激励的倍频，该激振元件的几何形状和位置的计算过程包括：先对涡轮叶轮12进行模态分析，得到涡轮叶轮12不同阶次的固有频率和振型，再对涡轮端温度场进行分析，得到涡轮端不同位置处的温度分布，再对涡轮端进行非定常流固耦合分析，得到涡轮叶轮12叶片在离心载荷、热载荷和气动载荷下的强迫振动响应，最后通过时频变换，得到与涡轮箱11蜗舌相近的激励幅度。
进一步地，如图6所示，由于涡轮箱11出口距离涡轮叶轮12叶片近，几何突变引起流场扰动，这个流动异常造成了涡轮叶轮12叶片的振动，因此，在涡轮箱11出口位置安装4个激振器组成第四激振元件24，以提升增压器涡轮叶轮激励的倍频，该激振元件的几何形状及该激振元件的径向高度及布置位置，可通过计算分析进行设计，计算过程包括：先对涡轮叶轮12进行模态分析，得到涡轮叶轮12不同阶次的固有频率和振型，再对涡轮端温度场进行分析，得到涡轮端不同位置处的温度分布，再对涡轮端进行非定常流固耦合分析，得到涡轮叶轮12叶片在离心载荷、热载荷和气动载荷下的强迫振动响应，最后通过时频变换，得到与涡轮箱11蜗舌相近的激励幅度。
本发明提供的径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验装置及方法的工作原理是这样的，涡轮增压器1的涡轮叶轮12和压气机叶轮15在周期性气动载荷的作用下，会产生随时间周期性变化的结构响应，通过有限元分析软件求解涡轮叶轮12和压气机叶轮15的模态频率和模态振型，通过振型图确定涡轮叶轮和压气机叶轮的节径，根据涡轮叶轮12和压气机叶轮15的循环对称结构的模态振型具有的节径特征，构建SAFE图来确定叶轮的危险频率和相应的节径数关系，再通过计算确定有叶涡轮增压器受外界激励的频率和谐波阶次n，无叶涡轮增压器的激励阶次为转速引起的与叶片数相关的激励频率的整数倍，再通过涡轮叶轮12和压气机叶轮15的所受激励的谐波阶次n，分别确定第一激振元件21、第二激振元件22、第三激振元件23和第四激振元件24中激振器的个数，通过在压气机蜗壳16的进口处安装第一激振元件21、在压气机蜗壳16的流道处或扩压器处安装第二激振元件22、在涡轮箱11的喷嘴环靠近涡轮叶轮12处安装第三激振元件23以及在涡轮箱11的出口处安装第四激振元件24，启动激振元件和涡轮增压器，运行试验装置，发动机高温高压排气经过涡轮箱11进口进入涡轮箱11驱动涡轮叶轮12旋转膨胀做功，涡轮叶轮12带动压气机叶轮15旋转，压缩新鲜空气进入发动机气缸，激振元件的介入提升了涡轮叶轮12和压气机叶轮15激励的倍频，这样，在涡轮增压器相同的运转时间内，成倍增加叶片被激励的次数，从而缩短高周疲劳试验所需要的时间，节省设计的成本并缩短设计周期。
本发明应用具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验方法，其特征在于：所述试验方法采用的试验装置包括涡轮增压器(1)，所述涡轮增压器(1)设有与排气歧管连通的涡轮箱(11)，所述涡轮箱(11)内安装有涡轮叶轮(12)和转子轴(13)，所述涡轮叶轮(12)安装在所述转子轴(13)的一端，所述转子轴(13)通过轴承体(14)支撑，所述转子轴(13)的另一端固定有压气机叶轮(15)，所述压气机叶轮(15)安装于压气机蜗壳(16)内，所述压气机蜗壳(16)与进气歧管连通，其特征在于：所述涡轮增压器(1)内安装有加速失效装置(2)，所述加速失效装置(2)包括安装于所述压气机蜗壳(16)的进口处的第一激振元件(21)、安装于所述压气机蜗壳(16)的流道处或扩压器处的第二激振元件(22)、安装于所述涡轮箱(11)的喷嘴环靠近所述涡轮叶轮(12)处的第三激振元件(23)以及安装于所述涡轮箱(11)的出口处的第四激振元件(24)；
所述试验方法包括以下步骤：
(1)通过有限元分析软件求解所述涡轮叶轮(12)和所述压气机叶轮(15)的模态频率和模态振型，通过振型图确定涡轮叶轮和压气机叶轮的节径；
(2)根据所述涡轮叶轮(12)和所述压气机叶轮(12)的循环对称结构的模态振型具有的节径特征，构建SAFE图来确定叶轮的危险频率和相应的节径数关系；
(3)通过计算确定有叶涡轮增压器受外界激励的频率和谐波阶次n，无叶涡轮增压器的激励阶次为转速引起的与叶片数相关的激励频率的整数倍；
(4)通过所述涡轮叶轮(12)和所述压气机叶轮(15)的所受激励的谐波阶次n，分别确定所述第一激振元件(21)、所述第二激振元件(22)、所述第三激振元件(23)和所述第四激振元件(24)中激振器的个数；
(5)启动所述涡轮增压器(1)和所述加速失效装置(2)，得到所述涡轮叶轮(12)和所述压气机叶轮(15)的失效时间。
2.根据权利要求1所述的径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验方法，其特征在于：所述第三激振元件(23)和所述第四激振元件(24)为耐热激振元件。
3.根据权利要求1所述的径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验方法，其特征在于：所述模态振型的动力学方程为：
Figure FDA0002513716600000021
式中[M]为结构质量矩阵，[C]为结构阻尼矩阵，[K]为结构刚度矩阵，
Figure FDA0002513716600000022
为节点加速度向量，
Figure FDA0002513716600000023
为节点速度向量，{u}为节点位移向量，{Fa}为载荷向量。
4.根据权利要求1所述的径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验方法，其特征在于：第n阶谐波激励所匹配的节径数的计算方程为：
Figure FDA0002513716600000024
式中dn为模态节径数，NB为叶片数，NV为导叶数，n为力谐波阶次，符号
Figure FDA0002513716600000025
表示“向下取整”，当增压器的类型为无导叶涡轮增压器时，NV为0。
5.根据权利要求1所述的径流式涡轮叶轮和压气机叶轮的加速寿命试验方法，其特征在于：所述第一激振元件(21)、所述第二激振元件(22)、所述第三激振元件(23)和所述第四激振元件(24)中激振器的个数的确定方法为：使激振器的个数加1等于谐波阶次n或谐波阶次n的整数倍。
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