車用渦輪增壓器結構可靠性（簡體書）

王增全等編著的《車用渦輪增壓器結構可靠性》結合渦輪增壓技術和可靠性技術的國內外研究新進展，介紹了車用渦輪增壓器發展概況和可靠性工程發展歷史與研究現狀，分析了開展增壓器結構可靠性研究的必要性。根據渦輪增壓器結構可靠性分析的需要，對零部件和系統的可靠性基本理論與方法進行了針對性介紹，突出可靠性的壽命特徵，介紹了分別以載荷作用次數和壽命度量指標的零部件和系統時變可靠性建模方法。分別以渦輪增壓器的三大核心部件（即渦輪、轉子-軸承系統、壓氣機葉輪）為對象，介紹了相應的結構可靠性分析方法。針對渦輪超速破壞、輪轂疲勞、熱疲勞與高溫蠕變、葉片振動等典型失效模式，介紹了渦輪的結構可靠性分析方法與評價模型。分析了渦輪增壓器軸承-轉子系統的結構特點，介紹了軸承-轉子系統的穩定性分析方法，給出了軸承-轉子系統可靠性評價模型。針對壓氣機葉輪超速破壞、輪轂疲勞、葉片振動等失效模式，介紹了壓氣機葉輪可靠性分析方法與評價模型。介紹了渦輪增壓器在試驗和使用過程中出現的典型失效案例，針對旁通放氣閥杆疲勞斷裂、渦輪葉片振動失效、隔熱罩破損等失效情況給出了較為詳細的分析過程。最後，介紹了目前在渦輪增壓器在研製過程中開展的零部件級和整器級結構可靠性試驗。《車用渦輪增壓器結構可靠性》可作為從事發動機增壓技術和可靠性技術研究與應用科研人員的參考資料，也可以作為發動機增壓、可靠性工程等相關專業的研究生教學參考用書。

王增全等編著的《車用渦輪增壓器結構可靠性(精)》緊密結合工程實際，系統介紹車用渦輪增壓器的結構可靠性分析理論與方法。首先，介紹渦輪增壓器的原理及應用、可靠性基本理論與方法。其次，針對增壓器的渦輪和壓氣機葉輪，在介紹其結構特點、工作狀態參數、載荷與應力、常用材料力學性能、振動特性等的基礎上，給出典型失效模式的時變可靠性模型與可靠壽命確定方法。針對渦輪增壓器的轉子一軸承系統，重點介紹浮環軸承式渦輪增壓器轉子一軸承系統的動力學理論、仿真分析方法、動平衡原理與過程、密封與潤滑形式等。然后，結合車用渦輪增壓器的特點，介紹渦輪增壓器故障樹與典型失效案例。最后，介紹渦輪增壓器常見的結構可靠性試驗。
《車用渦輪增壓器結構可靠性(精)》可作為從事發動機增壓技術和可靠性技術研究與應用科研人員的參考資料，也可以作為發動機增壓、可靠性工程等相關專業的研究生教學參考用書。

前言
第1章概述
1.1渦輪增壓器的發展概況
1.1.1渦輪增壓器的原理與應用
1.1.2渦輪增壓器的基本結構形式
1.1.3渦輪增壓器的發展趨勢
1.2可靠性工程的發展概況
1.3增壓器結構可靠性研究的必要性
1.4本書的主要內容
第2章可靠性基本理論與方法
2.1可靠性基本概念及常用度量指標
2.1.1可靠性的基本概念
2.1.2可靠性的常用度量指標
2.2應力一強度干涉模型及其拓展
2.2.1應力一強度干涉模型
2.2.2應力一強度干涉模型的拓展
2.3零部件疲勞可靠度計算模型
2.3.1確定性恒幅循環載荷作用下的零部件疲勞可靠度計算
2.3.2不確定性恒幅循環載荷作用下的零件疲勞可靠度計算
2.4具有多種失效模式的零部件可靠性模型
2.4.1傳統的多失效模式零部件可靠性模型
2.4.2考慮共因失效的多失效模式零部件可靠性模型
2.5系統可靠性模型
2.5.1典型的系統可靠性模型
2.5.2失效相關系統可靠性模型
2.5.3系統等效強度及其概率分佈
2.6以載荷作用次數為壽命指標的時變可靠性模型
2.6.1以載荷作用次數為壽命指標的零部件時變可靠性模型
2.6.2以載荷作用次數為壽命指標的系統時變可靠性模型
2.6.3以載荷作用次數為壽命指標的失效率計算模型
2.7以時間為壽命指標的時變可靠性模型
2.7.1以時間為壽命指標的零部件時變可靠性模型
2.7.2以時間為壽命指標時的系統時變可靠性模型
2.8基於時變可靠性的可靠壽命確定與失效期劃分方法
第3章增壓器渦輪結構可靠性
3.1渦輪的工作狀態參數分析
3.2渦輪的載荷與應力分析
3.2.1渦輪在離心載荷作用下的應力分析
3.2.2渦輪在熱載荷作用下的應力分析
3.2.3渦輪在氣動載荷作用下的應力分析
3.2.4不同載荷對渦輪應力影響的對比
3.2.5降低渦輪應力的措施
3.3典型渦輪材料的力學性能
3.4渦輪葉片振動分析
3.4.1渦輪葉片振動分析的理論基礎
3.4.2渦輪葉片振動特性及其影響因素
3.4.3渦輪葉片振動激勵與共振線圖
3.4.4降低渦輪葉片振動的措施
3.4.5渦輪振動參數的測試
3.5渦輪超速破壞可靠性分析與評價
3.5.1渦輪的超速破壞失效模式
3.5.2基於傳統安全係數法的渦輪超速破壞評價
3.5.3渦輪超速破壞失效模式時變可靠性模型
3.5.4實例
3.6渦輪輪轂疲勞可靠性分析與壽命預測
3.6.1渦輪輪轂部位的疲勞應力
3.6.2渦輪輪轂的疲勞強度
3.6.3渦輪輪轂疲勞可靠性模型
3.6.4渦輪輪轂疲勞可靠性變化與可靠壽命確定
3.7渦輪葉片振動可靠性分析與評價
3.7.1渦輪葉片振動參數不確定性特徵分析
3.7.2渦輪葉片振動失效判據
3.7.3渦輪葉片振動時變可靠性模型
3.7.4渦輪葉片振動可靠性變化研究與可靠壽命確定
第4章渦輪增壓器轉子一軸承系統結構可靠性
4.1渦輪增壓器轉子一軸承系統的結構特點
4.1.1概誅
4.1.2渦輪增壓器軸系結構佈置形式
4.1.3常見渦輪增壓器轉子一軸承系統的結構特點
4.2渦輪增壓器轉子一軸承系統動力學理論基礎
4.2.1單自由度系統的振動方程
4.2.2多自由度系統的振動方程
4.2.3常用線性系統的穩定性判據
4.2.4非線性振動系統簡介
4.2.5振動方程常用求解方法
4.2.6轉子一軸承系統動力學方程建立
4.2.7浮環軸承潤滑機理及動特性係數的計算
4.3渦輪增壓器的非線性振動
4.4渦輪增壓器轉子一軸承系統動力學仿真分析
4.4.1渦輪增壓器轉子一軸承系統的有限元模型
4.4.2渦輪增壓器轉子一軸承系統的靜態特性計算
4.4.3渦輪增壓器轉子一軸承系統的線性動力學分析
4.4.4渦輪增壓器轉子一軸承系統非線性動力學分析
4.5渦輪增壓器轉子的動平衡
4.5.1轉子平衡的基本概念
4.5.2剛性轉子的動平衡等級
4.5.3渦輪增壓器轉子動平衡量計算方法
4.5.4渦輪增壓器轉子動平衡去重要求
4.6渦輪增壓器轉子一軸承系統的密封與潤滑
4.6.1渦輪增壓器轉子一軸承系統常見密封結構
4.6.2渦輪增壓器轉子一軸承系統的潤滑形式
第5章壓氣機葉輪結構可靠性
5.1壓氣機葉輪的工作狀態參數分析
5.2壓氣機葉輪的載荷與應力分析
5.2.1壓氣機葉輪在離心載荷作用下的應力分析
5.2.2壓氣機葉輪在熱載荷作用下的應力分析
5.2.3壓氣機葉輪在氣動載荷作用下的應力分析
5.2.4不同載荷對壓氣機葉輪應力影響的對比分析
5.3壓氣機葉輪典型材料的力學性能
5.3.1鑄造成型壓氣機葉輪典型材料的力學性能
5.3.2銑削成型壓氣機葉輪典型材料的力學性能
5.4壓氣機葉輪振動分析
5.4.1壓氣機葉輪的振動頻率與振型
5.4.2不同載荷對壓氣機葉輪振動特性的影響
5.5壓氣機葉輪的超速破壞可靠性分析與評價
5.5.1壓氣機葉輪超速破壞的應力與強度
5.5.2壓氣機葉輪超速破壞時變可靠性模型
5.5.3壓氣機葉輪超速破壞可靠度與失效率變化研究
5.5.4壓氣機葉輪超速破壞可靠壽命的確定
5.6壓氣機葉輪輪轂疲勞可靠性評價與壽命預測
5.6.1壓氣機葉輪輪轂疲勞應力
5.6.2壓氣機葉輪輪轂疲勞強度
5.6.3壓氣機葉輪輪轂疲勞可靠性模型
5.6.4壓氣機葉輪輪轂疲勞可靠壽命確定
5.7壓氣機葉輪葉片振動可靠性分析與評價
5.7.1壓氣機葉輪葉片振動參數不確定性特徵分析
5.7.2壓氣機葉輪葉片振動失效判據
5.7.3壓氣機葉輪葉片振動時變可靠性模型
5.7.4壓氣機葉輪葉片振動可靠性變化研究與可靠壽命確定
第6章渦輪增壓器故障樹與典型失效案例
6.1典型車用渦輪增壓器故障樹分析
6.1.1故障樹分析的基本概念與建樹方法
6.1.2典型車用渦輪增壓器的故障樹
6.2某型渦輪增壓器旁通放氣閥杆疲勞斷裂研究
6.2.1旁通放氣閥杆斷裂失效模式分析
6.2.2旁通放氣閥杆斷裂失效機理
6.2.3旁通放氣閥失效原因及其改進措施
6.2.4結論
6.3增壓器壓氣機葉片斷裂故障分析
6.3.1壓氣機葉輪的故障原因分析
6.3.2壓氣機葉輪的改進設計
6.3.3壓氣機氣動性能試驗驗證
6.3.4壓氣機葉輪可靠性試驗驗證
6.4增壓器渦輪葉片斷裂故障分析
6.4.1渦輪葉片斷裂故障描述
6.4.2渦輪葉片斷裂故障原因分析
6.4.3結論與改進建議
6.5異物進入導致的壓氣機葉輪損壞故障分析
6.5.1空氣濾膠塊脫落引起的壓氣機葉輪損壞
6.5.2進氣連通管焊渣脫落引起的壓氣機葉輪損壞
6.6增壓器隔熱罩破損故障分析
6.6.1增壓器隔熱罩破損現象
6.6.2隔熱罩破損故障原因分析
6.6.3隔熱罩破損故障機理分析
6.6.4改進措施及試驗驗證
第7章渦輪增壓器結構可靠性試驗
7.1渦輪增壓器常用試驗參數的測量
7.1.1增壓器轉速的測量
7.1.2壓氣機流量的測量
7.1.3總溫的測量
7.1.4總壓與靜壓的測量
7.1.5振動參數的測量
7.2渦輪增壓器葉輪超速破壞試驗
7.2.1試驗目的
7.2.2試驗條件
7.2.3試驗方法
7.3渦輪增壓器殼體包容試驗
7.3.1試驗目的
7.3.2試驗條件
7.3.3試驗方法
7.4渦輪增壓器軸系振動試驗
7.4.1試驗目的
7.4.2試驗條件
7.4.3試驗方法
7.5渦輪增壓器結構考核試驗
7.5.1試驗目的
7.5.2試驗條件
7.5.3試驗方法
參考文獻
附錄標準正態分佈表

第1章 概述
1.1 渦輪增壓器的發展概況
1.1.1 渦輪增壓器的原理與應用
渦輪增壓器的出現始于20世紀初期，渦輪增壓器的應用促進了內燃機技術的快速發展。在面世初期，渦輪增壓器主要應用于船用發動機，例如，MAN公司于1925年便開展了船用柴油機渦輪增壓器的海上試驗，并獲得了成功。渦輪增壓器在車用發動機上的推廣應用開始于20世紀70年代，這得益于性能好、結構可靠、成本低廉的小型徑流式渦輪增壓器的成功研制，此后，渦輪增壓器技術便有了突飛猛進的發展。
渦輪增壓技術被譽為內燃機發展史上的第二個里程碑，被公認為內燃機技術的重要發展方向之一。隨著發動機動力性和經濟性要求的持續提高，以及世界各國發動機排放法規的日益嚴格，渦輪增壓器的使用范圍在不斷擴大，其產品也在不斷地進行更新換代。渦輪增壓技術保持著方興未艾的發展勢頭［1］。
1.渦輪增壓器原理
渦輪增壓器在車用發動機上的應用主要源于發動機對功率強化的需求。對于車用發動機而言，總是希望能夠在有限的工作容積下發出盡可能高的功率，即擁有較高的功率密度。
發動機的輸出功率可以表示為penNE＝30τiVh（1.1）
式中，NE為發動機輸出功率，kW；Pe為缸內平均有效壓力，MPa；Vh為氣缸工作容積，L；i為發動機缸數；n為發動機轉速，r/min；τ為沖程系數，四沖程為4，二沖程為2。通常，在發動機排量保持不變和沖程數一定的前提下，提高發動機輸出功率的技術措施主要有兩種：一是提高發動機轉速，二是提高缸內平均有效壓力。
提高發動機的轉速將帶來發動機燃燒過程惡化、容積效率和機械效率急劇下降、可靠性降低、噪聲加大等問題。目前，高速柴油機的轉速為4000r/min左右，高速汽油機的轉速為10000r/min左右，均已接近目前技術水平的極限。
然而，提高發動機缸內平均有效壓力，發動機的機械負荷和熱負荷并不成比例增加，因此允許平均有效壓力大幅度提高，甚至成倍增長。提高發動機的缸內平均有效壓力，就是在有限的發動機工作容積（排量）內，通過充入更多的空氣和燃油，在有限容積內實現更大功率的輸出。
渦輪增壓器的作用就是將發動機的進氣進行預壓縮，提高進氣密度，從而增大有限工作容積內的空氣質量。
圖1.1為渦輪增壓器在發動機上的工作原理示意圖。渦輪增壓器的驅動力來源于發動機排出的廢氣能量，由于從發動機缸內排出的燃氣仍具有一定的壓力和溫度（500～800℃），可以在增壓器渦輪中繼續膨脹做功，渦輪端在獲得能量后高速旋轉，并將所獲得的機械能傳遞給與其共軸連接的壓氣機。壓氣機由渦輪帶動進行高速旋轉，從而實現進氣壓力的提高，即增大進氣密度。大多數渦輪增壓柴油機在壓氣機后加裝中冷器，以達到降低壓氣機出口氣體溫度，并進一步提高進氣密度的目的；同時，也能夠降低缸內最高燃燒溫度和NOx排放。
圖1.1 渦輪增壓器工作原理示意圖
車用發動機在加裝渦輪增壓器之后，能夠獲得多方面的性能改進，具體有以下方面：
（1）渦輪增壓技術使發動機在整體質量和體積基本不變的前提下，輸出功率得到極大提升，不僅實現了發動機功率強化，同時也降低了發動機的單位功率成本，對于大型柴油機而言經濟效益則更加明顯。
（2）與自然吸氣式柴油機相比，發動機排出的廢氣能夠在渦輪中進一步膨脹做功，有利于降低發動機的排氣噪聲。
（3）內燃機增壓有利于在高原地區稀薄空氣的條件下恢復功率，減小功率損失，提高車輛機動性。
（4）柴油機增壓后，缸內溫度和壓力水平均有不同程度的提高，有利于縮短滯燃期，降低燃燒噪聲和壓力升高率。
（5）柴油機在增壓后能夠獲得更高的過量空氣系數和性能儲備，為HC、CO和PM等排放指標的實現提供了先決條件。
（6）渦輪增壓器的工作能量來源于發動機的排氣能量，然后又通過壓縮空氣提供給發動機，提高了發動機的整機能量利用率，能夠有效降低發動機的燃油消耗率，提高經濟性。
然而，車用發動機在進行渦輪增壓之后也帶來一些新的問題，包括以下方面：
（1）發動機增壓后，機械負荷和熱負荷均有所加大，內燃機的結構可靠性需要重新評估和設計。
（2）發動機在低速工況時由于排氣能量不足，往往會引起發動機低速性能的惡化，需要采取針對性的措施加以解決。
（3）渦輪增壓發動機在加速過程中，從排氣能量變化到進氣壓力建立需要一定時間，同等功率增壓發動機的加速響應性能比自然吸氣式發動機差。
（4）增壓柴油機進一步的性能優化，對增壓器在機械強度、耐熱性能、潤滑、效率等方面的要求將更加苛刻［2］。
2.渦輪增壓器應用
由于渦輪增壓器的應用，能夠使車用發動機同時獲得動力性、經濟性、排放性等多方面綜合性能的提升，渦輪增壓器在車用發動機領域獲得了極廣泛的應用。
渦輪增壓器首先在車用柴油發動機上獲得了廣泛的應用，這是由于柴油機采用缸內直噴的供油方式，同時不存在爆震等問題，所以在柴油機上實現渦輪增壓相對容易。此外，柴油機能夠承受很高的增壓壓力（增壓比可以達到5.0以上），柴油機在使用渦輪增壓技術后其功率可以得到大幅度的提升，使其功率翻倍甚至更多。在車用柴油機領域，基本上已經形成“無機不增壓”的局面，渦輪增壓器逐漸成為柴油機的標準配置，并且隨著駕乘、排放、油耗等性能指標要求越來越嚴格，又發展出各種不同結構、不同型式的新型渦輪增壓器或渦輪增壓系統。
汽油機由于受到汽油燃料在缸內爆震燃燒的限制以及更高排氣溫度（已達到1000℃以上）對材料性能的影響等，渦輪增壓器在汽油機上的應用受到一定的制約。近年來，隨著材料性能的不斷提高，以及汽油機缸內直噴技術（GDI）、稀薄燃燒技術等的發展與應用，渦輪增壓器在汽油機上的應用在逐步擴大。渦輪增壓技術開始進入轎車汽油機領域，并成為各大汽車廠商競相追逐的技術亮點。
1.1.2 渦輪增壓器的基本結構形式
渦輪增壓器是一種高速旋轉機械，典型的渦輪增壓器整體上可以分為壓氣機、渦輪機、轉子系統和軸承體四個部分，其結構如圖1.2所示。
1.壓氣機
壓氣機由壓氣機葉輪、壓氣機蝸殼和壓氣機背盤組成，相當于葉輪式壓縮機的轉子和靜子部分，其結構如圖1.3所示。壓氣機葉輪是壓氣機的做功部件。絕大多數車用渦輪增壓器的壓氣機葉輪為徑流式，壓氣機利用葉輪高速旋轉對氣流做功，使其在葉輪出口處達到較高的氣流速度。壓氣機蝸殼為多個功能通道的集成部件，與壓氣機背盤配合形成壓氣機的進氣通道、擴壓器、集氣殼和出氣通道。其中，擴壓器的主要作用是對葉輪出口的高速氣流進行減速擴壓，利用擴壓器通道直徑的變化來增大氣流的流動面積，從而降低氣流速度，提升氣流靜壓。
圖1.3 壓氣機結構
壓氣機的性能主要由葉輪和擴壓器決定。從擴大壓氣機流量范圍、提高壓氣機效率等方面考慮，大多數的渦輪增壓器壓氣機葉輪采用前傾后彎式。同時，由于渦輪增壓器的轉速很高，并且在壓縮過程中氣流溫度會發生較大的升高，葉輪設計還需要考慮材料的結構強度和耐高溫性能等。目前，葉輪的制造材料多用鑄鋁或鍛鋁（鍛鋁的耐高溫、強度性能更好），而加工方式采用鑄造或者鍛鋁銑削（鍛鋁銑削加工能夠保證更高的精度和強度）。
擴壓器可分為有葉擴壓器和無葉擴壓器，車用渦輪增壓器為兼顧寬廣的高低速性能，一般采用無葉擴壓器。無葉擴壓器實際上是由兩個平行壁組成的環形通道，通過氣流在環形通道內的等環量運動來實現減速擴壓。無葉擴壓器具有結構簡單、設計制造容易等優點，且流量范圍較寬，因此被大多數的渦輪增壓器所采用。有葉擴壓器通過在環形通道內加入葉柵，使氣流在擴壓器內部能夠按照設計的進口角度和出口角度進行流動，在設計點具有較高的效率，能夠實現更高的壓比；但是當偏離設計點時其性能較差，同時，葉型設計和加工都較為復雜。有葉擴壓器在航空活塞式發動機、船用發動機以及固定發電發動機上有較多應用，而在對流量范圍有較寬要求、運行工況多變的車用發動機上應用則較少。
為實現渦輪增壓器的輕量化，壓氣機的蝸殼和背盤一般選用鑄鋁材料，近年來也有嘗試采用質量較輕的工程塑料等新型材料來代替。
2.渦輪機
渦輪機由渦輪箱和渦輪葉輪組成，分別相當于渦輪級的靜子和轉子。絕大多數車用渦輪增壓器采用徑流式渦輪葉輪，并與轉軸通過焊接連為一體，形成渦輪轉子，如圖1.4所示。渦輪是渦輪增壓器的功率輸出部件，其能量來源于發動機排氣中的可用焓降。渦輪將發動機排出的高溫、高速氣體能量轉化為機械功，通過轉軸傳遞給壓氣機葉輪。渦輪箱的作用相當于一個噴嘴，其入口與發動機排氣管相連；具有一定總溫、總壓的發動機燃氣在渦輪箱中膨脹加速，然后以一定的角度和速度進入渦輪葉輪，并將渦輪排氣送入發動機排煙管中。目前，車用渦輪增壓器的渦輪箱多數為無葉式，其優點是制造簡單且結構可靠。但是，隨著對渦輪性能要求的進一步提高，某些渦輪箱在流動通道中加入了噴嘴環，并且能夠對噴嘴環的安裝角度進行調整，從而根據發動機的不同工況使氣流以最佳的速度和角度進入渦輪，實現渦輪在發動機整個工況內的高效率，這也是目前較流行的VNT技術（可變噴嘴渦輪增壓器）。VNT渦輪增壓器能夠有效地改善發動機的全工況油耗和加速性能，可調噴嘴機構的控制及其可靠性是VNT渦輪增壓器在研制過程中需要突破的技術瓶頸之一。
圖1.4 渦輪轉軸與渦輪箱實物
由于渦輪和渦輪箱均處在高溫燃氣環境下工作，對材料均有很高的耐熱性要求。目前，渦輪的制造方式多為鑄造成型，所用材料為高溫合金，應用較多的是鎳基高溫合金K418。渦輪箱大多采用整體鑄造方式制造，所用材料為高鎳鑄鐵材料，例如NiCr353等。對于汽油機渦輪增壓器，發動機的排氣溫度高達1000℃以上，渦輪材料的耐熱性要求更高，渦輪箱可以采用耐熱性能更高的鑄鋼材料。
近年來，為實現輕量化和提高渦輪增壓器的瞬態響應性，已有嘗試采用比強度更高的鈦鋁合金材料來制造增壓器渦輪，以及在滿足包容性設計要求的前提下采用分段焊接的方式來制造渦輪箱。
3.轉子系統
典型渦輪增壓器的轉子部分如圖1.5所示，轉子并不是一個獨立的部件，而是通過焊接技術（摩擦焊或電子束焊）將渦輪與轉軸連接在一起，并通過軸端螺母將壓氣機葉輪、軸封套、間隔套、止推片、甩油環與轉軸固定，形成相對位置固定、一同做高速旋轉運動的“啞鈴狀”轉子。
圖1.5 渦輪增壓器轉子總成
渦輪增壓器轉子的轉速非常高，普通車用渦輪增壓器的轉速為60000～100000r/min，而某些渦輪增壓器的最高轉速可以達到260000r/min以上。由于轉速很高，渦輪增壓器轉子也是比較容易發生故障的部件之一。
渦輪增壓器轉子在安裝前，必須對轉子中的壓氣機葉輪、渦輪等部件做單獨的動平衡，并最后做轉子的整體動平衡。
4.軸承體
渦輪增壓器軸承體為轉子的支撐部件，通過與內部安裝的軸承、止推板、擋油片、密封環等其他部件結合，為渦輪增壓器的轉子提供潤滑、密封、支撐、止推等，并為渦輪增壓器在發動機上的安裝提供連接位置。