涡轮增压器主要部件结构特性及改进研究

平衡。造成回油腔压力升高的原因，主要是通过油 封间隙泄漏到回油腔内的气体与回油腔内的滑油形 成大量的油气混合物，阻碍了滑油的自然回流。
（３）增压器的低转速和变工况。增压器低转速 运行时，压气机叶轮背面及扩压器气封腔内的压力 较低，甚至可能是负值，此时油封内侧的滑油易被 “吸人”到油封外侧而造成漏油。增压器变工况时， 特别是从高转速突然降至低转速运转时，回油螺纹 油封会因滑油在螺纹中的惯性作用，造成油封漏 油。而涨圈油封，仅在轴向推力变化使转子产生轴 向窜动时，因挤压作用造成油封漏油。 ２．２．２油封结构的改进方案
关键词：机车柴油机；废气涡轮增压器；轴承；油封；喷嘴环；结构与改进
中图分类号：Ｕ２６２．１１
文献标识码：Ａ
随着铁路客货运输提速、重载发展的要求，内 燃机车单机牵引功率、机车运用负荷率和柴油机强 化程度相应提高，为此，要求涡轮增压器不但要有 良好的性能，而且要有高可靠性。涡轮增压器在运 用中曾因浮动轴承烧损、转子积碳固死（油封漏 油）及喷嘴环热疲劳裂损、叶片变形等多发性故 障，而影响柴油机正常工作，甚至造成机破故障， 对其结构特性的研究与改进有助于提高增压器的整 体寿命和可靠性ｎ］。此外，增压器的大修主要以换 件修为主，提高其主要部件的可靠性，既可降低使 用成本，又可确保使用期内的安全运用。
涨圈式油封与回油螺纹油封的试验结果表明， 不同油封结构，其压气机和涡轮回油腔内的压力不 同，如图４，图５所示。可以看出涨圈式油封结构 的回油腔压力要低于回油螺纹的油封结构。尽可能 保持回油腔压力稳定和减小回油腔压力，是防止油 封漏油的有利因素。因此，涨圈式油封结构的密封 效果要优于回油螺纹的密封效果。 ２．３．２组合油封结构的筛选结果
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式中，ｒｔ。，”，分别为主轴和浮动套转速；艿。，艿：
分别为轴承中的内、外间隙；，．，，ｒ：分别为主轴和
浮动套外半径；ｅ。，￡：分别为内、外间隙偏心度
（￡ｌ＝ｅｌ／８ｌ，ｅ２＝ｅ２／８２），ｅｌ，ｅ２分别为内、外间 隙偏心距。
由式（１）可见，浮动套转速与其结构参数密切 相关，当主轴径结构参数确定后，影响浮动轴承性 能的结构参数主要是其内外间隙比。实际使用中， 也主要是因浮动轴承磨损而影响其工作性能，并导 致轴承故障。为定量确定浮动套转速与其结构参数 （内、外间隙）间的关系，按图１所示测量原理［３］， 通过安装在浮动套上的磁钢及轴承盖上的霍尔元
２ 增压器油封结构特性及改进研究
机车柴油机涡轮增压器油封漏油是造成增压器
万方数据
７４
中国铁道科学
第２５卷
转子积碳固死的典型质量故障，曾是制约增压器长 期可靠使用的薄弱环节。产生漏油的原因，除了增 压器内部各处压力不平衡外，还与密封结构设计、 机油量选择是否恰当、回油是否通畅等因素有关。 ２．１涡轮增压器典型油封结构及存在的问题
小。反之，当主轴转速相同，浮动套内间隙不变 时，浮套转速则随外间隙增大而增大。而且浮动轴
承的结构参数对浮套转速的影响十分明显。因此， 为保证浮动轴承的正常工作，需要严格控制浮动轴 承的内、外间隙比。此外，值得注意的是，滑油温 度的变化也将引起浮套转速的变化，而轴承材质变 化则对浮套转速没有明显的影响，这一特性有利于 为提高轴承可靠性而优选材质。
实际使用中，径向浮动轴承的主要故障为轴承
烧损。研究表明，造成浮动轴承烧损的主要原因， 是使用中滑油清洁度下降，浮动套过度磨损的结 果。此外，也有因滑油压力低或滑油量小以及轴承 结构参数控制精度不够严密等因素所致。 １．１浮动套转速测量
理论研究表明心３浮动套转速可用下式确定：
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第２５卷Ｉ多２魍
２ ０ ０ ４年４月
中 国铁 道科学 ＣＨＩＮＡ ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＣＩＥＮＣＥ
文章编号：１００１—４６３２（２００４）０２．００７２—０６
Ｖ０１．２５ Ｎｏ．２ Ａｐｒｉｌ．２００４
涡轮增压器主要部件结构特性及改进研究
周 虹伟
（铁道科学研究院机车车辆研究所，北京１０００８１）
摘要：机车柴油机用废气涡轮增压器浮动轴承烧灼、转子积碳固死及喷嘴环热裂、叶片变形等是影响增 压器可靠运用的多发故障。通过对浮动轴承浮动套实际转速测量及轴承内外间隙调整试验，指出了浮动轴承烧 损的主要原因是浮动套内间隙的增大，提出了以滑动轴承代替浮动轴承的设计方案；通过增压器油封密封机理 分析及不同油封对回油腔压力变化影响的试验对比分析，设计了涨圈加反螺纹组合式油封，筛选出了最佳组合 方式；喷嘴环用材料力学性能及喷嘴环结构热疲劳力学试验结果表明，采用以２Ｃｒｌ３为材质、不带外环的插嵌 式喷嘴环结构，既可消除喷嘴环热裂故障，其插嵌式单片精铸叶片又可保证静叶型线准确及叶片表面光洁度。 改进后的部件结构有效提高了增压器整机使用的可靠性。
因机车柴油机涡轮增压器浮动轴承烧灼主要是
滑油清洁度（清洁度要求≤２０ ｍ）降低所致，即
轴承因磨损而使配合间隙增大，特别是内间隙的增 大显然要高于外间隙，从而破坏了浮动轴承的转动 性能。试验研究结果也表明轴承内间隙增大到一定 程度，浮动套转速将急剧下降而影响轴承正常工 作，若频繁的换油则势必加大运用成本。因此，为 保障润滑条件满足浮动轴承运用的要求，在机车结 构布置许可的条件下，机车柴油机可以考虑采用双 滑油系统，即增压器采用独立的润滑系统。显然， 其缺点是增加了机车柴油机润滑系统的结构复杂性 和系统布置难度。
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ｎｆ一浮套转速；ｎ一主轴转速 图２浮动轴承内间隙与浮套转速的关系
ｎｆ一浮套转速；ｎ一主轴转速 图３浮动轴承外间隙与浮套转速的关系
１．３提高轴承可靠性的措施 鉴于现场使用中滑油滤清程度的现状，为提高
０
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１５ ０００ ２０ ０００ ２５ ０００
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图４压气机端回油腔压力
０００ ｎ／ｒ．ｒａｉｎ一１
图５涡轮端回油腔压力
表２油腔内部压力测量值
ｍｍＩ－１２０
３喷嘴环结构特性及改进研究
增压器喷嘴环是保障增压器性能及其与柴油机
良好工作匹配的重要气动元件之一。目前主要为 １Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ和２Ｃｒｌ３∞ｏ。喷嘴环故障主要为喷嘴环 热疲劳裂损和叶片变形。喷嘴环一旦因机械故障而 影响其气动性能，将改变喷嘴环与涡轮间的气动匹 配关系，势必降低增压器工作效率，破坏增压器与 柴油机的匹配，导致柴油机增压系统工作的恶性循 环，严重时将明显造成柴油机排温高、热负簧增 加、排气冒黑烟和经济性能下降等现象，进而引发 其它机械故障造成机破［７］。因此，为提高喷嘴环的 工作可靠性及其价格性能比，通过喷嘴环结构特性 和热疲劳性能试验分析，对喷嘴环在其特定工作环 境下的力学性能、热疲劳性能和损坏机理等方面的 研究，比较不同材料（１Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ和２Ｃｒｌ３）对 喷嘴环力学性能及热疲劳性能的影响。 ３．１材质的力学性能研究
非接触式油封是为避免密封装置的附加机械摩 擦损失，而设计的一种密封元件不与旋转轴直接接 触的密封结构，其主要有回油螺纹和甩油盘等型 式，原４５ＧＰ８０系列涡轮增压器就使用了回油螺纹 加甩油盘的密封结构。实践证明，该结构型式的油 封，由于其静态工作间隙的影响，增压器在低转速 和变工况下的密封效果不够理想，且随增压器使用 时间的延长，漏油故障率明显增加，不能保证增压 器长期可靠使用的要求，需要改进设计。 ２．２油封结构的改进 ２．２．１ 影响油封密封性能并造成漏油现象的原因
１增压器轴承结构特性及改进研究
增压器轴承对其总效率和结构可靠性，起着重 要作用，是增压器结构中的薄弱环节，轴承一旦损 坏，整个增压器就无法继续工作，故提高轴承寿命 和可靠性乃是保证增压器寿命的关键。目前机车柴 油机涡轮增压器的径向轴承主要为滑动轴承 （ＺＮ３１０系列）和浮动轴承（ＶＴＣ２５４与ＺＮ２９０系 列）两大类。就目前机车用增压器轴承故障而言， 浮动轴承故障率明显高于滑动轴承。
目前机车柴油机涡轮增压器的油封多采用涨圈 式的油封结构。该种油封较４５ＧＰ８０系列增压器的 油封的密封效果有了明显的改进，在一定程度上缓 解了增压器油封漏油的故障现象。但随着机车中修 公里的延长（３０万ｋｍ），以及涨圈质量和油封装 配质量的离散性，油封漏油现象仍比较突出。为 此，在增压器油封实验台上比较了不同油封结构 （回油螺纹结构和涨圈式结构及其相应的组合）的 工作特性和封油状况，以及涨圈油封结构中涨圈槽 间隙、位置、数量和加工精度等结构参数对油封工 作状态的影响，提出了涡轮与压气机端均采用涨圈 加回油螺纹的组合油封结构【４’５Ｊ，以及合理设计回 油孔，并相应加大回油腔等改进方案。改造后的油 封，投入运用后，尚未发现有漏油现象产生。 ２．３油封结构改进试验研究结果 ２．３．１ 两种不同油封结构的试验对比结果分析
（２）回油腔压力。由于润滑轴承后的滑油依靠 重力自然回流到油箱，因此，在进油压力一定的条 件下，回油腔压力的大小，影响回油腔内滑油的存 积量和回油排空的时间，一旦回油腔压力过大（回 油不畅），回油腔存积油量过多，则极易使其从油 封间隙中漏出。此外，较高的回油腔压力，伴随滑 油的排空，其压力波动将干扰曲轴箱内正常的压力
机车柴油机涡轮增压器油封结构的具体型式， 按其作用可分为接触式和非接触式两大类。 ２．１．１接触式油封
接触式油封结构的密封件有铸铁涨圈 （ＺＮ３１０，ＺＮ２９０，ＶＴＣ２５４，ＶＴＣ２１４系列）和石 墨碳精圈两类（２６１Ｐ系列）。通常情况下涨圈式油 封能较好地起到密封作用，但其结构和安装精度要 求较高，涨圈的质量决定了油封的密封效果和可靠 性。碳精圈式油封由于其结构强度较低，长期使用 时可靠性和耐久性较差。目前，接触式油封结构多 趋向于使用强度高、耐磨性好的铸铁涨圈式油封。 ２．１．２非接触式油封
万方数据研究
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内压力而将回油腔直通大气或通往曲轴箱的效果， 又避免了后者污蚀车外表面和扰乱曲轴箱内压力的 弊病。同时，回油螺纹在高速时良好的动态封油特 性和较高的可靠性，提高了油封结构的密封效果和 可靠程度，因此，这种组合方式较其它组合方式能 获得更好的密封效果。
收稿日期：２００３—０９．２０ 作者简介：周虹伟（１９６４一），男，河南开封人，副研究员，博士。 基金项目：北京铁路局科技开发计划项目（２０００Ｊ０７）
万方数据
第２期
涡轮增压器主要部件结构特性及改进研究
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大量油封试验筛选研究表明，动静态密封效果 较好的涨圈式油封与高速密封性能好且可靠性较高 的回油螺纹结构的组合，具有更好的互补封油作 用。表２为涨圈与回油螺纹的４种组合方案在增压 器试验台上所得的试验结果。显然，涡轮与压气机 两端均采用涨圈在外、回油螺纹在内的组合方式 时，回油腔内的压力波动最小。尤其是涨圈结构与 回油螺纹的合理搭配，既取得了以往为控制回油腔
大量实践经验和理论分析表明，造成油封密封 性能下降，进而导致其漏油的主要原因，可归结为 以下几个方面。
（１）油封静态间隙。油封静态间隙超标是造成 增压器静态和低转速漏油的主要原因。值得注意的 是，油封结构形式不同，影响其密封性能的静态间 隙也不同。非接触式的回油螺纹油封，主要是其固 有的径向间隙；接触式的涨圈油封，主要是环与环 槽间的端面间隙，开口间隙次之。
件，实测了压气机端浮动套转速。
图１ 浮动套转速测量原理示意图
１．２浮动轴承结构参数对浮动套转速的影响 试验用机车柴油机增压器浮动轴承的主要结构
参数设计值如表１所示。 表１试验用增压器浮动轴承主要结构参数设计值
实测浮动套转速随其内、外间隙的变化规律如
图２、图３所示。试验结果表明，当主轴转速相同， 浮动套外间隙不变时，浮套转速随内间隙增大而减
增压器浮动轴承的可靠性，考虑采用以下措施。 １．３．１用滑动轴承代替浮动轴承
实践证明机车柴油机用废气涡轮增压器的径向 滑动轴承在使用中极少发生烧损故障，具有很高的 可靠性。但值得注意的是，若要用滑动轴承代替浮 动轴承，则必须使转子的最高工作转速低于转子的 临界转速。对ＶＴＣ２５４和ＺＮ２９０增压器浮动轴承 的试验研究表明，在保证增压器壳体结构不变的前 提下，新设计以滑动轴承代替浮动轴承的转子（暂 定名为ＺＮ３１０．２增压器），采用主轴加轴套的方式， 可确保转子的临界转速大于转子的最高转速。改变 后的轴承结构经台架试验后，装车使用一个中修 期，增压器运转状态良好，其轴承对润滑条件的要 求较原增压器低，与ＺＮ３１０型增压器相同。 １．３．２增压器采用独立润滑油系统