Ansys一款涡轮增压器热机疲劳分析及试验验证

一款涡轮增压器热机疲劳分析及试验验证

[秦承军，吴书朋，王海滨， Liang, Erwin]

[霍尼韦尔综合科技有限公司交通运输部门，201203]

[ 摘要 ] 车用涡轮增压器可以提高发动机输出功率和扭矩，提高车辆低速响应特性，提升燃油经济性，帮助发动机设计轻量化，满足排放标准而成为当前汽车市场的热点。其原理简单，但是处于瞬态高

温工作环境下，加上低成本的材料要求使其工作在接近材料极限温度的条件下，其力学行为和强

度评估非常复杂。霍尼韦尔增压器业务结构强度部门根据工程需要开发的高温热-机械疲劳评估

模型和方法可以有效解决增压器的强度失效问题。本文针对一款车用柴油涡轮增压器旁通阀口在

发动机上的耐久性试验中的开裂问题，运用该模型和方法，结合工程经验，找出失效原因，提出

了解决方案，实物试验验证了该解决方案的有效性。

[ 关键词 ]霍尼韦尔，涡轮增压器，热应力，失效，热-机械疲劳(TMF)

TMF Life Evaluation and Validating by Testing for one

Turbocharger

[Qin, Chengjun； Wu, Shupeng; Wang, Haibing; Liang, Erwin]

[Honeywell HTSC-TS, 201203]

[ Abstract ] The turbocharger is a hot spot in automotive industry since it enhance the engine power and torque without any emission tradeoff; It improve vehicle low speed response and fuel

economy; And it get engine smaller and lighter. Though, turbocharger working principle

isn't complicated. It is not easy to know clearly its structure mechanics behaviors, strength

and life evaluation due to the very high temperature operation condition with possible

cheapest material selection. Honeywell Turbo Technology developed serials modeling and

methodology to solve the engineering issue. It includes the gas flow and thermal boundary

condition for turbine housing, Chaboche model parameter for TMF (thermo-mechanical

fatigue) life evaluation, etc. This paper introduce a practice using these modeling and

methodology to solve successfully a waste gate crack issue occurred in one diesel

turbocharger endurance test on engine.

[ Keyword ] Honeywell, Turbocharger, thermal stress, failure, thermo-mechanical fatigue (TMF).

1前言

涡轮增压器是利用发动机排出废气的热能和动能来压缩空气以增加发动机进气量，在保持发动机工作效率不变和不加大发动机排量的情况下可以有效提高发动机的功率及扭

矩。由于其具有提高车辆低速响应特性，提升汽车燃油经济性，有利于发动机设计轻量

化，特别是有助于满足要求日益严格的车辆排放标准法规等一系列优点。在当今世界包括

中国汽车市场中成为热点并得到了广泛的应用，霍尼韦尔公司增压器部门生产的盖瑞特牌

（Garrett）涡轮增压器在业界不论全球市场还是技术都处于领先地位，拥有多项增压器相

关专利，是中高端汽车品牌提升车辆性能和体现品牌品质的保证。

图1 发动机-涡轮增压器系统原理图

虽然涡轮增压器的原理非常简单，但是由于它直接处于发动机排气侧，来自于发动机排气的热量和冲击使得增压器在汽车运行过程中处于复杂的工作状态，承受着非常严酷的

瞬态热负荷。除了精密的轴承系统和气动叶轮部件可能因此产生各种问题外，涡壳材料因

为处于很高的温度以及快速、大范围的温变状态下长期工作也容易导致出现热-机械疲劳

强度失效及蠕变强度失效等相关问题。本文针对一款车用柴油涡轮增压器旁通阀口在发动

机试验中出现的开裂问题及其解决方案进行探讨，以冀增加对复杂几何结构热应力强度失

效问题的了解和解决此类问题的一些工程经验。文中部分数据出于保密要求未详细给出。

2 涡壳旁通阀口发动机试验中的开裂失效及解决方案

霍尼韦尔公司为客户开发的一款柴油涡轮增压器在客户发动机上进行耐久性试验后，在低压端涡壳的旁通阀口区域出现了贯通裂缝。因为该区域需要控制气体是否通过，该处此类裂缝的存在可能造成气体泄漏量超限而使整机工作性能下降或失效，需要通过力学分析来查找导致开裂的原因，进而指导改进设计以尽可能减小或者避免这种开裂。

2.1 产品介绍

下图2所示为涡轮增压器的示意图。涡壳材料采用SiMo 类的球铁，通过高压端涡壳进气口法兰位置处的控制阀门和发动机排气侧相连。整个产品零件多，热端相对复杂的几何设计会造成在瞬态热负荷下的材料热惯性效应相互影响，涡壳内的瞬态热量传递分布过程变得复杂。

2.2 失效形式和原因分析

该增压器按照客户标准在客户的发动机上经受耐久性试验，试验中增压器进气温度在200℃到830℃之间循环变化，试验后在低压端涡壳旁通阀口区域发现开裂的情况，如下图所示。

图2 涡轮增压器的示意图