第1期（总第228期) 2017年2月
车用发动机 VEHICLEENGINE
No.1(Serial No.228)
Feb.2017
增压器压气机叶轮在高原环境下的失效分析与改进
张继忠"，武爱军'，胡力峰"，王林起”，装伟"，闽瑞乾"，庄丽(1.中国北方发动机研究所荣油机增压技术重点实验室，天津
300400；
2.中国北方通用动力集团有限公司，天津300400）
摘要：针对高原环境下增压器超速引起的压气机叶片断裂的间题，介绍了放障定位、故障分析、故障再现以及改遗等处理全过程。从增压器工作载荷谱入手，分析了叶轮的应力分布、叶片模态变化，确定了叶片不同部位的失效模式。从降低转速、提高叶片固有频率和提高出口处叶片的抗减劳强度三方面优化了压气机叶轮，通过故障再现的对比性试验、性能对比试验等验证，结果表明，改进后的增压器最高许用转速提高10%，满足了发动机变海的使用要求。
关键词：压气机；叶轮；高原环境；失效分析 D0I: 10.3969/j.issn,1001-2222.2017.01.003
中图分类号：TK413.5
文献标志码：B
文章编号：1001-2222(2017)01-0014-07
增压技术是内燃机发展过程中的里程碑技术，它可以有效地改善缸内燃烧，提高动力性，对内燃机实现节能减排具有十分重要的意义在高原环境下，废气增压器会因自适应能力而提高转速，从而使发动机在单位时间内获得更多的进气量，因此，带有废气涡轮增压的内燃机具有一定程度的功率恢复能力，但同时也给增压器带来了很多可靠性隐患，
增压器超速运行，压气机叶轮可能会出现以下 3种失效模式：一是叶轮承受的机械应力随转速呈平方关系急剧增加，当超过材料的极限值时叶轮飞散3}；二是在载荷没有达到材料极限值情况下，叶轮长时间承受高应力或大幅度交变应力作用，会产生疲劳破坏；三是转速上升导致作用在叶片上周期性变化的激振力及其频率增加，当激振力频率与叶片固有频率相等或成整数倍时，叶片就会发生共振，很快产生疲劳裂纹并断裂[3]。
本研究通过压气机叶轮叶片断裂故障处理的个典型案例，分析增压器在高原和平原的工作载荷剖面，利用Campbell图、局部应力应变、疲劳损伤累积理论等方法，分析叶片断裂的机理，找到了失效原因，并根据叶轮关键参数变化规律和相互影响关系对叶轮进行改进，改进后的压气机叶轮满足了增压
收稿日期：2016-01-26；修回日期：2017-02-24
基金项目：国防科技重点实验室基金（61422120303162212004)
器高原环境下的使用要求。
故障分析与定位
某款废气涡轮增压柴油机完成平原环境耐久考
核后，在高原环境试车试验中，先后有3台增压器出现故障，每台增压器的工作时间在600～700h，其中高原环境运行时间占总运行时间的11%～15%。故障模式均为压气机叶轮叶片断裂，其中申损坏最为严重的增压器总运行时间为641h，高原运行100h。如图1所示，叶轮进口有一处叶片断裂，出口有2处叶片断裂，由于轴系失稳，其余叶片与蜗壳相蹭。增压器压气机上游的零部件均完好，排除了进异物的可能。
对叶轮进口和出口两处断裂部位进行了金相组织检查，叶轮进口处的叶片断裂基本沿叶片一阶固有频率的节线方向，裂纹起源处在叶轮进口处，较光滑，沿叶轮出口方向扩展，裂致出口的断面较为租糙，属瞬时断裂；分析叶轮出口处的断层，发现断裂起源发生在叶轮出口处，逐渐向叶轮进口延伸，折转约90°后断裂，裂纹起源处较光滑，断口隐约可见疲劳贝纹线，属疲劳断裂，折转90°后断面粗糙，属瞬时断裂。
作者简介：张维患（1970—），男，研究员，主要研究方向增压技术；dtxjz@163.com，
通讯作者：庄丽（1980—），女，助理研究员，主要研究方向系统调节；lzhuang@nlett,com。