涡轮增压器轴向力分析与止推轴承承载力评估

张健健，马敏，李伟，王孝丽

1.康跃科技(山东)有限公司，山东 寿光 262718；2.机械工业内燃机增压系统重点实验室，山东 寿光 262718；3.山东大学 能源与动力工程学院,山东 济南 250061

0 引言

涡轮增压器叶轮高速运转时，叶片与背盘处形成非常大的气压载荷差，导致叶轮两侧气动载荷不对称，形成沿轴线方向的作用力，该轴向力主要由增压器止推轴承承载[1-2]。因此在增压器设计时，需准确计算轴向力的大小，选择相应承载能力的止推轴承，防止止推轴承失效。止推轴承影响涡轮增压器的机械效率，止推轴承失效是涡轮增压器的主要失效形式之一[3-5]。

目前轴向力的计算多采用经验公式或试验测量，国内研究开发的测量系统主要针对小流量且低转速工况，但增压器实际运行时，止推轴承在变负荷工况下工作[6-10]，启动时，压端轴向力会突然增大；停机时，涡端轴向力会突然增大[11]，所以对轴向力的仿真分析十分必要。

1 轴向力理论计算

通过动力学、热力学分析，轴向力理论计算可采用文献[12]中的计算方法。涡轮增压器轴向力简图如图1所示，涡轮增压器轴向力为压气机端轴向力FC和涡轮机端轴向力FT的合力。压气机端轴向力由施加在压气机进气面的力F1C、施加在叶轮子午面的力F2C、施加在叶轮上的脉冲力F3C和叶轮轮背的作用力F4C4部分构成。涡轮机端轴向力与压气机端相同，涡轮机端轴向力由涡轮机出气端面的力F1T、施加在涡轮子午面的力F2T、施加在涡轮上的脉冲力F3T和涡轮轮背的作用力F4T4部分构成。……