国外单级大流量高压比增压技术发展综述

2017年 4 月
胡 丰 泽 ：国 外 单 级 大 流 量 高 压 比 增 压 技 术 发 展 综 述
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界层发展被抑制，其 效 率 比 圆 形 前 缘 结 构 髙 0 . 2 % 。 Hideaki Tamaki[13H S验研究了有叶扩压器安装角 对 压 气 机 性 能 的 影 响 ，这 为 进 行 叶 轮 与 有 叶 扩 压 器 匹配设计提供了许多有益的设计指导。
A 1 0 0 系列涡轮增压器在满负荷优化运行时具 有 优 异 的 热 力 学 性 能 ，在 新 发 动 机 设 计 所 要 求 的 精 确压比范围内，A 1 0 0 系 列 增 压 器 的 效 率 比 T P S 型 增压器高很多。A 1 0 0 系列增压器代表了现代中高 速发动机单级涡轮增压技术发展的重大突破。
A100系列增压器开发了一种新型混流涡轮， 采 用 了 独 特 的 叶 型 设 计 ，这 种 涡 轮 以 其 高 的 运 行 极 限 而 著 称 。利 用 这 种 涡 轮 ，可 以 进 一 步 发 挥 高 压 比 压 气 机 的 潜 力 ，以 达 到 更 宽 的 应 用 范 围 。开发的柔 性 密 封 技 术 可 以 进 一 步 降 低 流 动 损 失 ，提 髙 涡 轮 效 率 。新 型 涡 轮 的效率要明显髙于现有的T P S 涡轮 (见 图 3)。新涡轮的另一个优点是改善了从超速到 自然破裂转速时的破裂性能。对 于 新 的 A 100-H 增 压器的涡轮系列，与 现 用 的 T PS 涡 轮 级 相 比 ，新涡 轮自由破裂的能量降到最小。
人[6]完 成 了 T PS57-F 3 3 增 压 器 的 开 发 ，并与 W^rtsik W6L 2 6 发 动 机 匹 配 良 好 ，图 1 示出 T PS57-F 3 3 剖面结构示意。
图 1 TPS57-F33剖面结构示意
采用准三维和三维流场分析辅助完成了压气机 级 的 空 气 动 力 学 设 计 。为 了 保 证 在 压 比 大 于 4 . 0 时 压气机具有较高的效率，采 用 了 有 叶 扩 压 器 结 构 。 压气机叶轮采用盲孔铝合金叶轮结构以提高叶轮的 使 用 寿 命 。即 使 进 行 反 复 优 化 设 计 ，在 靠 近 壳 体 的 叶片吸力面马赫数超过1.5,在进口处形成的激波使 流 体 迅 速 减 速 到 亚 音 速 ，这 对 压 气 机 的 喘 振 和 效 率 产生了负面影响。为了拓宽喘振区的流量范围和满 足 髙 压 比 增 压 器 的 指 标 要 求 ，在 压 气 机 进 口 采 用 了 进气再循环这一新技术。图 2 示出压气机进口有无 进气再循环的流线对比。可 以 看 出 ，无进气再循环 系 统 时 ，在 叶 片 前 缘 吸 力 面 侧 产 生 流 动 分 离 ，并在离
B & W ，M T U 等 世 界 著 名 公 司 单 级 大 流 量 高 压 比 增 压 技 术 的 发 展 。 针 对 压 比 提 升 后 增 压 器 有 效 运 行 范 围 变 窄 、效
率 降 低 、可 靠 性 变 差 等 问 题 ，总 结 了 各 公 司 单 级 高 压 比 增 压 技 术 的 设 计 特 点 。
籲有再循环装置 〇 无再循环装置 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 量 纲 1流量 b 有无进气再循环的压气机特性对比
图 4 进气再循环装置示意及ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ无进气 再循环的压气机特性对比
借 助 C F D 仿 真 结 果 ，通过对叶片几何、厚度分 布 、叶片数等优化完成了新A T 1 4 增压器涡轮的设 计 。图 5 示 出 涡 轮 叶 片 近 叶 根 1 0 % 叶髙处的相对 马 赫 数 分 布 。常规涡 轮 叶 轮 由 于 在 尾 缘 产 生 气 流 分 离而产生一个低马赫数区，优 化 后 的 新 A T 1 4 涡轮 减 小 了 涡 轮 出 口 处 的 空 气 动 力 学 损 失 ，控 制 了 在 尾 缘处的气流分离，提 高 了 涡 轮 效 率 。A T 2 3 增压器 采 用 双 进 口 无 喷 嘴 环 涡 轮 ，吹 入 涡 轮 叶 轮 的 气 流 通 过涡轮箱的结构进行控制。此种结构比有喷嘴环的 祸 轮 在 低 负 荷 可 获 得 更 高 的 增 压 压 力 ，可 更 有 效 地 利用发动机低负荷时的脉冲能量。
1 ABB单级大流量高压比增压技术
A B B 公司在目前大功率柴油机增压技术领域 处于领先水平。A B B 公 司 推 出 的 T P S 系列增压器 已十余年，因其高效和高可靠性仍具有广泛的市场。 T PS系 列 增 压 器 是 A B B 公司专门为单级功率 500〜3 300 kW的小型中速机和大型髙速机量身定 做 ，具 有 模 块 化 设 计 、结 构 紧 凑 简 单 、易维修等特 点[4]。其 中 TPS-F 系 列 是 T P S 系列中压比最髙的 增压器，其 F 33，F 32，F 3 1 三挡叶轮全负荷工况压比 可达到 4.7 ，5.0 ，5.3[5]。2001 年 Ren6 Hunziker 等
关 键 词 ：单 级 ；大 流 量 ；高 压 比 ；涡 轮 增 压 器 ；技术 发展 水 平 D O I ：10.3969/j.issn.l001-2222.2017.02.016
中 图 分 类 号 ：TK423.5 文 献 标 志 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-2222(2017)02-0087-06
收稿日期：20 17-0 1-0 9;修回日期：2017-03-15
作者简介：胡丰泽（1971—），男 ，高级工程师，主要从事内燃机方面的研究。
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车用发动机
2017年 第 2 期
心力的作用下流向壳体;有进气再循环系统时，流体 平 稳 地 流 过 导 风 轮 而 没 发 生 任 何 分 离 。与现有的 T P S ..E 增压器相比，T PS57-F 3 3 增压器在压比提高 的前提下，压 气 机 效 率 至 少 提 高 1 个 百 分 点 。在压 比达到4.7,流 量 为 3.8 m3/ s 时 ，增压器总效率达 到 69%0
图 2 压气机进口有无进气再循环的流线对比
在 T P S系列增压器继续应用于现有功率等级 的发动机系列的同时，由于一方面要求发动机有更 高的功率，另 一 方 面 要 求 有 更 低 的 排 放 ，因 此 ABB 公 司 开 发 了 新 的 A 100-M / H 系 列 增 压 器 ，其中 A 100- H 系列用于高速发动机，A 100- M 径流式增压 器系列用于小型中速机[7_9]。 A 100-M / H 系列的结 构 尺 寸 与 T P S 涡轮增压器产品相同。如要改进现 有 T P S 涡轮增压发动机平台，就 可 直 接 使 用 A 100 径 流 涡 轮 增 压 器 与 发 动 机 匹 配 ，而 无 须 对 涡 轮 增 压 器的安装进行改动。
世界范围内日益增长的能源需求以及越来越严 格 的 排 放 法 规 影 响 发 动 机 开 发 ，进 而 决 定 新 型 增 压 技 术 的 发 展 。现代发动机 高 功 率 密 度 的 发 展 趋 势 要 求 增 压 器 具 有 高 压 比 髙 性 能 ，同 时 采 用 米 勒 循 环 和
高 增 压 技 术 可 以 有 效 地 降 低 排 放 ，满 足 排 放 要 求 [1_3]。因 此 ，髙 增 压 技 术 成 为 满 足 发 动 机 动 力需求 和排放指标必不可少的关键技术。除此之外，为实 现 发 动 机 全 工 况 的 良 好 性 能 ，要 求 增 压 器 具 有 更 宽 广 的 流 量 范 围 以 及 更 优 异 的 低 速 性 能 ，这 进 一 步 提 升了高压比增压器的设计难度。
3 KBB单级大流量高压比增压技术
从 2001年开始，K B B 公 司 将 T P R 系列增压器 投放市场，功率 范 围 覆 盖 500〜3 000 k W 的中速四 冲 程 柴 油 机 和 气 体 发 动 机 。其 第 一 代 （A 系列) H P R 增压器满负荷压比达到4.2，B 系 列 和 C 系列 压比分别达到4.5和 4.8[1415]。为了继续应对发动 机面临的技术挑战，2010年 K B B 推出了 ST 2 7 系列 径 流 增 压 器 ，可 在 保 持 较 髙 增 压 器 效 率 的 情 况 下 达 到 5.5的压比。ST 2 7 系列增压器与T P R 系列增压 器相比增加了两款增压器（ST 2 、ST 7)，功率范围覆 盖 300〜 4 800 k W 的 气 体 机 、柴 油 机 、重油发动 机[16]。将 于 2017年 公 开 的 ST 2 7 升级系列增压器 最髙运行压比可达到6.0[17]。
A 1 0 0 系列涡轮增压器采用整体铝合金压气机 叶轮，A B B 公司开发了新型高压扩压器和压气机叶 片 以 及 叶 轮 冷 却 方 式 ，可 以 确 保 铝 合 金 叶 轮 在 满 负 荷 运 行 时 压 比 达 到 5.8,压 气 机 效 率 达 到 8 0 % 。压 气 机 叶 轮 的 冷 却 是 这 样 设 计 的 ：一 方 面 进 一 步 阻 止 在 压 气 机 叶 轮 后 的 空 间 内 热 量 的 传 递 ；另 一 方 面 使 进入压气机叶轮的热量本身减少。这种设计的实现 基 于 现 代 CFD(计算流体力学）和 F E A (有限元）方 法 。根据压气机级的不同，从中冷器后提取一小部 分压气机质量流量，使之返回到压气机进行冷却。
第 2 期 （总 第 2 2 9 期 ） 2017年 4 月
车用发动机 VEHICLE ENGINE
No.2(Serial No.229) Apr.2017
国外单级大流量高压比增压技术发展综述
胡丰泽
(海 军 驻 大 同 地 区 军 事 代 表 室 ，山 西 大 同 037036)
摘 要 ：针 对 现 代 发 动 机 高 功 率 密 度 和 低 排 放 对 高 压 比 增 压 技 术 的 需 求 ，主 要 介 绍 了 A B B ，I H I ，K B B ，M A N