车用涡轮增压器混流式涡轮的发展：历史、现状与未来

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柴油机第6期第14期 汽车涡轮增压器综述 混流式涡轮的发展 石新马超尘 王燕生 北京理工大学 北京 关键词 涡轮增压器 混流式涡轮 摘要 本文基于混流式涡轮的概念阐述了混流式涡轮在汽车上的应用。比转速 涡轮增压领域发展混流式涡轮机的必要性。通过混流式水轮机的发展历史和现状，列出了当前混流式水轮机发展的主要形式和研究方向。中国分类号TK423。 52 文件识别代码 A 文章编号 (2000) ;,;ent,.

1 引言 在内燃机的发展过程中，涡轮增压技术的应用对于提高内燃机的比功率和燃油经济性以及降低排放发挥了重要作用。它被称为内燃机历史上的第二个里程碑。随着汽车工业的发展，随着汽车内燃机动力性、经济性和排放要求的不断提高，涡轮增压逐渐成为汽车内燃机领域最重要的发展方向之一。从目前涡轮增压技术的发展来看，径流式涡轮增压器已经达到了非常高的技术水平。例如日本三菱公司的TD-02增压器，其转速可达/min，叶轮直径仅为40mm[1]。随着汽车涡轮增压器不断向高速、小型化、大容量方向发展，径向式涡轮的比转速越来越高。然而理论和实验早已证明径流式涡轮机的效率在高比转速下无法达到最佳值。降低比转速可以解决这个问题，但这样做会增大叶轮直径，使增压器瞬间增压。对于恶化状态响应性最可行的措施是使用混流涡轮机。 2 研制混流式水轮机的理论基础如上所述。随着涡轮增压技术的发展，涡轮的比转速呈不断增大的趋势。这正是混流式涡轮机的开发目的。固有功率涡轮机的比转速是涡轮机设计中的重要相似性标准。同时也表征了涡轮叶轮通道的近似几何形状。比转速NS的表达式为75。 = (1) 式中，Ns 涡轮比转速 N 涡轮转速 Q 涡轮入口流量 H 涡轮绝热膨胀功 若将比转速表示为叶轮入口参数，则根据文献[2]，有()5。

1015. 01175. 02=π()5. 1015.01195.0≈(2) 接收日期 石鑫等汽车涡轮增压器用混流式水轮机的研制 式中，1l 叶轮进口相对叶片宽度定义为叶轮进口宽度与进口直径之比 ψ1 叶轮进口流量系数 u1/c0 涡轮转速比 由式（2）可知，Ns 越大，叶轮进口相对宽度越大。若Ns表示为 根据文献[2]，叶轮出口参数的形式为5。 。 0=5。 02221-shhDD(3) 式中shD2叶轮出口轮缘的相对直径定义为叶轮出口轮缘直径与叶轮入口直径φ2叶轮出口流量之比系数 D2h 叶轮出口轮毂直径 D2sh 叶轮出口轮缘直径 由式（3）可知，Ns 越大，叶轮出口轮缘相对直径越大，叶轮出口轮毂与轮缘直径之比越小。基于以上分析，我们可以用图1来展示径流式涡轮叶轮流道形状随Ns的变化。当Ns较低时，叶轮流道子午截面变长。当Ns较高时，流道变得更短且更宽。对于径流式水轮机，1l0.060.16φ10.20.45u1/c00.50.7 因此，径流式水轮机的比转速为0.080.15。当比转速大于0.15时，叶轮出口轮缘的相对直径接近1，此时叶轮流道的形状也非常接近轴流式涡轮。因此，该结构形式已具备发展混流式水轮机中间形式的条件。从涡轮性能的角度来看，前面已经提到径流式涡轮的效率在高比转速时无法达到最大值。最佳值主要是因为径流式涡轮叶轮在高比转速时内部流动条件较差。叶轮边缘处容易发生气流分离，导致涡轮性能恶化。然而，采用混流式涡轮机，虽然由于叶轮出口外径的增大而增大了科里奥利力。动力部分的比例相应减小，但在高比转速下叶轮内部的流场却得到很大改善。流量损失大大减少。最终的结果是在高比转速下仍能保持高涡轮效率。从以上分析可以看出，涡轮增压技术的发展，使得混流式涡轮机无论是结构形式还是性能上的发展都成为必然。图1 径流式涡轮叶轮流道形状与Ns的关系 3 混流式涡轮的发展历史和现状 混流式涡轮在涡轮增压领域出现的时间比较晚。 1961年，公司为TE06增压器设计了第一代混流涡轮。但由于当时涡轮增压器的设计尺寸较大，并没有在低比转速下表现出这种涡轮机的优越性能。因此，该公司混流式水轮机的开发一度中断。随着涡轮增压技术的不断发展，混流式涡轮机再次引起了人们的关注。许多科研机构和增压器企业都开展了这方面的研究[3-8]，并在扩大流量范围和提高涡轮绝热效率方面取得了显着的成果。目前，国外混流涡轮研究已进入成熟阶段，商用混流增压器已投入使用。在大轮径增压器方面，小松公司在20世纪80年代开发了采用混流涡轮的涡轮增压器[9]。该型号是目前小松生产的三种增压器之一。瑞士ABB公司也在20世纪80年代中期开发了新型RR151。涡轮增压器[10] 混流涡轮加上前倾和后倾压气机，使得该类型增压器的性能非常优越。目前主要应用于500型高速柴油机。另外，ABB公司在RR151的基础上改进了TPS50世新。开发的汽车涡轮增压器16型等混流涡轮机也于1995年6月投入市场[11]。主要应用于750中速柴油机和天然气发动机。其他如日本石川岛播磨（IHI）B&W的RH3 MAN B&W的NR/R船用涡轮增压器也采用混流式涡轮机[12-13]，而IHI的RHE型号是第一个在小直径中使用混流式涡轮机的型号汽车涡轮增压器[14] 目前，国内上海柴油机有限公司的部分D6114柴油机也采用了IHI的混流式涡轮增压器。虽然径流式涡轮仍然在汽车涡轮增压领域占据主导地位，但随着混流式涡轮技术的逐渐成熟和各大增压器企业不断加大研发生产力度，可以预见，混流式涡轮的先进技术将会得到更广泛的应用。应用于涡轮增压领域 4 混流式涡轮机发展的主要结构形式及研究方向 4 .1 主要结构形式 4.

1.1 最常见的混流式水轮机通常也称为混流式水轮机。我们称之为混流式涡轮机。其结构形式如图2所示。与径流式水轮机相比，混流式水轮机的主要特点是叶轮的流入倾角，使绝对速度c1和相对速度w1的经向分量不再存在。仅限于径向方向，但具有轴向分量。入口速度三角形如图3所示，由于叶片入口的倾斜度，从轮缘到轮毂的速度三角形也不同。由于这种特殊的叶轮结构，气流能很好地适应叶片形状的变化并平滑地向轴向过渡，并能有效防止因叶轮出口外径增大而造成的气流从轮缘流出。这种现象大大改善了叶轮内部流场。该公司在其混流式水轮机研究中解释了其原因[5]。他们使用准三元分析程序来分析混流式水轮机和等效径流式水轮机叶轮的内部流动。后来发现，在高比转速时，混流式涡轮不仅在中部流线加速气流的速度比径流式涡轮慢，而且在气流最容易分离的轮缘吸力面上也存在速度分布。发生，这也比径流式涡轮机理想得多。图2 配备双通道蜗杆。壳程斜流式水轮机 图3 斜流式水轮机叶轮进口速度三角形 4.1.2 轴式/径流式水轮机 另一种结构形式通常称为轴式/径流式水轮机。首次出现于1986年申请的专利中[15]其应用实例出现在1991年8月在美国举行的未来车辆交通技术发展大会上。

John Beck 等人发表的论文中提到了一种用于天然气发动机的 WS-90 涡轮增压器。 [16]结构如图4所示，其涡轮端采用轴流/径流式，直径较小。涡轮机具有独立的轴向和径向进气口。它除了具有混流式涡轮在高比转速下保持高效率的特点外，还具有调节涡轮过流截面非常方便的显着特点。其可变截面调节机构可以在发动机工况变化时调节涡轮流量截面。径向进气部分可轴向移动以部分或完全关闭，以适应发动机工况的变化。国内也开展了轴流式水轮机性能研究[17]。结果表明，即使在涡轮叶片设计尚未完全成熟、蜗壳和隔热罩结构需要改进时，采用轴/径流式涡轮仍能有效提高涡轮效率。石新等车用涡轮增压器中混流式涡轮的发展17 图4 轴/径流式涡轮WS-90涡轮增压器 4.2 主要研究方向 4.2.1 在高比转速下获得高涡轮效率 这是混流式涡轮相比最明显的优势随着径流式涡轮的发展，各国和生产单位在这方面的研究均取得了成功。由于涡轮效率在涡轮性能研究中的重要地位，在高比转速下获得更高的效率已成为混流涡轮研究最重要的方向。由于混流式水轮机去除了叶轮入口倾角，因此在设计过程中，可以以叶轮进口倾角为参数，利用叶轮三维流动分析方法，研究不同子午面形状的叶轮内部流动状况，找到最佳的结构符合设计参数。该设计方案实现了在高比转速下获得高涡轮效率的目标4。

2. 2 降低最高效率点的u1/c0值。这对于汽车涡轮增压器来说具有重要意义。这是因为大多数汽车增压器涡轮都是脉冲进气。在脉冲峰值区，发动机的可用能量最大，相应的涡轮膨胀功也最大。一般来说，只要发动机工况一定，排气脉冲引起的涡轮转速变化很小，因此排气脉冲峰值对应的u1/c0很小。因此，如果涡轮的最大效率u1/c0小于传统径流式涡轮稳态设计值，一般为0. 7。可以更有效地利用发动机的排气能量，并且涡轮的脉冲幅度发动机排气随着速度降低而增加。涡轮在低u1/c0点的效率较高，这也提高了发动机的低速性能。最后，从涡轮增压的发展方向来看，目前正在向高压比小型化方向发展，这也要求在低u1/c0点时具有高效率。这种对涡轮效率的要求体现在叶轮结构上，就是即使叶轮进口段向前弯曲，也能使叶轮进口角度正确。向前弯曲定义为叶片逆着叶轮旋转方向弯曲。然而，这会对叶轮旋转时造成额外的损坏。弯矩对叶轮强度不利。因此，在汽车增​​压器领域，一般不采用另一种可行的方法，即采用混流涡轮。这是因为混流式涡轮进口截面子午面内的流线具有轴向和径向两个分量，可以在保持叶片纤维径向方向的同时使叶轮入口角为正，从而获得高涡轮值。低 u1/c0 时的效率。巴斯大学和英国巴斯大学在涡轮增压领域享有盛誉。伦敦大学帝国理工学院正在开展这一领域的研究。