葉輪機械在車用動力的應用及發展趨勢

吳亦昕

摘 要：葉輪機械作為一種重要的機械廣泛應用于各行各業，包括汽車業。由于其重要性，本文主要討論葉輪機械在車用動力中的應用與前沿技術，分為競賽類與非競賽類兩大部分，對其進行歸納與總結，并對葉輪機械在車用動力中應用的未來進行展望。

關鍵詞：葉輪機械 增壓 渦輪 應用 發展趨勢

中圖分類號：U46 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（b）-0097-02

1 葉輪機械在車用動力的應用

葉輪機械是一種以連續旋轉葉片為本體，實現流體工質與軸動力之間的能量轉換的動力機械，比如噴氣式發動機就是葉輪機械的一種。其使用非常廣泛，在電力、航空、輪船等方面，葉輪機械都做出了很大的貢獻。而在車用動力上，葉輪機械也有其一席之地，而且可以說在汽車完全步入電動汽車時代之前，都將有其相當大的用武之地。這一章節，主要談葉輪機械在車用動力中的應用。

1.1 作為車用動力單元輔助的葉輪機械

車用動力單元的核心部件是發動機，而當今汽車發動機的主流是往復式活塞發動機，葉輪式引擎因為其技術含量較高，工作效率較低，且汽車并不需要葉輪式引擎如此強大的動力性，以至其在車用動力單元中似乎并無可建樹之處。

然而，事實并非如此，作為葉輪機械的增壓器就是車用動力單元的強大輔助。

瑞士的Alfred J.Buchi博士在1905年發明了渦輪機驅動壓縮機，并申請了專利，世界上第一臺廢氣驅動的軸流式渦輪增壓器也由他在1909年至1912年間開發，又在1915年第一次將渦輪增壓器與柴油動力機共同使用。1954年，增壓技術開始在民用車輛上使用，1970年時已成大規模應用趨勢。1975年，相當經典的保時捷911轎車面世，搭載了帶蓋瑞特廢氣門的KKK渦輪增壓器。1977年薩博-99的動力性可以與搭載無渦輪增壓的3.0 L發動機的同類車相媲美，但實際上使用的是一個帶渦輪增壓器的2.1 L汽油發動機。于是，渦輪增壓技術被大眾認識，并得到了大部分人的接受。

現在，增壓技術可謂是引擎的好助手，不僅僅增加了引擎的動力性，還能節能減排，符合當下流行的趨勢。由于增壓技術壓縮了進入引擎的空氣，使得噴油量可以相應增多的同時，燃料燃燒也更完全，排放特性得以優化。這兩個特性決定了增壓技術在車用動力中的地位，因此，接下來的文字將以介紹車用動力增壓技術為主。

1.1.1 非競賽類汽車增壓技術使用情況

增壓技術，由于柴油機的工作特性，首先在這一領域得到發展，目前，在工業發達國家，大中功率柴油機已全部采用增壓技術，80%的中小型車用柴油機也采用了增壓技術。而汽油機增壓技術的起步不如柴油機增壓技術早，因此技術水平也落后于柴油機。20世紀70年代末國外汽油機開始逐漸采用增壓技術，在有柴油機增壓技術的基礎上，發展相當迅速。1990年美國生產的汽油機已有大約25%為增壓汽油機，目前國外汽油機的增壓技術正處于完善和推廣應用階段。

現今，增壓技術已經不僅僅局限于最普通的廢氣渦輪增壓。由于由一個壓氣機和一個廢氣渦輪組成的渦輪增壓器存在不少問題，比如遲滯現象、起步動力性差等，但又由于廢氣渦輪增壓能利用廢氣中的能量，是相當經濟的一種措施，因此工程師們做出了相當多的努力，來改善這些存在的問題。

1.1.2 非競賽類車用葉輪機械動力單元使用情況

非競賽類車用葉輪機械動力單元可謂少之又少，但并非不存在。在某些特定的場合，就需要使用葉輪機械作為動力單元，輪式裝甲車輛上就有作為動力單元的葉輪機械。

輪式裝甲車輛作為軍車，要在戰場上有強大的機動性，被要求能通過各式各樣的地形，包括被炸毀的公路、溝渠、樹林等，并且有時還有必要通過河流。因此，不少輪式裝甲車輛實際上是水陸兩棲車。

輪式裝甲車輛在水中的動力來源按作用原理可以分為三種：劃水式、螺旋槳式和噴水式。

劃水式是通過輪胎的轉動進行劃水，從而達到前進的效果。這種在水中的前進方式要求輪胎不被水面完全淹沒，前進速度為3～5 km/h，實在太慢，且要求很高，只能作為一種臨時水中動力來源。

螺旋槳式和噴水式都要求輪式裝甲車輛上裝有葉輪機械作為水中動力單元。螺旋槳式輪式裝甲車輛在車上裝載了螺旋槳，在車輛涉水時，駕駛員切換離合器，將動力導入螺旋槳使其轉動，車輛便有了在水中行駛的能力。要轉彎時，可以轉動螺旋槳的朝向來改變行駛方向；若車上有多個螺旋槳，也可改變不同螺旋槳的轉速來改變行駛方向，改變螺旋槳旋轉方向甚至還可以使車輛倒行。使用螺旋槳在水中行駛的速度可達7～12 km/h，明顯快于劃水式，現役的大部分有水陸兩棲功能的輪式裝甲車輛使用的就是這種方法。（如圖1、圖2）

噴水式輪式裝甲車輛則在車上裝載了水泵，在車輛涉水時吸入河流中的水，之后噴出，利用反作用力作為行駛動力。轉向的方式為改變噴水方向，也可以進行倒車。噴水式輪式裝甲車輛的優點在于速度快，可達8～14 km/h，淺水機動性好，水上操縱性能好，行駛效率高，但缺點在于占用空間較大。

2 葉輪機械在車用動力的發展趨勢

之前已經提到，葉輪機械由于種種原因，不太可能成為一種流行的車用發動機，因此其依舊是以車用動力單元輔助的形式在汽車上發展，也即增壓技術在將來隨著葉輪機械的進化，而變得更加精密而有效。而葉輪機械的進化，離不開新材料和新工藝的應用。

2.1 新材料

由于現今渦輪轉速可達100000 rpm，高轉速必然帶來高熱量，這對材料的考驗是極大的，我國航空發動機的發展有困難也有材料不如人的因素。對于新材料的要求，首當其沖的便是耐熱，原因不必贅述。其次是輕便，因為上文已提到，渦輪增壓系統相當明顯的問題是遲滯問題，若制造渦輪的材料輕便，那么其轉動慣量就小，遲滯問題就不明顯。再次是強度高，也是由于渦輪高轉速帶來的問題。endprint

符合這三個條件的材料，比較普遍的有兩個：陶瓷材料和鈦合金。

陶瓷材料耐熱、輕便、強度高，易于加速，可以提高渦輪的動力性。早在20世紀80年代，日本IHI即在其RHB5增壓器上使用了陶瓷渦輪，三菱重工也將陶瓷渦輪裝載到了TD02—TD06系列增壓器上，其技術難點在于陶瓷渦輪和轉軸的連接。

鈦鋁合金作為一種新型的高溫材料，密度小（約3.7～3.9 g/cm3，大約只有鎳基高溫合金密度的一半）、擁有極強的高溫強度及抗氧化性，用于渦輪增壓器可以大幅度降低其轉動慣量，瞬態響應性得以提高，緩解渦輪遲滯問題。采用高頻感應快速熔化澆鑄工藝鑄造渦輪葉輪已經成功，渦輪毛胚是利用粉末冶金成型方法制成的。

2.2 新工藝

2.2.1 半固體澆筑

一般來說，制造渦輪有兩種方式：一種是石膏鑄模；另一種是鑄造加機加工。然而，這兩種方式都有嚴重的缺陷，石膏鑄模很可能存在表面與內部缺陷，使得性能差、壽命短，而鑄造加機加工法則造價太高。

半固體澆筑法解決了這個問題，在國外從四年前就已開始投入商業使用。大部分鑄模工藝都是以全液體金屬作為填料，而半固體澆筑則不同，填料的25%～50%為固體，50%～75%為液體。這種工藝在保全了模具澆筑的許多優點的同時，擁有顯著的結構與機械性能優勢，去除了模具澆筑中所存在的殘留氣孔，并施以高壓來去除固體化時產生的褶皺。

2.2.2 電腦輔助研制

由于電子計算機強大的計算能力，工程師借助計算機進行數值求解、計算大計算量流體力學問題成為可能，也催生了計算流體力學這門學科的誕生。

現在電腦輔助研制已經可以達到全三維定常數值模擬技術，以及全三維非定常數值模擬技術等，經適當運用，不但摻混面方法定常計算帶來的一些固有偏差可以得到改善，計算精度和可靠性得以提高，而且原來一些本無法解決的問題，如葉輪機械內部一些固有的非定常流動現象的研究，可以得到解決，從而為解決傳統難題，如流場畸變、失速、喘振、葉片高周疲勞和顫振等，提供先進手段。

3 結語

葉輪機械在車用動力上的應用已有很長的歷史，其生命力依舊旺盛，在增強動力性以及節能減排方面可謂是功不可沒。葉輪機械直接作為車用動力單元雖然不如作為動力單元輔助用途來的廣泛，但也有其獨特的魅力。可以相信，在可見的未來中，葉輪機械依然會在車用動力中生生不息，其技術應用也將向著更加精密、更有技術含量的方向繼續發展。

參考文獻

[1] 張俊紅，李志剛，王鐵寧.車用渦輪增壓技術的發展回顧，現狀及展望[J].小型內燃機與摩托車，2007，36（1）：66-69.

[2] 陳紅.汽油機廢氣渦輪增壓技術的研究及發展前景[J].內燃機，2008（1）：1-3.

[3] 張眾杰，何西常，王威，等.車用渦輪增壓技術現狀及發展趨勢[J].內燃機與配件，2012（6）：37-40.endprint

符合這三個條件的材料，比較普遍的有兩個：陶瓷材料和鈦合金。

陶瓷材料耐熱、輕便、強度高，易于加速，可以提高渦輪的動力性。早在20世紀80年代，日本IHI即在其RHB5增壓器上使用了陶瓷渦輪，三菱重工也將陶瓷渦輪裝載到了TD02—TD06系列增壓器上，其技術難點在于陶瓷渦輪和轉軸的連接。

鈦鋁合金作為一種新型的高溫材料，密度小（約3.7～3.9 g/cm3，大約只有鎳基高溫合金密度的一半）、擁有極強的高溫強度及抗氧化性，用于渦輪增壓器可以大幅度降低其轉動慣量，瞬態響應性得以提高，緩解渦輪遲滯問題。采用高頻感應快速熔化澆鑄工藝鑄造渦輪葉輪已經成功，渦輪毛胚是利用粉末冶金成型方法制成的。

2.2 新工藝

2.2.1 半固體澆筑

一般來說，制造渦輪有兩種方式：一種是石膏鑄模；另一種是鑄造加機加工。然而，這兩種方式都有嚴重的缺陷，石膏鑄模很可能存在表面與內部缺陷，使得性能差、壽命短，而鑄造加機加工法則造價太高。

半固體澆筑法解決了這個問題，在國外從四年前就已開始投入商業使用。大部分鑄模工藝都是以全液體金屬作為填料，而半固體澆筑則不同，填料的25%～50%為固體，50%～75%為液體。這種工藝在保全了模具澆筑的許多優點的同時，擁有顯著的結構與機械性能優勢，去除了模具澆筑中所存在的殘留氣孔，并施以高壓來去除固體化時產生的褶皺。

2.2.2 電腦輔助研制

由于電子計算機強大的計算能力，工程師借助計算機進行數值求解、計算大計算量流體力學問題成為可能，也催生了計算流體力學這門學科的誕生。

現在電腦輔助研制已經可以達到全三維定常數值模擬技術，以及全三維非定常數值模擬技術等，經適當運用，不但摻混面方法定常計算帶來的一些固有偏差可以得到改善，計算精度和可靠性得以提高，而且原來一些本無法解決的問題，如葉輪機械內部一些固有的非定常流動現象的研究，可以得到解決，從而為解決傳統難題，如流場畸變、失速、喘振、葉片高周疲勞和顫振等，提供先進手段。

3 結語

葉輪機械在車用動力上的應用已有很長的歷史，其生命力依舊旺盛，在增強動力性以及節能減排方面可謂是功不可沒。葉輪機械直接作為車用動力單元雖然不如作為動力單元輔助用途來的廣泛，但也有其獨特的魅力。可以相信，在可見的未來中，葉輪機械依然會在車用動力中生生不息，其技術應用也將向著更加精密、更有技術含量的方向繼續發展。

參考文獻

[1] 張俊紅，李志剛，王鐵寧.車用渦輪增壓技術的發展回顧，現狀及展望[J].小型內燃機與摩托車，2007，36（1）：66-69.

[2] 陳紅.汽油機廢氣渦輪增壓技術的研究及發展前景[J].內燃機，2008（1）：1-3.

[3] 張眾杰，何西常，王威，等.車用渦輪增壓技術現狀及發展趨勢[J].內燃機與配件，2012（6）：37-40.endprint

符合這三個條件的材料，比較普遍的有兩個：陶瓷材料和鈦合金。

陶瓷材料耐熱、輕便、強度高，易于加速，可以提高渦輪的動力性。早在20世紀80年代，日本IHI即在其RHB5增壓器上使用了陶瓷渦輪，三菱重工也將陶瓷渦輪裝載到了TD02—TD06系列增壓器上，其技術難點在于陶瓷渦輪和轉軸的連接。

鈦鋁合金作為一種新型的高溫材料，密度小（約3.7～3.9 g/cm3，大約只有鎳基高溫合金密度的一半）、擁有極強的高溫強度及抗氧化性，用于渦輪增壓器可以大幅度降低其轉動慣量，瞬態響應性得以提高，緩解渦輪遲滯問題。采用高頻感應快速熔化澆鑄工藝鑄造渦輪葉輪已經成功，渦輪毛胚是利用粉末冶金成型方法制成的。

2.2 新工藝

2.2.1 半固體澆筑

一般來說，制造渦輪有兩種方式：一種是石膏鑄模；另一種是鑄造加機加工。然而，這兩種方式都有嚴重的缺陷，石膏鑄模很可能存在表面與內部缺陷，使得性能差、壽命短，而鑄造加機加工法則造價太高。

半固體澆筑法解決了這個問題，在國外從四年前就已開始投入商業使用。大部分鑄模工藝都是以全液體金屬作為填料，而半固體澆筑則不同，填料的25%～50%為固體，50%～75%為液體。這種工藝在保全了模具澆筑的許多優點的同時，擁有顯著的結構與機械性能優勢，去除了模具澆筑中所存在的殘留氣孔，并施以高壓來去除固體化時產生的褶皺。

2.2.2 電腦輔助研制

由于電子計算機強大的計算能力，工程師借助計算機進行數值求解、計算大計算量流體力學問題成為可能，也催生了計算流體力學這門學科的誕生。

現在電腦輔助研制已經可以達到全三維定常數值模擬技術，以及全三維非定常數值模擬技術等，經適當運用，不但摻混面方法定常計算帶來的一些固有偏差可以得到改善，計算精度和可靠性得以提高，而且原來一些本無法解決的問題，如葉輪機械內部一些固有的非定常流動現象的研究，可以得到解決，從而為解決傳統難題，如流場畸變、失速、喘振、葉片高周疲勞和顫振等，提供先進手段。

3 結語

葉輪機械在車用動力上的應用已有很長的歷史，其生命力依舊旺盛，在增強動力性以及節能減排方面可謂是功不可沒。葉輪機械直接作為車用動力單元雖然不如作為動力單元輔助用途來的廣泛，但也有其獨特的魅力。可以相信，在可見的未來中，葉輪機械依然會在車用動力中生生不息，其技術應用也將向著更加精密、更有技術含量的方向繼續發展。

參考文獻

[1] 張俊紅，李志剛，王鐵寧.車用渦輪增壓技術的發展回顧，現狀及展望[J].小型內燃機與摩托車，2007，36（1）：66-69.

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[3] 張眾杰，何西常，王威，等.車用渦輪增壓技術現狀及發展趨勢[J].內燃機與配件，2012（6）：37-40.endprint