國外單級大流量高壓比增壓技術發展綜述

胡豐澤

(海軍駐大同地區軍事代表室， 山西 大同 037036)

國外單級大流量高壓比增壓技術發展綜述

胡豐澤

(海軍駐大同地區軍事代表室， 山西 大同 037036)

針對現代發動機高功率密度和低排放對高壓比增壓技術的需求，主要介紹了ABB，IHI，KBB，MAN B&W，MTU等世界著名公司單級大流量高壓比增壓技術的發展。針對壓比提升后增壓器有效運行范圍變窄、效率降低、可靠性變差等問題，總結了各公司單級高壓比增壓技術的設計特點。

單級； 大流量； 高壓比； 渦輪增壓器； 技術發展水平

世界范圍內日益增長的能源需求以及越來越嚴格的排放法規影響發動機開發，進而決定新型增壓技術的發展。現代發動機高功率密度的發展趨勢要求增壓器具有高壓比高性能，同時采用米勒循環和高增壓技術可以有效地降低排放，滿足排放要求[1-3]。因此,高增壓技術成為滿足發動機動力需求和排放指標必不可少的關鍵技術。除此之外，為實現發動機全工況的良好性能，要求增壓器具有更寬廣的流量范圍以及更優異的低速性能，這進一步提升了高壓比增壓器的設計難度。

單級大流量高壓比增壓技術的難度主要圍繞壓比提高后增壓器的有效運行范圍變窄、效率降低、增壓器可靠性變差等問題。本研究總結了ABB，IHI，KBB，MAN B&W，MTU等國外著名公司在單級大流量高壓比增壓器設計方面的發展及技術特點。

1 ABB單級大流量高壓比增壓技術

ABB公司在目前大功率柴油機增壓技術領域處于領先水平。ABB公司推出的TPS系列增壓器已十余年，因其高效和高可靠性仍具有廣泛的市場。TPS系列增壓器是ABB公司專門為單級功率500～3 300 kW的小型中速機和大型高速機量身定做，具有模塊化設計、結構緊湊簡單、易維修等特點[4]。其中TPS-F系列是TPS系列中壓比最高的增壓器，其F33，F32，F31三擋葉輪全負荷工況壓比可達到4.7，5.0，5.3[5]。2001年René Hunziker等人[6]完成了TPS57-F33增壓器的開發，并與W?rtsil? W6L26發動機匹配良好，圖1示出TPS57-F33剖面結構示意。

圖1 TPS57-F33剖面結構示意

采用準三維和三維流場分析輔助完成了壓氣機級的空氣動力學設計。為了保證在壓比大于4.0時壓氣機具有較高的效率，采用了有葉擴壓器結構。壓氣機葉輪采用盲孔鋁合金葉輪結構以提高葉輪的使用壽命。即使進行反復優化設計，在靠近殼體的葉片吸力面馬赫數超過1.5，在進口處形成的激波使流體迅速減速到亞音速，這對壓氣機的喘振和效率產生了負面影響。為了拓寬喘振區的流量范圍和滿足高壓比增壓器的指標要求，在壓氣機進口采用了進氣再循環這一新技術。圖2示出壓氣機進口有無進氣再循環的流線對比。可以看出，無進氣再循環系統時，在葉片前緣吸力面側產生流動分離，并在離心力的作用下流向殼體；有進氣再循環系統時，流體平穩地流過導風輪而沒發生任何分離。與現有的TPS..E增壓器相比，TPS57-F33增壓器在壓比提高的前提下，壓氣機效率至少提高1個百分點。在壓比達到4.7，流量為3.8 m3/s時，增壓器總效率達到69%。

圖2 壓氣機進口有無進氣再循環的流線對比

在TPS系列增壓器繼續應用于現有功率等級的發動機系列的同時，由于一方面要求發動機有更高的功率，另一方面要求有更低的排放，因此ABB公司開發了新的A100-M/H系列增壓器，其中A100-H系列用于高速發動機，A100-M徑流式增壓器系列用于小型中速機[7-9]。A100-M/H系列的結構尺寸與TPS渦輪增壓器產品相同。如要改進現有TPS渦輪增壓發動機平臺，就可直接使用A100徑流渦輪增壓器與發動機匹配，而無須對渦輪增壓器的安裝進行改動。

A100系列渦輪增壓器采用整體鋁合金壓氣機葉輪，ABB公司開發了新型高壓擴壓器和壓氣機葉片以及葉輪冷卻方式，可以確保鋁合金葉輪在滿負荷運行時壓比達到5.8，壓氣機效率達到80%。壓氣機葉輪的冷卻是這樣設計的：一方面進一步阻止在壓氣機葉輪后的空間內熱量的傳遞；另一方面使進入壓氣機葉輪的熱量本身減少。這種設計的實現基于現代CFD(計算流體力學)和FEA(有限元)方法。根據壓氣機級的不同，從中冷器后提取一小部分壓氣機質量流量，使之返回到壓氣機進行冷卻。

A100系列增壓器開發了一種新型混流渦輪，采用了獨特的葉型設計，這種渦輪以其高的運行極限而著稱。利用這種渦輪，可以進一步發揮高壓比壓氣機的潛力，以達到更寬的應用范圍。開發的柔性密封技術可以進一步降低流動損失，提高渦輪效率。新型渦輪的效率要明顯高于現有的TPS渦輪(見圖3)。新渦輪的另一個優點是改善了從超速到自然破裂轉速時的破裂性能。對于新的A100-H增壓器的渦輪系列，與現用的TPS渦輪級相比，新渦輪自由破裂的能量降到最小。

A100系列渦輪增壓器在滿負荷優化運行時具有優異的熱力學性能，在新發動機設計所要求的精確壓比范圍內，A100系列增壓器的效率比TPS型增壓器高很多。A100系列增壓器代表了現代中高速發動機單級渦輪增壓技術發展的重大突破。

圖3 A140-H與TPS57-F渦輪性能對比

2 IHI單級大流量高壓比增壓技術

IHI公司[10-12]在CIMAC會議公開了新AT14和AT23高壓比高效增壓器設計。

新AT14增壓器通過以下技術措施使壓氣機基準壓比3.8提高到5.0的設計壓比：提高壓氣機的圓周速度并盡量減小葉輪葉頂處的相對馬赫數；優化葉片數目及分離葉片的葉型；設計合適的有葉擴壓器以將動能轉化為靜壓；采用進氣再循環裝置。AT14壓氣機葉輪為穿孔結構，而AT23壓氣機葉輪采用了盲孔設計技術，以進一步提高葉輪使用壽命。圖4示出進氣再循環裝置示意及有無進氣再循環的壓氣機性能特性對比。可以看出，在采用進氣再循環裝置后可以有效地拓寬壓氣機喘振線附近的流量范圍，提高增壓器的喘振裕度。AT23增壓器在進氣再循環裝置增加了反預旋葉片，與壓氣機旋轉方向產生相反的預旋流動，可以進一步使壓氣機的喘振線左移。AT14增壓器采用了一種橢圓形前緣的有葉擴壓器結構代替了常規的圓形前緣結構，CFD結果表明，采用橢圓形前緣結構葉片表面的邊界層發展被抑制，其效率比圓形前緣結構高0.2%。Hideaki Tamaki[13]試驗研究了有葉擴壓器安裝角對壓氣機性能的影響，這為進行葉輪與有葉擴壓器匹配設計提供了許多有益的設計指導。

圖4 進氣再循環裝置示意及有無進氣 再循環的壓氣機特性對比

借助CFD仿真結果，通過對葉片幾何、厚度分布、葉片數等優化完成了新 AT14增壓器渦輪的設計。圖5示出渦輪葉片近葉根10%葉高處的相對馬赫數分布。常規渦輪葉輪由于在尾緣產生氣流分離而產生一個低馬赫數區，優化后的新AT14渦輪減小了渦輪出口處的空氣動力學損失，控制了在尾緣處的氣流分離，提高了渦輪效率。AT23增壓器采用雙進口無噴嘴環渦輪，吹入渦輪葉輪的氣流通過渦輪箱的結構進行控制。此種結構比有噴嘴環的渦輪在低負荷可獲得更高的增壓壓力，可更有效地利用發動機低負荷時的脈沖能量。

圖5 渦輪葉片近葉根10%葉高處的相對馬赫數分布

3 KBB單級大流量高壓比增壓技術

從2001年開始，KBB公司將TPR系列增壓器投放市場，功率范圍覆蓋500～3 000 kW的中速四沖程柴油機和氣體發動機。其第一代(A系列)HPR增壓器滿負荷壓比達到4.2，B系列和C系列壓比分別達到4.5和4.8[14-15]。為了繼續應對發動機面臨的技術挑戰，2010年KBB推出了ST27系列徑流增壓器，可在保持較高增壓器效率的情況下達到5.5的壓比。ST27系列增壓器與TPR系列增壓器相比增加了兩款增壓器(ST2、ST7)，功率范圍覆蓋300～4 800 kW的氣體機、柴油機、重油發動機[16]。將于2017年公開的ST27升級系列增壓器最高運行壓比可達到6.0[17]。

ST27系列增壓器壓氣機設計采用了以下技術：1)采用內部進氣再循環系統以拓寬壓氣機的流量范圍；2)在葉輪重要、高應力部位進行局部冷卻；3)葉輪采用盲孔設計與轉軸進行連接；4)采用不帶冷卻的殼體(氣體機可以根據需要選擇水冷軸承體)。

葉輪的強度隨著溫度的升高而降低，對于單級高壓比增壓器來說，高的葉輪溫度始終是設計的一個重大挑戰，只有當葉輪葉根處等重要部位維持在相對較低的溫度時才能獲得較高的壓比，并保證葉輪的使用壽命。圖6示出ST5增壓器與壓氣機圖譜相關聯的試驗壓氣機溫度圖譜。圖中壓氣機后溫度通過譜圖的形式與壓比、轉速等性能特性建立了良好的關聯，將壓氣機后溫度作為評判冷卻系統工作切入的關鍵參數。對葉根處兩個關鍵部位進行了有冷卻和無冷卻的對比分析，研究發現采用冷卻后葉輪溫度降低10%。ST27的升級系列優化了葉輪的冷卻技術，葉輪仍采用鋁合金葉輪，通過在中冷器后提取空氣返回到葉輪，當壓比大于5.2時對葉輪進行冷卻，整個冷卻空氣流量小于壓氣機流量的2%。

圖6 與壓氣機圖譜相關聯的試驗壓氣機溫度圖譜

渦輪因工作溫度高、線速度高，加之葉片振動使之成為增壓器設計的最復雜部件之一。ST5渦輪設計過程中除了考慮渦輪的氣動性能外，在渦輪的可靠性設計方面花費了大量精力。除了要考慮熱力和離心力載荷造成的應力外，將主要工作放在消除由葉片共振振動引起的高周疲勞。在研究葉片振動時考慮了由于葉片幾何差異造成的失諧，提出了更先進的高周疲勞安全渦輪葉輪設計準則。

4 MAN B&W單級大流量高壓比增壓技術

MAN B&W公司推出的新一代TCR增壓器有6個流量型號檔次，覆蓋配機功率400～5 800 kW[18-19]。采用三維CFD仿真技術，改進了壓氣機葉輪、有葉擴壓器、蝸殼等流通部件，有效改善了壓氣機的空氣動力學性能，使其效率提高，氣動噪聲降低，最大工作壓比從NR(S)系列的4.7提高到5.2。試驗結果表明，壓氣機效率提高5%，噪聲下降3 dB。壓氣機設計上也采用了葉輪盲孔設計以及進氣再循環系統。TCR增壓器還通過三維CFD優化渦輪轉子葉片、噴嘴環以及進排氣殼體的設計，優化噴嘴環與葉輪的喉口面積比，減少流動損失，擴大了高壓比的運行范圍。通過有限元分析，提高渦輪轉子的抗振強度，使渦輪在脈沖和定壓以及高低不同工況下均能良好工作。

TCR增壓器將增壓器軸向止推軸承放置在兩個徑向軸承中間，這一設計減少了軸承布置所需的空間。同時采用“半浮動”軸承設計概念代替原來的全浮動軸承設計，可以降低軸承的磨損，提高使用壽命。采用密封環進行軸承滑油的密封取代原來的空氣壓力密封，提高了油封的可靠性。

5 MTU單級大流量高壓比增壓技術

MTU新2000，4000和8000系列發動機采用了單級順序增壓系統，增壓系統在整個發動機運行范圍內具有較高的效率，并給燃燒系統提供較高的空燃比。發動機高平均有效壓力對單級增壓的設計要求促使MTU開發了壓比為5.0的新ZR系列增壓器[20-25]。不同于上述公司采用的高壓比增壓技術特點，MTU壓氣機采用無葉擴壓器結構，渦輪采用無噴嘴環結構，使增壓器在較寬的流量范圍內具有較高的效率，可以充分實現順序增壓系統與發動機的全工況良好匹配。另外MTU部分高壓比壓氣機葉輪采用鈦合金材料，以提高葉輪的可靠性，但目前鈦合金成本太高，并未得到廣泛應用。圖7示出有葉擴壓器與無葉擴壓器壓氣機性能對比。可以看出，有葉擴壓器壓氣機效率提高約2%，但大幅度縮小了壓氣機的流量范圍。ZR265增壓器壓氣機采用了如下設計要求：1)盡量減小進口處的相對馬赫數以獲得較高的壓氣機效率和較寬流量范圍；2)避免氣流攻角分離造成的回流區；3)按線速度560 m/s進行設計；4)一階自振頻率大于4倍頻。

圖7 有葉擴壓器與無葉擴壓器性能對比

圖8示出壓氣機在設計轉速時S1流面的相對速度和相對馬赫數分布云圖。采用分流葉片，在葉輪通道尾部形成的尾跡射流可以抑制局部的流動分離。為了使葉輪具有較小的轉動慣量，盡量減小葉輪直徑，使得設計葉輪進口的馬赫數達到1.2。

圖8 壓氣機在設計轉速時S1流面的相對速度和相對馬赫數分布云圖

ZR265增壓器渦輪采用如下設計要求：1)盡量減小渦輪出口處馬赫數；2)盡量減小渦輪出口處損失；3)葉片設計采用徑向積疊以降低葉片的彎曲應力；4)最高設計線速度為510m/s；5)一階自振頻率大于6倍頻。圖9示出優化后的渦輪在設計轉速時S1流面的相對馬赫數和壓力分布云圖。試驗結果表明渦輪效率可以在寬廣的范圍內高于80%。

ZR236/265增壓器軸承體箱采用兩部分分體式結構以保證軸承體箱與氣體空間之間可靠密封。在設計軸承體箱時，設計重點放在渦輪端的密封環區域。要求在全部工況下，此區域具有較低的溫度，并且具有良好的封油、封氣作用。通過部件試驗詳細分析了滑油的流動機制，對與滑油飛濺相關的箱體上的凹槽等幾何結構進行了重新優化設計，試驗表明獲得了良好的密封效果。

圖9 優化后的渦輪在設計轉速時S1流面的相對馬赫數和壓力分布云圖

6 總結與展望

6.1 總結

本研究總結了ABB，IHI，KBB，MANB&W，MTU等公司為應對發動機高功率密度和低排放要求所采用的單級高壓比增壓技術，主要從壓比提升后增壓器的有效運行范圍變窄、效率降低、增壓器可靠性變差等方面對單級高壓比增壓設計技術進行了詳細闡述。

a) 在高壓比高效壓氣機設計中主要采用了如下技術：

·盡量減少進口處的相對馬赫數，降低激波產生的損失，以獲得較高的壓氣機效率和較寬流量范圍；

·采用進氣再循環系統以拓寬喘振附近流量范圍，提高喘振裕度；

·主要采用盲孔鋁合金葉輪，以提高葉輪的使用壽命；ABBA100系列、ST27以及升級ST27系列高壓比葉輪采用了葉輪冷卻技術；

·ABB，IHI，KBB，MANB&W公司主要采用有葉擴壓器結構以提高壓氣機壓比及效率，MTU主要采用無葉擴壓器結構以獲得寬廣的流量范圍。

b) 在高效高可靠性渦輪設計中主要采用了如下技術：

·盡量減小渦輪出口處馬赫數和出口損失；

·ABB，IHI，KBB，MANB&W公司主要采用噴嘴環結構，MTU主要采用無葉渦輪箱以在寬廣范圍內獲得較高效率；

·渦輪設計除了進行熱力和離心力造成的應力評估外，還進行了由葉片振動造成的高周疲勞、渦輪的破裂性能等設計。

c) 軸系系統設計中主要采用了如下技術：

·采用半浮軸承設計技術，以降低軸承的磨損，提高使用壽命；

·對相關部件幾何結構進行優化，通過結構型式強化密封作用。

6.2 展望

隨著發動機對更高壓比的需求，單級增壓可能會突破更高的壓比設計。以下幾方面可能會成為后續單級增壓技術發展的關鍵技術。

a) 葉輪冷卻技術

隨著壓比的進一步提升，鋁合金葉輪的工作環境更加惡劣，需要進一步優化冷卻技術，提高葉輪的使用壽命；另一方面隨著鈦合金材料成本的減低和加工工藝的進一步成熟，后期可能會成為高壓比壓氣機葉輪的主要材料。

b) 可靠性設計技術

壓比的提高要求增壓器進一步提高設計轉速，在高設計轉速下提高增壓器可靠性壽命將成為一項重要的研究內容。

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[編輯： 潘麗麗]

Technical Developments of Foreign Single Stage Turbocharger with High Flow and High Pressure Ratio

HU Fengze

(Navy Military Representative office in Datong District, Datong 037036, China)

Based on the demand of high pressure ratio turbocharging technology for modern high power density and low emission engines, the technical developments of single stage turbochargers with high flow and high pressure ratio in world famous companies such as ABB, IHI, KBB, MAN B&W and MTU were introduced. For the problems such as narrowed effective operating range, low efficiency and reliability deterioration due to the rising pressure ratios, the design features of high pressure ratios turbocharging technology were finally summarized.

single stage； high flow； high pressure ratio； turbocharger； technical development level

2017-01-09；

2017-03-15

胡豐澤(1971—)，男，高級工程師，主要從事內燃機方面的研究。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.02.016

TK423.5

A

1001-2222(2017)02-0087-06