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)

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)

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ABB，IHI，KBB，MAN B&W，MTU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。

单级； 大流量； 高压比； 涡轮增压器； 技术发展水平

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高性能，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,高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。

单级大流量高压比增压技术的难度主要围绕压比提高后增压器的有效运行范围变窄、效率降低、增压器可靠性变差等问题。本研究总结了ABB，IHI，KBB，MAN B&W，MTU等国外著名公司在单级大流量高压比增压器设计方面的发展及技术特点。

1 ABB单级大流量高压比增压技术

ABB公司在目前大功率柴油机增压技术领域处于领先水平。ABB公司推出的TPS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。TPS系列增压器是ABB公司专门为单级功率500～3 300 kW的小型中速机和大型高速机量身定做，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TPS系列中压比最高的增压器，其F33，F32，F31三挡叶轮全负荷工况压比可达到4.7，5.0，5.3[5]。2001年René Hunziker等人[6]完成了TPS57-F33增压器的开发，并与Wärtsilä W6L26发动机匹配良好，图1示出TPS57-F33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高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TPS..E增压器相比，TPS57-F33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%。

图2 压气机进口有无进气再循环的流线对比

在TPS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A100-M/H系列增压器，其中A100-H系列用于高速发动机，A100-M径流式增压器系列用于小型中速机[7-9]。A100-M/H系列的结构尺寸与TPS涡轮增压器产品相同。如要改进现有TPS涡轮增压发动机平台，就可直接使用A100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。

A100系列涡轮增压器采用整体铝合金压气机叶轮，ABB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80%。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FEA(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。

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，提高涡轮效率。新型涡轮的效率要明显高于现有的TPS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A100-H增压器的涡轮系列，与现用的TPS涡轮级相比，新涡轮自由破裂的能量降到最小。

A100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，A100系列增压器的效率比TPS型增压器高很多。A100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。

图3 A140-H与TPS57-F涡轮性能对比

2 IHI单级大流量高压比增压技术

IHI公司[10-12]在CIMAC会议公开了新AT14和AT23高压比高效增压器设计。

新AT14增压器通过以下技术措施使压气机基准压比3.8提高到5.0的设计压比：提高压气机的圆周速度并尽量减小叶轮叶顶处的相对马赫数；优化叶片数目及分离叶片的叶型；设计合适的有叶扩压器以将动能转化为静压；采用进气再循环装置。AT14压气机叶轮为穿孔结构，而AT23压气机叶轮采用了盲孔设计技术，以进一步提高叶轮使用寿命。图4示出进气再循环装置示意及有无进气再循环的压气机性能特性对比。可以看出，在采用进气再循环装置后可以有效地拓宽压气机喘振线附近的流量范围，提高增压器的喘振裕度。AT23增压器在进气再循环装置增加了反预旋叶片，与压气机旋转方向产生相反的预旋流动，可以进一步使压气机的喘振线左移。AT14增压器采用了一种椭圆形前缘的有叶扩压器结构代替了常规的圆形前缘结构，CFD结果表明，采用椭圆形前缘结构叶片表面的边界层发展被抑制，其效率比圆形前缘结构高0.2%。Hideaki Tamaki[13]试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。

图4 进气再循环装置示意及有无进气 再循环的压气机特性对比

借助CFD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 AT14增压器涡轮的设计。图5示出涡轮叶片近叶根10%叶高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AT14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。AT23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涡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。

图5 涡轮叶片近叶根10%叶高处的相对马赫数分布

3 KBB单级大流量高压比增压技术

从2001年开始，KBB公司将TPR系列增压器投放市场，功率范围覆盖500～3 000 kW的中速四冲程柴油机和气体发动机。其第一代(A系列)HPR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[14-15]。为了继续应对发动机面临的技术挑战，2010年KBB推出了ST27系列径流增压器，可在保持较高增压器效率的情况下达到5.5的压比。ST27系列增压器与TPR系列增压器相比增加了两款增压器(ST2、ST7)，功率范围覆盖300～4 800 kW的气体机、柴油机、重油发动机[16]。将于2017年公开的ST27升级系列增压器最高运行压比可达到6.0[17]。

ST27系列增压器压气机设计采用了以下技术：1)采用内部进气再循环系统以拓宽压气机的流量范围；2)在叶轮重要、高应力部位进行局部冷却；3)叶轮采用盲孔设计与转轴进行连接；4)采用不带冷却的壳体(气体机可以根据需要选择水冷轴承体)。

叶轮的强度随着温度的升高而降低，对于单级高压比增压器来说，高的叶轮温度始终是设计的一个重大挑战，只有当叶轮叶根处等重要部位维持在相对较低的温度时才能获得较高的压比，并保证叶轮的使用寿命。图6示出ST5增压器与压气机图谱相关联的试验压气机温度图谱。图中压气机后温度通过谱图的形式与压比、转速等性能特性建立了良好的关联，将压气机后温度作为评判冷却系统工作切入的关键参数。对叶根处两个关键部位进行了有冷却和无冷却的对比分析，研究发现采用冷却后叶轮温度降低10%。ST27的升级系列优化了叶轮的冷却技术，叶轮仍采用铝合金叶轮，通过在中冷器后提取空气返回到叶轮，当压比大于5.2时对叶轮进行冷却，整个冷却空气流量小于压气机流量的2%。

图6 与压气机图谱相关联的试验压气机温度图谱

涡轮因工作温度高、线速度高，加之叶片振动使之成为增压器设计的最复杂部件之一。ST5涡轮设计过程中除了考虑涡轮的气动性能外，在涡轮的可靠性设计方面花费了大量精力。除了要考虑热力和离心力载荷造成的应力外，将主要工作放在消除由叶片共振振动引起的高周疲劳。在研究叶片振动时考虑了由于叶片几何差异造成的失谐，提出了更先进的高周疲劳安全涡轮叶轮设计准则。

4 MAN B&W单级大流量高压比增压技术

MAN B&W公司推出的新一代TCR增压器有6个流量型号档次，覆盖配机功率400～5 800 kW[18-19]。采用三维CFD仿真技术，改进了压气机叶轮、有叶扩压器、蜗壳等流通部件，有效改善了压气机的空气动力学性能，使其效率提高，气动噪声降低，最大工作压比从NR(S)系列的4.7提高到5.2。试验结果表明，压气机效率提高5%，噪声下降3 dB。压气机设计上也采用了叶轮盲孔设计以及进气再循环系统。TCR增压器还通过三维CFD优化涡轮转子叶片、喷嘴环以及进排气壳体的设计，优化喷嘴环与叶轮的喉口面积比，减少流动损失，扩大了高压比的运行范围。通过有限元分析，提高涡轮转子的抗振强度，使涡轮在脉冲和定压以及高低不同工况下均能良好工作。

TCR增压器将增压器轴向止推轴承放置在两个径向轴承中间，这一设计减少了轴承布置所需的空间。同时采用“半浮动”轴承设计概念代替原来的全浮动轴承设计，可以降低轴承的磨损，提高使用寿命。采用密封环进行轴承滑油的密封取代原来的空气压力密封，提高了油封的可靠性。

5 MTU单级大流量高压比增压技术

MTU新2000，4000和8000系列发动机采用了单级顺序增压系统，增压系统在整个发动机运行范围内具有较高的效率，并给燃烧系统提供较高的空燃比。发动机高平均有效压力对单级增压的设计要求促使MTU开发了压比为5.0的新ZR系列增压器[20-25]。不同于上述公司采用的高压比增压技术特点，MTU压气机采用无叶扩压器结构，涡轮采用无喷嘴环结构，使增压器在较宽的流量范围内具有较高的效率，可以充分实现顺序增压系统与发动机的全工况良好匹配。另外MTU部分高压比压气机叶轮采用钛合金材料，以提高叶轮的可靠性，但目前钛合金成本太高，并未得到广泛应用。图7示出有叶扩压器与无叶扩压器压气机性能对比。可以看出，有叶扩压器压气机效率提高约2%，但大幅度缩小了压气机的流量范围。ZR265增压器压气机采用了如下设计要求：1)尽量减小进口处的相对马赫数以获得较高的压气机效率和较宽流量范围；2)避免气流攻角分离造成的回流区；3)按线速度560 m/s进行设计；4)一阶自振频率大于4倍频。

图7 有叶扩压器与无叶扩压器性能对比

图8示出压气机在设计转速时S1流面的相对速度和相对马赫数分布云图。采用分流叶片，在叶轮通道尾部形成的尾迹射流可以抑制局部的流动分离。为了使叶轮具有较小的转动惯量，尽量减小叶轮直径，使得设计叶轮进口的马赫数达到1.2。

图8 压气机在设计转速时S1流面的相对速度和相对马赫数分布云图

ZR265增压器涡轮采用如下设计要求：1)尽量减小涡轮出口处马赫数；2)尽量减小涡轮出口处损失；3)叶片设计采用径向积叠以降低叶片的弯曲应力；4)最高设计线速度为510m/s；5)一阶自振频率大于6倍频。图9示出优化后的涡轮在设计转速时S1流面的相对马赫数和压力分布云图。试验结果表明涡轮效率可以在宽广的范围内高于80%。

ZR236/265增压器轴承体箱采用两部分分体式结构以保证轴承体箱与气体空间之间可靠密封。在设计轴承体箱时，设计重点放在涡轮端的密封环区域。要求在全部工况下，此区域具有较低的温度，并且具有良好的封油、封气作用。通过部件试验详细分析了滑油的流动机制，对与滑油飞溅相关的箱体上的凹槽等几何结构进行了重新优化设计，试验表明获得了良好的密封效果。

图9 优化后的涡轮在设计转速时S1流面的相对马赫数和压力分布云图

6 总结与展望

6.1 总结

本研究总结了ABB，IHI，KBB，MANB&W，MTU等公司为应对发动机高功率密度和低排放要求所采用的单级高压比增压技术，主要从压比提升后增压器的有效运行范围变窄、效率降低、增压器可靠性变差等方面对单级高压比增压设计技术进行了详细阐述。

a) 在高压比高效压气机设计中主要采用了如下技术：

·尽量减少进口处的相对马赫数，降低激波产生的损失，以获得较高的压气机效率和较宽流量范围；

·采用进气再循环系统以拓宽喘振附近流量范围，提高喘振裕度；

·主要采用盲孔铝合金叶轮，以提高叶轮的使用寿命；ABBA100系列、ST27以及升级ST27系列高压比叶轮采用了叶轮冷却技术；

·ABB，IHI，KBB，MANB&W公司主要采用有叶扩压器结构以提高压气机压比及效率，MTU主要采用无叶扩压器结构以获得宽广的流量范围。

b) 在高效高可靠性涡轮设计中主要采用了如下技术：

·尽量减小涡轮出口处马赫数和出口损失；

·ABB，IHI，KBB，MANB&W公司主要采用喷嘴环结构，MTU主要采用无叶涡轮箱以在宽广范围内获得较高效率；

·涡轮设计除了进行热力和离心力造成的应力评估外，还进行了由叶片振动造成的高周疲劳、涡轮的破裂性能等设计。

c) 轴系系统设计中主要采用了如下技术：

·采用半浮轴承设计技术，以降低轴承的磨损，提高使用寿命；

·对相关部件几何结构进行优化，通过结构型式强化密封作用。

6.2 展望

随着发动机对更高压比的需求，单级增压可能会突破更高的压比设计。以下几方面可能会成为后续单级增压技术发展的关键技术。

a) 叶轮冷却技术

随着压比的进一步提升，铝合金叶轮的工作环境更加恶劣，需要进一步优化冷却技术，提高叶轮的使用寿命；另一方面随着钛合金材料成本的减低和加工工艺的进一步成熟，后期可能会成为高压比压气机叶轮的主要材料。

b) 可靠性设计技术

压比的提高要求增压器进一步提高设计转速，在高设计转速下提高增压器可靠性寿命将成为一项重要的研究内容。

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[编辑： 潘丽丽]

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

胡丰泽(1971—)，男，高级工程师，主要从事内燃机方面的研究。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.02.016

TK423.5

A

1001-2222(2017)02-0087-06