计算流体动力学在涡轮增压器设计中的应用：—以NAPIER297型增压器为研究实例（上）

不断提高涡轮增压器的性能是历史性的要求，今天的发动机制造商需要压比为5或大于5而且总效率大于70％的涡轮增压器，本文探讨了如何使用计算流体动力学开发新型涡轮增压器NAPIER297，描述了影响增压器性能的各个方面及各方面典型的效率损失，同时不明了各咱不同的计算流体动力学（CFD）软件包如何用来分析增压器设计中的一些重要的空气动力学元件（包括压气机叶轮、轴流涡轮叶栅和涡轮壳）。文中说明了NAPIER297型增压器如何设计才能满足发动机制造商的不同要求，具体是，是固定式发动机、怎样实现高压器在高压比时具有最高效率，对具有螺旋浆特性的发动机，怎样实现增压器在低压比时具有最高效率。     

高流量高压比新系列涡轮增压器

ABB公司开发了一种新的TPS．.—F33系列涡轮增压器，可以满足目前和未来功率范围为500—3500kW的小型中速柴油机和大型高速柴油机及气体燃料发动机的要求。其开发的目标是：提高高效率工况下的压比和流量，提高可靠性、寿命及可维修性。TPS.．—F33系列涡轮增压器与TPS．．D／E系列涡轮增压器的外形尺寸相同，包括4种涡轮增压器型号。这些增压器具有较高的功率密度，因而可以大大提高发动机的功率。本报告曾在200l年国际内燃机会议(CIMAC)上获奖。文中介绍了新系列涡轮增压器的结构、性能，新压气机叶轮开发的过程，新系列涡轮增压器的试验结果以及与柴油机和气体燃料发动机的匹配情况。     

应对高排气温度的小型高性能涡轮增压器的研制

世界各国的排放法规和燃油耗法规促使轿车发动机的外形尺寸设计得越来越小，单位排量的输出功率越来越大。涡轮增压器是发动机实现小型化和高功率化的有效装置，需求量日益增加，技术要求也越来越高。特别是汽油机，由于燃烧效率的提高，排气温度有上升的趋势。研制能应对高排气温度的涡轮增压器已成为当务之急。三菱重工研制了适用于全球最高排气温度1050℃的小型高性能涡轮增压器，并开始交付配套用户。     

MAN B＆W公司TCR新系列涡轮增压器的开发和初步试验结果

MAN B＆W公司在成功地将它不久前开发的用于2100kW以上大功率四冲程和二冲程柴油机的TCA系列涡轮增压器投放市场之后，最近又开发出一种全新的、用于较小功率发动机的TCR系列涡轮增压器。该系列涡轮增压器可满足目前和未来柴油机和气体燃料发动机的市场需要。新系列涡轮增压器包括6种不同的尺寸规格，适合脉冲或定压增压，覆盖的发动机功率范围为390kW-5000kW。预定的应用范围包括船舶推进，发电机组、固定式和铁路牵引发动机。它的主要开发目的是高效率、高压比、高比质量流量、低重量、小外形尺寸、长寿命，易维修、运行安全、低产品成本和低寿命期成本。为了实现所有这些目的，MANB＆W公司必须完成一个广泛的开发和试验计划，以确保产品满足市场需要和具有高的运用可靠性。除了已经将一些模拟工具，诸如用于对所有相关的涡轮增压器部件进行空气动力学分析的3D—CFD（计算流体动力学程序）或用于静态和动态负荷计算以及转子动态模拟的FE（有限元）法，作为一种标准而加以利用外还在开发阶段初期首次进行了密封安全性计算。为了掌握顾客的特殊需要，在经过了复杂的QFD（质量功能开发）分析之后，提供了用户要求的技术务件。此外，涡轮增压器样机亦在燃烧器试验台上进行了广泛的试验以验证预期的按照一典型的柴油机特性曲线的工作特性。本文描述TCR系列涡轮增压器的开发过程和由它所提供的新的机会。另外，还介绍了通过台架试验和发动机试验所获得的初步结果，这些初步试验结果进一步证实了用户可从该系列涡轮增压器获得的主要好处。     

俄罗斯地铁车辆制造公司提供PA2型内燃动车

瑞士ABB涡轮增压器公司宣布，目前它正在向开发新一代柴油机和气体燃料发动机的制造商提供其全新的A100涡轮增压器。A100涡轮增压器的设计目标是，能为开发首要目标放在发动机减排上以满足最新的环保法规要求的单级、高效、高压涡轮增压作出重大贡献。     

TPL—一种新的可满足现代柴油机需要的涡轮增压器系列

ＡＢＢ涡轮增压器系统有限公司开发出一种可满足当前和今后几代功率在１０００ｋＷ以上的低、中、高速发动机需要的ＴＰＬ新型涡轮增压器系列。该系列涡轮增压器的压比、效率、通泫能力上均得到提高，且这种结构紧凑的新型涡轮增压器优先考虑了用户对可靠性好、寿命长、大修期长和检修方便的要求，已有３００台ＴＰＬ系列涡轮增压器装机使用，发动机的运用经验证实了在试验室内获得的热力学性能测量结果。     

KBB公司HPR系列径流式涡轮增压器的发展

KBB公司于2001／2002年开始推出用于功率范围为500-3000kW的中速四冲程柴油机和气体燃料发动机的HPR系列径流式涡轮增压器。本文介绍该系列涡轮增压器成功应用的范例。目前共有100多种不同型号的HPR系列涡轮增压器装用于30多种型号的发动机。为了进一步改进涡轮增压器的运用可靠性，KBB公司在最近几年中作了大量的开发工作。开发了一种专门的径向涡轮喷嘴环涂层，优化了涡轮清洁的冲洗方法，这两项措施都是为了延长发动机烧重油运行时涡轮增压器的寿命。为了适应在更高的排气和机油温度下运用，亦对轴承系统进行了改进。这尤其是在气体燃料发动机应用情况下大大加强了耐久性。 现代柴油机的涡轮增压尤其对压气机提出了高的要求。第一代HPR压气机（A系列）被设计成在100％发动机负荷工况压比为4．2。在随后的几年中，与发动机相关的涉及增压空气压力和涡轮增压器效率的要求迅速提高。 为了满足发动机制造商的这些要求，对压气机作了进一步的全面开发。这导致推出了B系列和C系列压气机，从而拓宽了HPR压气机产品范围。在100％发动机负荷工况下，B系列和C系列压气机的压比分别达到4．5和4．8。在有效转速范围内，其效率超过80％，最高达84％。 自2000年以来，由于全球运输和能量需求的增长，KBB公司一直能够不断地扩展其涡轮增压器业务，并不断地赢得新的客户。这不仅要求在压气机设计过程中，而且同样要求在发动机制造过程中有高效的工具。     

满足现代柴油机和气体燃料发动机的要求：TPL．．-C新一代涡轮增压器

今天,现代四冲程柴油机和气体燃料发动机的发展动力主要来自环境方面和增加输出功率的目标。发动机制造商和终端用户的要求成为开发TPL..-C新一代涡轮增压器的动力。以经过充分验证的TPL..-A和TPL..-B系列涡轮增压器为基础,进一步发展了TPL涡轮增压器的概念以便满足明天的中速四冲程柴油机和气体燃料发动机的要求。市场和排放法规要求在很大程度上影响了TPL..-C新一代涡轮增压器的开发。现代涡轮增压系统和苛刻的排放法规要求更高的效率、更高的压比和增加体积流量。此外,各种保证高水平的机械可靠性和良好的维修方便性的措施在设计一种新涡轮增压器时同样必须被考虑到。因此,最近的部件开发被引入新的涡轮增压器系列中。采用新的TPL..-C压气机级和涡轮级,用户可以得益于增大的涡轮增压器单位尺寸体积流量、宽广范围的体积流量、增加的增压压力和改善的效率。于是,TPL..-C涡轮增压器部件的特性将不仅有助于达到发动机的环境相容性要求,而且新的涡轮增压器系列亦将可以满足更高发动机功率输出和功率密度的需要。本文着重描述了发动机制造商及终端用户的要求对TPL..-C涡轮增压器设计的影响。除了性能特点外,主要的关键之点还有诸如耐久性、可靠性、就单位尺寸热力学潜力而言的紧凑性以及维修方便性。机械问题的的讨论包括涡轮增压器的高自然频率和封闭安全性。TPL..-C涡轮增压器已经过全面试验,但在其成功地投放市场之前仍必须经历一个苛刻和综合性的内部鉴定过程。     

未来的涡轮增压器

发动机制造商所承受的要求降低发动机单位功率价格、提高整机总效率的压力自然而然地影响了涡轮增压器制造商。为降低成本，发动机制造商正在提高发动机的平均有效压力和活塞平均速度，因而促使涡轮增压器压比和效率也需提高。功－热联合循环装置（以下简称ＣＨＰ装置）给发动机和增压器制造商提出了一个更进一步的问题，那就是发动机／增压器系统效率的提高导致废气温度降低，因此废热利用度得更加困难。本文论述了涡轮增压器制造商     

乘用车柴油机用可变两级涡轮增压器的开发

为了满足以欧洲为首的逐年收紧的排放法规要求,配装可变截面涡轮增压器以替代传统涡轮增压器的车辆越来越多。最近,为了提高乘用车柴油机的低速扭矩,并同时加大输出功率,提高发动机瞬态响应性能的要求也越来越高。介绍一种三菱重工公司独立开发的可变两级涡轮增压器,其性能和耐久性优异,已开始被用于乘用车柴油机。     

CN公司开发出新的涡轮增压器性能模拟软件

今天正在生产或正在运用的许多柴油机都装有涡轮增压器，而且其他类型发动机（无论是天然气发动机，还是汽油发动机或生物柴油发动机）也都装有涡轮增压器。每个发动机制造商和涡轮增压器制造商均有自己的试验和检验其产品的方法。随着人们对效率的要求越来越高和对性能的研究越来越细致，在发动机设计中性能模拟显得更为重要。     

三菱重工业公司MET涡轮增压器的改进

简单介绍了日本三菱重工业公司ＭＥＴ涡轮压器的发展过程和应用范围，侧重介绍了ＭＥＴ－ＳＤ系列涡轮增压器的结构改进和性能特点，并披露了该公司为满足未来高平均有效压力发动机的需要目前已开发和构想ＭＥＴ－ＳＥ系列和ＳＥ系列涡轮增压器。     

封面人物介绍

芮晓霞,2003年进入南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司工作,担任4个重大开发项目的课题组长,参与并主持汽车涡轮增压器配件、排放系统EGR阀体零件、发动机燃油系统配件、发动机排气歧管零件、差速器壳体零件等近300个零件的开发及批量生产工作,其中"汽车涡轮增压器配件开发及产业化"项目获2007年南车科技成果二等奖。在涡壳开发过程中共     

MANB＆W新一代涡轮增压器

为了进一步提高二冲和四冲程柴油停机的比功率，要求采用能以４．５和更高压比可靠工作的涡轮增压器，近年来，ＭＡＮＢ＆Ｗ柴油机公司开发了一种能完全满足这一要求的新一代涡轮增压器，文中介绍了新开发的采用轴流式涡轮的ＮＡ系列涡轮增压器和采用径流式涡轮的ＮＲ系列涡轮增压器的主结构特点和一些试验结果。     

高速发动机用新型A100-H系列单级涡轮增压器

作为开发单级高效、高压增压系统的一个里程碑,ABB增压器公司推出了高速发动机用新型A100-H系列涡轮增压器。这种新系列增压器,其压气机压比达5．8,采用铝质压气机叶轮,具有高的增压器效率,能满足未来柴油机和气体燃料发动机的运行要求及低排放的要求。     

新一代ST27系列高压比径流式涡轮增压器

大中型柴油机（尤其是使用重油的发动机）未来发展的最大挑战将是满足更加严格的环保要求,涡轮增压系统通过提高压比和效率可为这种发展提供最有力的保障。KBB公司的HPR系列涡轮增压器自问世以来,一直是市场上的佼佼者。KBB公司将以其新的ST27系列径流式涡轮增压器继续应对这种挑战。在HPR系列成功的基础上,新的ST27系列涡轮增压器将压比提升到5．5,仍维持很高的总效率。为满足发动机新的需求,ST27系列在HPR系列基础上扩展了两种规格,因而可适用于功率范围为300～4800kW的气体燃料、柴油和重油发动机。然而,ST3-ST6型增压器的外形尺寸与HPR3000--HPR6000型增压器的保持相同。ST2型增压器设计用于较小的体积流量,而S1_7型增压器则针对较大的体积流量设计。ST27系列增压器已经投放市场,其整个系列将于2010年年底前推出。本文将介绍ST27系列涡轮增压器主要部件的开发,诸如轴承和压气机设计,包括为采用新的空冷系统而进行的旋转叶轮的温度测量。在涡轮增压器试验台和发动机试验台上成功地进行了广泛的性能鉴定试验。本文将详细介绍径流式涡轮叶轮的开发过程。高转速和高温,尤其是叶片振动,使得涡轮叶轮成为涡轮增压器中最关键的一个部件。然而,用于开发的时间又很短。有效而又快速的设计和评价工具可最大限度地减少样机制作和试验的工作量,在设计过程中了解可能发生的最大振动应力是非常重要的。因此,通过一种简单的激振模型提供了一种对径流式涡轮叶片振动应力进行估算的方法。在设计过程中,叶片之间的几何差异引起的失谐效应导致了进一步的不确定性。本文介绍这种由几何因素造成的叶片失谐形成的效应以及由此引起的对峰值振动应力影响进行的模拟与分析,并给出相应的叶片振动的测量结果。     

Perkins推出全新涡轮增压器阵容

正11涡轮增压器是发动机的重要组成部分,对于Perkins制造的发动机来说,也不例外。Perkins供应的原厂涡轮增压器都是按照严格工业规定并经过精准的工程设计而制成,典型的涡轮增压器的加工精密度要求公差小至一百万分之一英寸。有些涡轮增压器要长时间在峰值载荷条件下工作,运行速度最高可达每分钟180 000转,并须连续运行数以小时计。它们的设计都须配合发动机的使用寿命,更须经过严苛的测试程序,确保在所有严苛的操作状况下都能够     

Napier7系列涡轮增压器的持续开发

为适应市场需求,Napier公司在上个世纪90年代末研制了NA297和NA357型涡轮增压器产品。这些产品在海运和发电应用领域确立了稳固的地位。开发工作的一个基本组成部分是一个受控的验证程序,Wrtsil柴油机公司对此给予了特别支持。该程序包括,在交付现场试验之前,先在Napier试验台上对涡轮增压器进行全面试验,然后在试验室内进行与发动机的配机试验。验证程序特别规定要在苛刻条件下(诸如:超负荷和负荷循环)测试涡轮增压器的性能和适应能力。进一步的现场验证还使公司能对更长期的效果(例如烧重油)作出评价。指定用于验证的样机仍处于监测之中,其验证结果被用于产品改进和强化新的开发工作。NA297和NA357型增压器的成功经验和通过验证程序的执行而产生的自信促进了Wrtsil公司和Napier公司之间在新的7系列产品方面的交流。新的NA397和NA307型增压器就是这种合作的结果。这些增压器的开发建立在早先产品的成功基础上,同时也吸收了在验证过程中得到的经验。NA397型涡轮增压器采用新的空气动力学叶轮和涡轮结构,并有许多其它新的或改进的结构特点。分析能力的提高有助于优化设计,最大限度地减小了叶轮的应力。采用了新的涡轮端密封系统,从而允许使用更高的油压,并且对因烧重油时润滑油污染造成的磨损加速问题更具适应能力。这种封密已被装置试验、试验台试验和现场运用所认可,从而确认其可信度。亦对增压器的涡轮出气壳进行了结构改进,采用新的转速传感器、模件式隔热装置并改变加工工艺以改进质量和控制成本。NA397型涡轮增压器在顺利通过第一阶段——试验室试验和装机试验后,于2003年夏季开始进行现场试验验证。在此期间,增压器以超负荷长时间运行并完成了500次快速全负荷循环。增压器还经受了热停机考验而未发生轴承损坏,并进行了全面的振动考查。NA307型涡轮增压器正处于设计阶段,它采用NA397型增压器中所用的新的Napier“PM”涡轮,并正在签订配套工具合同。首台样机将于2004年春季制成,届时,它将按NA397型增压器的程序完成初期鉴定。通过早期提供理论上的振动分析数据,将进一步加强合作,以保证安装特性得到优化。这一理论随后将由实际试验结果进行验证。这些新的涡轮增压器显示了制造商与用户之间的技术合作是有益的。双方共同开发涡轮增压器能更好地满足发动机的要求,并能保证提交给现场使用的产品首先经过全面验证。这种合作将继续,以研制出可靠的产品设备。     

增压器:高性能发动机的关键技术

通过增加增压系统可以提高内燃机性能。增压器可以压缩空气以使更多氧气能够流入燃烧室,这样可以燃烧更充分,从而提高发动机输出功率。增压器由废气驱动,这就使得涡轮增压柴油机非常高效。MTU公司为自主研制高性能发动机而不断开发这一关键技术。     

新一代大型涡轮增压器

提高效率和能力始终是用于柴油机的大型涡轮增压器所追求的目标。涡轮增压器的高效率可以降低发动机的热负荷和提高热效率。同样地,涡轮增压器能力的增大可以使涡轮增压器的尺寸达到最小化,而这对于降低发动机的成本和节省空间是有利的。另一方面,涡轮增压器的设计者有时又不情愿改变设计,因为新的设计很可能就是产生技术问题的原因,而传统设计的可靠性已经被许多运用经验所证明。然而,三菱重工业有限公司还是作出决定,对其MET型涡轮增压器进行必要的设计修改,即改变涡轮叶片、涡轮进气壳与出气壳以提高涡轮增压器效率和涡轮能力。对已被理想的运用经验所证明的目前的设计的机械强度进行了核实并与新设计进行了对比。上述新部件的计算分析和试验结果表明,它们的性能要比目前的设计高得多。另外,为了降低进气消声器处的噪声水平和压力降,根据分析结果亦对消声器的设计进行了修改。新设计的优点已由涡轮增压器台架试验所证实。尽管上述设计修改不是很大,但对于改进性能却是有效的,并且对设计相容性或者对已得到证明的涡轮增压器的可靠性只有最小程度的影响。整篇文章勾划出下一代三菱涡轮增压器的概貌。