吳亦昕

摘 要：葉輪機(jī)械作為一種重要的機(jī)械廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，包括汽車業(yè)。由于其重要性，本文主要討論葉輪機(jī)械在車用動(dòng)力中的應(yīng)用與前沿技術(shù)，分為競(jìng)賽類與非競(jìng)賽類兩大部分，對(duì)其進(jìn)行歸納與總結(jié)，并對(duì)葉輪機(jī)械在車用動(dòng)力中應(yīng)用的未來進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：葉輪機(jī)械 增壓 渦輪 應(yīng)用 發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：U46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（b）-0097-02

1 葉輪機(jī)械在車用動(dòng)力的應(yīng)用

葉輪機(jī)械是一種以連續(xù)旋轉(zhuǎn)葉片為本體，實(shí)現(xiàn)流體工質(zhì)與軸動(dòng)力之間的能量轉(zhuǎn)換的動(dòng)力機(jī)械，比如噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)就是葉輪機(jī)械的一種。其使用非常廣泛，在電力、航空、輪船等方面，葉輪機(jī)械都做出了很大的貢獻(xiàn)。而在車用動(dòng)力上，葉輪機(jī)械也有其一席之地，而且可以說在汽車完全步入電動(dòng)汽車時(shí)代之前，都將有其相當(dāng)大的用武之地。這一章節(jié)，主要談葉輪機(jī)械在車用動(dòng)力中的應(yīng)用。

1.1 作為車用動(dòng)力單元輔助的葉輪機(jī)械

車用動(dòng)力單元的核心部件是發(fā)動(dòng)機(jī)，而當(dāng)今汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的主流是往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，葉輪式引擎因?yàn)槠浼夹g(shù)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(qiáng)大的動(dòng)力性，以至其在車用動(dòng)力單元中似乎并無可建樹之處。

然而，事實(shí)并非如此，作為葉輪機(jī)械的增壓器就是車用動(dòng)力單元的強(qiáng)大輔助。

瑞士的Alfred J.Buchi博士在1905年發(fā)明了渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，并申請(qǐng)了專利，世界上第一臺(tái)廢氣驅(qū)動(dòng)的軸流式渦輪增壓器也由他在1909年至1912年間開發(fā)，又在1915年第一次將渦輪增壓器與柴油動(dòng)力機(jī)共同使用。1954年，增壓技術(shù)開始在民用車輛上使用，1970年時(shí)已成大規(guī)模應(yīng)用趨勢(shì)。1975年，相當(dāng)經(jīng)典的保時(shí)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(dòng)力性可以與搭載無渦輪增壓的3.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)的同類車相媲美，但實(shí)際上使用的是一個(gè)帶渦輪增壓器的2.1 L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。于是，渦輪增壓技術(shù)被大眾認(rèn)識(shí)，并得到了大部分人的接受。

現(xiàn)在，增壓技術(shù)可謂是引擎的好助手，不僅僅增加了引擎的動(dòng)力性，還能節(jié)能減排，符合當(dāng)下流行的趨勢(shì)。由于增壓技術(shù)壓縮了進(jìn)入引擎的空氣，使得噴油量可以相應(yīng)增多的同時(shí)，燃料燃燒也更完全，排放特性得以優(yōu)化。這兩個(gè)特性決定了增壓技術(shù)在車用動(dòng)力中的地位，因此，接下來的文字將以介紹車用動(dòng)力增壓技術(shù)為主。

1.1.1 非競(jìng)賽類汽車增壓技術(shù)使用情況

增壓技術(shù)，由于柴油機(jī)的工作特性，首先在這一領(lǐng)域得到發(fā)展，目前，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，大中功率柴油機(jī)已全部采用增壓技術(shù)，80%的中小型車用柴油機(jī)也采用了增壓技術(shù)。而汽油機(jī)增壓技術(shù)的起步不如柴油機(jī)增壓技術(shù)早，因此技術(shù)水平也落后于柴油機(jī)。20世紀(jì)70年代末國(guó)外汽油機(jī)開始逐漸采用增壓技術(shù)，在有柴油機(jī)增壓技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展相當(dāng)迅速。1990年美國(guó)生產(chǎn)的汽油機(jī)已有大約25%為增壓汽油機(jī)，目前國(guó)外汽油機(jī)的增壓技術(shù)正處于完善和推廣應(yīng)用階段。

現(xiàn)今，增壓技術(shù)已經(jīng)不僅僅局限于最普通的廢氣渦輪增壓。由于由一個(gè)壓氣機(jī)和一個(gè)廢氣渦輪組成的渦輪增壓器存在不少問題，比如遲滯現(xiàn)象、起步動(dòng)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(dāng)經(jīng)濟(jì)的一種措施，因此工程師們做出了相當(dāng)多的努力，來改善這些存在的問題。

1.1.2 非競(jìng)賽類車用葉輪機(jī)械動(dòng)力單元使用情況

非競(jìng)賽類車用葉輪機(jī)械動(dòng)力單元可謂少之又少，但并非不存在。在某些特定的場(chǎng)合，就需要使用葉輪機(jī)械作為動(dòng)力單元，輪式裝甲車輛上就有作為動(dòng)力單元的葉輪機(jī)械。

輪式裝甲車輛作為軍車，要在戰(zhàn)場(chǎng)上有強(qiáng)大的機(jī)動(dòng)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(shí)還有必要通過河流。因此，不少輪式裝甲車輛實(shí)際上是水陸兩棲車。

輪式裝甲車輛在水中的動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行劃水，從而達(dá)到前進(jìn)的效果。這種在水中的前進(jìn)方式要求輪胎不被水面完全淹沒，前進(jìn)速度為3～5 km/h，實(shí)在太慢，且要求很高，只能作為一種臨時(shí)水中動(dòng)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(jī)械作為水中動(dòng)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(shí)，駕駛員切換離合器，將動(dòng)力導(dǎo)入螺旋槳使其轉(zhuǎn)動(dòng)，車輛便有了在水中行駛的能力。要轉(zhuǎn)彎時(shí)，可以轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋槳的朝向來改變行駛方向；若車上有多個(gè)螺旋槳，也可改變不同螺旋槳的轉(zhuǎn)速來改變行駛方向，改變螺旋槳旋轉(zhuǎn)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(dá)7～12 km/h，明顯快于劃水式，現(xiàn)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(shí)吸入河流中的水，之后噴出，利用反作用力作為行駛動(dòng)力。轉(zhuǎn)向的方式為改變噴水方向，也可以進(jìn)行倒車。噴水式輪式裝甲車輛的優(yōu)點(diǎn)在于速度快，可達(dá)8～14 km/h，淺水機(jī)動(dòng)性好，水上操縱性能好，行駛效率高，但缺點(diǎn)在于占用空間較大。

2 葉輪機(jī)械在車用動(dòng)力的發(fā)展趨勢(shì)

之前已經(jīng)提到，葉輪機(jī)械由于種種原因，不太可能成為一種流行的車用發(fā)動(dòng)機(jī)，因此其依舊是以車用動(dòng)力單元輔助的形式在汽車上發(fā)展，也即增壓技術(shù)在將來隨著葉輪機(jī)械的進(jìn)化，而變得更加精密而有效。而葉輪機(jī)械的進(jìn)化，離不開新材料和新工藝的應(yīng)用。

2.1 新材料

由于現(xiàn)今渦輪轉(zhuǎn)速可達(dá)100000 rpm，高轉(zhuǎn)速必然帶來高熱量，這對(duì)材料的考驗(yàn)是極大的，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展有困難也有材料不如人的因素。對(duì)于新材料的要求，首當(dāng)其沖的便是耐熱，原因不必贅述。其次是輕便，因?yàn)樯衔囊烟岬剑瑴u輪增壓系統(tǒng)相當(dāng)明顯的問題是遲滯問題，若制造渦輪的材料輕便，那么其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就小，遲滯問題就不明顯。再次是強(qiáng)度高，也是由于渦輪高轉(zhuǎn)速帶來的問題。endprint

符合這三個(gè)條件的材料，比較普遍的有兩個(gè)：陶瓷材料和鈦合金。

陶瓷材料耐熱、輕便、強(qiáng)度高，易于加速，可以提高渦輪的動(dòng)力性。早在20世紀(jì)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(shù)難點(diǎn)在于陶瓷渦輪和轉(zhuǎn)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(qiáng)的高溫強(qiáng)度及抗氧化性，用于渦輪增壓器可以大幅度降低其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，瞬態(tài)響應(yīng)性得以提高，緩解渦輪遲滯問題。采用高頻感應(yīng)快速熔化澆鑄工藝鑄造渦輪葉輪已經(jīng)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(jī)加工。然而，這兩種方式都有嚴(yán)重的缺陷，石膏鑄模很可能存在表面與內(nèi)部缺陷，使得性能差、壽命短，而鑄造加機(jī)加工法則造價(jià)太高。

半固體澆筑法解決了這個(gè)問題，在國(guó)外從四年前就已開始投入商業(yè)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(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，擁有顯著的結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能優(yōu)勢(shì)，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(shí)產(chǎn)生的褶皺。

2.2.2 電腦輔助研制

由于電子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，工程師借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值求解、計(jì)算大計(jì)算量流體力學(xué)問題成為可能，也催生了計(jì)算流體力學(xué)這門學(xué)科的誕生。

現(xiàn)在電腦輔助研制已經(jīng)可以達(dá)到全三維定常數(shù)值模擬技術(shù)，以及全三維非定常數(shù)值模擬技術(shù)等，經(jīng)適當(dāng)運(yùn)用，不但摻混面方法定常計(jì)算帶來的一些固有偏差可以得到改善，計(jì)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(jī)械內(nèi)部一些固有的非定常流動(dòng)現(xiàn)象的研究，可以得到解決，從而為解決傳統(tǒng)難題，如流場(chǎng)畸變、失速、喘振、葉片高周疲勞和顫振等，提供先進(jìn)手段。

3 結(jié)語

葉輪機(jī)械在車用動(dòng)力上的應(yīng)用已有很長(zhǎng)的歷史，其生命力依舊旺盛，在增強(qiáng)動(dòng)力性以及節(jié)能減排方面可謂是功不可沒。葉輪機(jī)械直接作為車用動(dòng)力單元雖然不如作為動(dòng)力單元輔助用途來的廣泛，但也有其獨(dú)特的魅力?？梢韵嘈?，在可見的未來中，葉輪機(jī)械依然會(huì)在車用動(dòng)力中生生不息，其技術(shù)應(yīng)用也將向著更加精密、更有技術(shù)含量的方向繼續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 張俊紅，李志剛，王鐵寧.車用渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展回顧，現(xiàn)狀及展望[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2007，36（1）：66-69.

[2] 陳紅.汽油機(jī)廢氣渦輪增壓技術(shù)的研究及發(fā)展前景[J].內(nèi)燃機(jī)，2008（1）：1-3.

[3] 張眾杰，何西常，王威，等.車用渦輪增壓技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2012（6）：37-40.endprint

符合這三個(gè)條件的材料，比較普遍的有兩個(gè)：陶瓷材料和鈦合金。

陶瓷材料耐熱、輕便、強(qiáng)度高，易于加速，可以提高渦輪的動(dòng)力性。早在20世紀(jì)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(shù)難點(diǎn)在于陶瓷渦輪和轉(zhuǎn)軸的連接。

鈦鋁合金作為一種新型的高溫材料，密度?。s3.7～3.9 g/cm3，大約只有鎳基高溫合金密度的一半）、擁有極強(qiáng)的高溫強(qiáng)度及抗氧化性，用于渦輪增壓器可以大幅度降低其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，瞬態(tài)響應(yīng)性得以提高，緩解渦輪遲滯問題。采用高頻感應(yīng)快速熔化澆鑄工藝鑄造渦輪葉輪已經(jīng)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(jī)加工。然而，這兩種方式都有嚴(yán)重的缺陷，石膏鑄模很可能存在表面與內(nèi)部缺陷，使得性能差、壽命短，而鑄造加機(jī)加工法則造價(jià)太高。

半固體澆筑法解決了這個(gè)問題，在國(guó)外從四年前就已開始投入商業(yè)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(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，擁有顯著的結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能優(yōu)勢(shì)，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(shí)產(chǎn)生的褶皺。

2.2.2 電腦輔助研制

由于電子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，工程師借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值求解、計(jì)算大計(jì)算量流體力學(xué)問題成為可能，也催生了計(jì)算流體力學(xué)這門學(xué)科的誕生。

現(xiàn)在電腦輔助研制已經(jīng)可以達(dá)到全三維定常數(shù)值模擬技術(shù)，以及全三維非定常數(shù)值模擬技術(shù)等，經(jīng)適當(dāng)運(yùn)用，不但摻混面方法定常計(jì)算帶來的一些固有偏差可以得到改善，計(jì)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(jī)械內(nèi)部一些固有的非定常流動(dòng)現(xiàn)象的研究，可以得到解決，從而為解決傳統(tǒng)難題，如流場(chǎng)畸變、失速、喘振、葉片高周疲勞和顫振等，提供先進(jìn)手段。

3 結(jié)語

葉輪機(jī)械在車用動(dòng)力上的應(yīng)用已有很長(zhǎng)的歷史，其生命力依舊旺盛，在增強(qiáng)動(dòng)力性以及節(jié)能減排方面可謂是功不可沒。葉輪機(jī)械直接作為車用動(dòng)力單元雖然不如作為動(dòng)力單元輔助用途來的廣泛，但也有其獨(dú)特的魅力?？梢韵嘈牛诳梢姷奈磥碇?，葉輪機(jī)械依然會(huì)在車用動(dòng)力中生生不息，其技術(shù)應(yīng)用也將向著更加精密、更有技術(shù)含量的方向繼續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 張俊紅，李志剛，王鐵寧.車用渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展回顧，現(xiàn)狀及展望[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2007，36（1）：66-69.

[2] 陳紅.汽油機(jī)廢氣渦輪增壓技術(shù)的研究及發(fā)展前景[J].內(nèi)燃機(jī)，2008（1）：1-3.

[3] 張眾杰，何西常，王威，等.車用渦輪增壓技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2012（6）：37-40.endprint

符合這三個(gè)條件的材料，比較普遍的有兩個(gè)：陶瓷材料和鈦合金。

陶瓷材料耐熱、輕便、強(qiáng)度高，易于加速，可以提高渦輪的動(dòng)力性。早在20世紀(jì)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(shù)難點(diǎn)在于陶瓷渦輪和轉(zhuǎn)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(qiáng)的高溫強(qiáng)度及抗氧化性，用于渦輪增壓器可以大幅度降低其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，瞬態(tài)響應(yīng)性得以提高，緩解渦輪遲滯問題。采用高頻感應(yīng)快速熔化澆鑄工藝鑄造渦輪葉輪已經(jīng)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(jī)加工。然而，這兩種方式都有嚴(yán)重的缺陷，石膏鑄模很可能存在表面與內(nèi)部缺陷，使得性能差、壽命短，而鑄造加機(jī)加工法則造價(jià)太高。

半固體澆筑法解決了這個(gè)問題，在國(guó)外從四年前就已開始投入商業(yè)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(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，擁有顯著的結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能優(yōu)勢(shì)，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(shí)產(chǎn)生的褶皺。

2.2.2 電腦輔助研制

由于電子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，工程師借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值求解、計(jì)算大計(jì)算量流體力學(xué)問題成為可能，也催生了計(jì)算流體力學(xué)這門學(xué)科的誕生。

現(xiàn)在電腦輔助研制已經(jīng)可以達(dá)到全三維定常數(shù)值模擬技術(shù)，以及全三維非定常數(shù)值模擬技術(shù)等，經(jīng)適當(dāng)運(yùn)用，不但摻混面方法定常計(jì)算帶來的一些固有偏差可以得到改善，計(jì)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(jī)械內(nèi)部一些固有的非定常流動(dòng)現(xiàn)象的研究，可以得到解決，從而為解決傳統(tǒng)難題，如流場(chǎng)畸變、失速、喘振、葉片高周疲勞和顫振等，提供先進(jìn)手段。

3 結(jié)語

葉輪機(jī)械在車用動(dòng)力上的應(yīng)用已有很長(zhǎng)的歷史，其生命力依舊旺盛，在增強(qiáng)動(dòng)力性以及節(jié)能減排方面可謂是功不可沒。葉輪機(jī)械直接作為車用動(dòng)力單元雖然不如作為動(dòng)力單元輔助用途來的廣泛，但也有其獨(dú)特的魅力?？梢韵嘈?，在可見的未來中，葉輪機(jī)械依然會(huì)在車用動(dòng)力中生生不息，其技術(shù)應(yīng)用也將向著更加精密、更有技術(shù)含量的方向繼續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 張俊紅，李志剛，王鐵寧.車用渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展回顧，現(xiàn)狀及展望[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2007，36（1）：66-69.

[2] 陳紅.汽油機(jī)廢氣渦輪增壓技術(shù)的研究及發(fā)展前景[J].內(nèi)燃機(jī)，2008（1）：1-3.

[3] 張眾杰，何西常，王威，等.車用渦輪增壓技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2012（6）：37-40.endprint