1.1目的

根据汽车研发的需求，应用CFD软件对柴油机涡轮增压器径流式涡轮机流动进行仿真分析，建立涡轮增压器径流式涡轮机模型，优化涡轮机结构设计，从而提高涡轮机的能量转化效率、减小余速损失。

1.2意义

进入21世纪以来，汽车逐渐走入千家万户，成为人们生活中必不可缺的交通工具。虽然我国的汽车产销量位居世界前列，但是技术水平低，自主研发能力弱等问题阻碍了汽车工业的进一步发展，能源、环保、城市交通等问题日益突显。能源是人类赖以生存和发展的物质基础。现代文明标志之一的汽车一刻也离不开石油。据统计，一辆汽车年平均消耗石油约5吨。截止到2008年，世界汽车保有量已突破9亿辆，其中中国约为6467万辆，除此之外中国的摩托车保有量已达到8954万辆，挂车101万辆，上路行驶的拖拉机1464万辆。并且世界汽车保有量正以每年3000万辆的速度增长，预计到2020年全球汽车保有量将达到12亿辆(其中中国将达到1．3～1．5亿辆)，届时汽车所消耗的石油将达到每年55亿吨，交通用油将占全球石油总消耗的62％以上。而中国预测到2020年，进口的石油将占石油需求的50％以上。巨大的石油进口需求将严重威胁中国的能源安全，并阻碍中国经济的持续发展。到2020、2030年时，中国的机动车燃料消耗量需求将分别达到2．3亿吨和3．7亿吨，分别占当年全国石油总需求的57％和87％。可见，汽车是消耗石油的大户。^[1]所以提高涡轮增压技术对于节能有着显著地效果，也是汽车节能必须注重的一个方面。

涡轮增压器能利用发动机排放的废气的能量使发动机的功率提高达50%-100%，它的发展已成为柴油机技术中的一个亮点。目前随着涡轮增压器技术的成熟，使得涡轮增压器的制造成本愈来愈成为其市场占有率的关键，而国产化是降低制造成本的有效途径。^[2]我国的增压技术已随着工艺水平、匹配技术的提高已进入了一个新的阶段。

径流式涡轮由于其简单、价廉以及在较宽的工况范围内所具有的良好性能，适用于小功率要求的场合，如小功率燃气轮机、涡轮增压器、辅助动力装置和航天装置的辅助系统。虽然并不是所有的应用都需要有进气蜗壳.但对涡轮增压器而言，通常总是用一个有叶或无叶蜗壳引导气流进入涡轮叶轮。^[3]

1.3国内外研究现状

涡轮增压器主要由涡轮和压气机组成。它利用排气能量使排气在涡轮中膨胀做功，用于驱动压气机，涡轮是驱动压气机叶轮转动的原动机。涡轮主要由进气壳、排气壳和叶轮组成。进气壳(也称蜗壳)的作用是，把发动机排出的废气，以尽可能小的流动损失和尽量均匀的分布引导到涡轮喷嘴环的入口处。按燃气流过涡轮叶轮时的流动方向，涡轮可以分为轴流式涡轮、径流式涡轮和混流式涡轮三种。喷嘴环(导向器)流通截面呈渐缩形，其作用是使具有一定温度和压力的燃气速度上升并按照规定的方向进入叶轮。与轴流式涡轮增压器相比，径流式涡轮增压器具有结构简单、体积紧凑、轴向尺寸小的优点，在中、小型涡轮增压器上应用很广泛。^[4]车用发动机增压技术的发展是和小型径 流式涡轮增压器的发展紧密相关的，从小型 涡轮增压器的发展及水平就可以看到车用发 动机增压技术的发展和水平。 自小型涡轮增压器出现以来，不但生产 规模达到了可观的程度，而且由于大量的研 究工作和使用实践以及工艺水平的迅速提 高，在性能上也达到了较高的水平。 目前普遍使用的涡轮增压器转速范围均 为60000~120000r/min左右，高已经达到 260000r/min。增压器的高压比一般可达 3~3.5，有的已经接近于5，主要用于低压缩 比的超高增压发动机。在成批生产的涡轮 增压器中，已公开发表的小叶轮直径仅 为34mm，小重量仅为2kg,可用于排量为 150mL的7.4kw小型发动机的增压。使用期 限一般可达10~15万km，现在有的可达60万 km。^[5]

自从1928年瑞士工程师Buchi提出柴油机脉冲增压系统后，在活塞式航空发动机上获得实际应用。第二次世界大战中，机械传动的离心式压气机和轴流式废气涡轮增压器在航空动力方面显露身手。后来由于喷气发动机的兴起，活塞式航空发动机逐渐衰落，但是增压技术却给人们留下深刻的印象。这时期的增压器的涡轮多为密叶栅轴流式，压比较低。因此，在较长时间内只在中、低速的大功率柴油机上采用增压。当时小流量离心式压气机效率较低，轴承寿命短，所以也不能在中、小功率的高速柴油机上应用。直到1955年前后，由于高温合金精密铸造工艺获得成功，因此可以用精密铸造的方法制造径流式涡轮，小流量离心式压气机也能利用精铸制造，因此在压气机的导风轮部分的造型上更能满足气动性能的要求。这个时期在国外相继出现了专门生产径流式增压器的工厂，如美国Garrett公司的AiResearch分部、Sch witzer公司、英国的C, A, V公司、Holset公司都造出了小型径流式增压器。在苏联的一些研究所如玖H hI几H也研制出了多种径流式增压器。^[6] 瑞士巴登BBC公司用现有的RR涡轮增压器系列完成了VTR系列范围以下的产品系列，这种径流式涡轮增压器是为较大型的高速柴油机设计的，它们可用作发电机组、船用辅机、推进动力机械和牵引动力装置。这些机型的进一步发展要求有重量更轻、尺寸更小和效率更高的增压器。^[7]

由MAN B amp; W AG柴油机公司制造的大-约2500。台NR系列径流式涡轮增压器在世界范围内广为应用。NR系列增压器采用与柴油机润滑油路相连的内置式滑动轴承，效率高，转子部分转动惯量小，动力性能好，维修方便，结构可靠，使用寿命长。[8]20年代末期，荷兰Werkspoor(韦克斯浦尔)公司成功地制造了一台四冲程、十字头式、用活塞下部作增压泵的机械增压柴油机，并将其安装在安格洛·萨克桑石油公司的“梅加拉号”油轮上，取得预期效果。与此同时，人们曾用外部传动的罗茨鼓风机或离心式压气机等来提高进入气缸的空气压力。1926年，在智利海拔1200m的一个电站，有七台MAN公司的B6V90型柴油机采用了电力传动罗茨鼓风机增压，每台柴油机功率为1100kW。^[8]