摘 要：叶轮机械作为一种重要的机械广泛应用于各行各业，包括汽车业。由于其重要性，本文主要讨论叶轮机械在车用动力中的应用与前沿技术，分为竞赛类与非竞赛类两大部分，对其进行归纳与总结，并对叶轮机械在车用动力中应用的未来进行展望。

关键词：叶轮机械 增压 涡轮 应用 发展趋势

中图分类号：U46 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（b）-0097-02

1 叶轮机械在车用动力的应用

叶轮机械是一种以连续旋转叶片为本体，实现流体工质与轴动力之间的能量转换的动力机械，比如喷气式发动机就是叶轮机械的一种。其使用非常广泛，在电力、航空、轮船等方面，叶轮机械都做出了很大的贡献。而在车用动力上，叶轮机械也有其一席之地，而且可以说在汽车完全步入电动汽车时代之前，都将有其相当大的用武之地。这一章节，主要谈叶轮机械在车用动力中的应用。

1.1 作为车用动力单元辅助的叶轮机械

车用动力单元的核心部件是发动机，而当今汽车发动机的主流是往复式活塞发动机，叶轮式引擎因为其技术含量较高，工作效率较低，且汽车并不需要叶轮式引擎如此强大的动力性，以至其在车用动力单元中似乎并无可建树之处。

然而，事实并非如此，作为叶轮机械的增压器就是车用动力单元的强大辅助。

瑞士的Alfred J.Buchi博士在1905年发明了涡轮机驱动压缩机，并申请了专利，世界上第一台废气驱动的轴流式涡轮增压器也由他在1909年至1912年间开发，又在1915年第一次将涡轮增压器与柴油动力机共同使用。1954年，增压技术开始在民用车辆上使用，1970年时已成大规模应用趋势。1975年，相当经典的保时捷911轿车面世，搭载了带盖瑞特废气门的KKK涡轮增压器。1977年萨博-99的动力性可以与搭载无涡轮增压的3.0 L发动机的同类车相媲美，但实际上使用的是一个带涡轮增压器的2.1 L汽油发动机。于是，涡轮增压技术被大众认识，并得到了大部分人的接受。

现在，增压技术可谓是引擎的好助手，不仅仅增加了引擎的动力性，还能节能减排，符合当下流行的趋势。由于增压技术压缩了进入引擎的空气，使得喷油量可以相应增多的同时，燃料燃烧也更完全，排放特性得以优化。这两个特性决定了增压技术在车用动力中的地位，因此，接下来的文字将以介绍车用动力增压技术为主。

1.1.1 非竞赛类汽车增压技术使用情况

增压技术，由于柴油机的工作特性，首先在这一领域得到发展，目前，在工业发达国家，大中功率柴油机已全部采用增压技术，80%的中小型车用柴油机也采用了增压技术。而汽油机增压技术的起步不如柴油机增压技术早，因此技术水平也落后于柴油机。20世纪70年代末国外汽油机开始逐渐采用增压技术，在有柴油机增压技术的基础上，发展相当迅速。1990年美国生产的汽油机已有大约25%为增压汽油机，目前国外汽油机的增压技术正处于完善和推广应用阶段。

现今，增压技术已经不仅仅局限于最普通的废气涡轮增压。由于由一个压气机和一个废气涡轮组成的涡轮增压器存在不少问题，比如迟滞现象、起步动力性差等，但又由于废气涡轮增压能利用废气中的能量，是相当经济的一种措施，因此工程师们做出了相当多的努力，来改善这些存在的问题。

1.1.2 非竞赛类车用叶轮机械动力单元使用情况

非竞赛类车用叶轮机械动力单元可谓少之又少，但并非不存在。在某些特定的场合，就需要使用叶轮机械作为动力单元，轮式装甲车辆上就有作为动力单元的叶轮机械。

轮式装甲车辆作为军车，要在战场上有强大的机动性，被要求能通过各式各样的地形，包括被炸毁的公路、沟渠、树林等，并且有时还有必要通过河流。因此，不少轮式装甲车辆实际上是水陆两栖车。

轮式装甲车辆在水中的动力来源按作用原理可以分为三种：划水式、螺旋桨式和喷水式。

划水式是通过轮胎的转动进行划水，从而达到前进的效果。这种在水中的前进方式要求轮胎不被水面完全淹没，前进速度为3～5 km/h，实在太慢，且要求很高，只能作为一种临时水中动力来源。

螺旋桨式和喷水式都要求轮式装甲车辆上装有叶轮机械作为水中动力单元。螺旋桨式轮式装甲车辆在车上装载了螺旋桨，在车辆涉水时，驾驶员切换离合器，将动力导入螺旋桨使其转动，车辆便有了在水中行驶的能力。要转弯时，可以转动螺旋桨的朝向来改变行驶方向；若车上有多个螺旋桨，也可改变不同螺旋桨的转速来改变行驶方向，改变螺旋桨旋转方向甚至还可以使车辆倒行。使用螺旋桨在水中行驶的速度可达7～12 km/h，明显快于划水式，现役的大部分有水陆两栖功能的轮式装甲车辆使用的就是这种方法。（如图1、图2）

喷水式轮式装甲车辆则在车上装载了水泵，在车辆涉水时吸入河流中的水，之后喷出，利用反作用力作为行驶动力。转向的方式为改变喷水方向，也可以进行倒车。喷水式轮式装甲车辆的优点在于速度快，可达8～14 km/h，浅水机动性好，水上操纵性能好，行驶效率高，但缺点在于占用空间较大。

2 叶轮机械在车用动力的发展趋势

之前已经提到，叶轮机械由于种种原因，不太可能成为一种流行的车用发动机，因此其依旧是以车用动力单元辅助的形式在汽车上发展，也即增压技术在将来随着叶轮机械的进化，而变得更加精密而有效。而叶轮机械的进化，离不开新材料和新工艺的应用。

2.1 新材料

由于现今涡轮转速可达100000 rpm，高转速必然带来高热量，这对材料的考验是极大的，我国航空发动机的发展有困难也有材料不如人的因素。对于新材料的要求，首当其冲的便是耐热，原因不必赘述。其次是轻便，因为上文已提到，涡轮增压系统相当明显的问题是迟滞问题，若制造涡轮的材料轻便，那么其转动惯量就小，迟滞问题就不明显。再次是强度高，也是由于涡轮高转速带来的问题。

符合这三个条件的材料，比较普遍的有两个：陶瓷材料和钛合金。

陶瓷材料耐热、轻便、强度高，易于加速，可以提高涡轮的动力性。早在20世纪80年代，日本IHI即在其RHB5增压器上使用了陶瓷涡轮，三菱重工也将陶瓷涡轮装载到了TD02—TD06系列增压器上，其技术难点在于陶瓷涡轮和转轴的连接。

钛铝合金作为一种新型的高温材料，密度小（约3.7～3.9 g/cm3，大约只有镍基高温合金密度的一半）、拥有极强的高温强度及抗氧化性，用于涡轮增压器可以大幅度降低其转动惯量，瞬态响应性得以提高，缓解涡轮迟滞问题。采用高频感应快速熔化浇铸工艺铸造涡轮叶轮已经成功，涡轮毛胚是利用粉末冶金成型方法制成的。

2.2 新工艺

2.2.1 半固体浇筑

一般来说，制造涡轮有两种方式：一种是石膏铸模；另一种是铸造加机加工。然而，这两种方式都有严重的缺陷，石膏铸模很可能存在表面与内部缺陷，使得性能差、寿命短，而铸造加机加工法则造价太高。

半固体浇筑法解决了这个问题，在国外从四年前就已开始投入商业使用。大部分铸模工艺都是以全液体金属作为填料，而半固体浇筑则不同，填料的25%～50%为固体，50%～75%为液体。这种工艺在保全了模具浇筑的许多优点的同时，拥有显著的结构与机械性能优势，去除了模具浇筑中所存在的残留气孔，并施以高压来去除固体化时产生的褶皱。

2.2.2 电脑辅助研制

由于电子计算机强大的计算能力，工程师借助计算机进行数值求解、计算大计算量流体力学问题成为可能，也催生了计算流体力学这门学科的诞生。

现在电脑辅助研制已经可以达到全三维定常数值模拟技术，以及全三维非定常数值模拟技术等，经适当运用，不但掺混面方法定常计算带来的一些固有偏差可以得到改善，计算精度和可靠性得以提高，而且原来一些本无法解决的问题，如叶轮机械内部一些固有的非定常流动现象的研究，可以得到解决，从而为解决传统难题，如流场畸变、失速、喘振、叶片高周疲劳和颤振等，提供先进手段。

3 结语

叶轮机械在车用动力上的应用已有很长的历史，其生命力依旧旺盛，在增强动力性以及节能减排方面可谓是功不可没。叶轮机械直接作为车用动力单元虽然不如作为动力单元辅助用途来的广泛，但也有其独特的魅力。可以相信，在可见的未来中，叶轮机械依然会在车用动力中生生不息，其技术应用也将向着更加精密、更有技术含量的方向继续发展。

参考文献

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[3]张众杰，何西常，王威，等.车用涡轮增压技术现状及发展趋势[J].内燃机与配件，2012（6）：37-40.