高性能船用涡轮增压器设计技术

技术简介

       涡轮增压技术可提高发动机功率、缩小体积、减少排量、降低油耗，已成为世界各大船用柴油机公司节能和减排的重要战略措施和核心关键技术。

       我国船用增压技术长期以来主要靠技术引进、仿制制造为主，国内产品市场份额占有量不大，国内的船机增压器市场基本上被ABB等国外增压器公司所垄断。随着排放法规的进一步实施，迫切要求国内有相应的增压器产品，满足柴油机主机厂在研发出新产品后的增压匹配需求，打破船用柴油机增压器市场由外资品牌垄断的不利局面。

       技术开发单位根据中低速船用柴油机的增压匹配需求和使用环境、工艺制造问题，将重型车用涡轮增压技术推广至船用领域，能够研制出与目前国际先进产品相当的、满足IMO第三阶段排放要求的新一代涡轮增压器。

       关键技术突破途径：

（1)船用柴油机增压匹配特性分析

建立船用环境柴油机工作过程模型，进行船用发动机性能以及增压系统性能变化影响分析；建立增压进排气系统三维模型，并利用一/三维耦合仿真，研究三维流动耦合效应对各部件匹配的影响机理，为船用高性能增压器的设计奠定基础。
（2)压气机性能优化分析
利用ConceptsNREC软件进行压气机叶轮、扩压器和蜗壳的初步设计，采用一维和准三维流动分析技术，初步分析压气机的速度、压力分布，调整造型规律，满足合理气体流动参数分布。采用压气机三维跨声速流动分析方法，进行叶轮、扩压器和蜗壳全工况全三维CFD计算，优化几何结构，减少流动损失，提高压气机的气动性能和全工况范围的优化匹配。
通过流动控制解决高压比工作区域流量范围过窄问题，利用有叶扩压器的匹配与性能优化，提高压气机的性能。通过压气机叶轮强度计算和可靠性分析，进行结构优化设计，在满足可靠性要求的前提下减轻重量。
（3）关键件制造工艺分析
压气机叶轮铣削主要在原有工艺方案的基础上，利用CAD/CAM技术进行计算机三维建模、整体铣削工艺分析研究，进行五轴数控编程、三座标测量验证；进一步优化加工工艺，解决加工过程中刀具和工件振动，复杂曲面加工误差等问题，提高加工精度、缩短加工时间。
针对涡轮用高温合金材料（K418）铸造工艺，结合现有高温合金材料的研究成果，分析研究凝固过程及结晶组织的检测，找出零件结构、化学成分、冷却速度、液相温度等对凝固过程及结晶组织的影响，从而更准确把握凝固前沿状态及结晶组织状态。确定涡轮铸造工装系统、工艺参数，通过控制铸件凝固方式，使铸件获得工艺所需要的晶粒生长取向及分布状态。

技术指标

压比 4.5
流量 1.9kg/s
压气机效率 80%
增压器总效率 58%
可靠性指标： 增压器装船可靠运行≥500小时

技术特点

       本项技术来源于第三代主战坦克改进型柴油机和两栖装甲突击车柴油机重点装备研制过程中形成的高压比涡轮增压器关键技术。本项技术具有高压比、大流量、高效率的特点，处于国内领先水平。

目前我国船用柴油机增压技术水平同发达国家相比差距较大，主要体现在以下几方面：
（1）不具备船用高效增压器的自主研发能力
我国船用的主要增压器产品仍以引进后国产化仿制为主或完全采用国外产品，尚没有完全自主研发的产品。
（2）船用增压器的性能与国际先进水平相比具有较大差距
目前我国船用最先进的增压器其压比仅为3.5，与国际上ABB最新产品压比4.7甚至更高的先进水平差距很大；在效率方面，我国船用增压器与国外产品也具有很大的差距，无法满足高性能船用发动机的使用要求。
本项技术正可以弥补此项空白。

应用领域和范围

       中低速船用涡轮增压器、发电机组用涡轮增压器

专利状态

       已申请专利8项

技术状态

       小批量生产、工程应用阶段

合作方式

       合作开发

投入需求

       300万元

转化周期

       1.5年

预期效益

       充分利用高压比涡轮增压器关键技术储备，根据中低速船用混流增压器产品需求，将重型车用涡轮增压器技术推广至船用领域，研制出与国际先进产品水平相当的，且满足IMO第三阶段排放要求的新一代涡轮增压器，占领国内船用增压行业的制高点，从而促进并保障发动机行业持续有效的发展，打造具有民族品牌、可与国外同行相抗衡的增压器产业，为中低速300-1000kW民用船机进行增压器配套，能够带来巨大的社会效益。