第二章 涡轮增压器

1、第二章 涡轮增压器与中冷器2.1 离心式压气机o 压气机分轴流式与离心式o 离心式亚及其结构紧凑、质量轻，在较宽的流量范围内能保持较好的效率，且对于小尺寸压气机，效率优于轴流式。o 涡轮增压器一般都采用离心式压气机。2.1.1 离心式压气机的结构o 进气道 1o 叶轮 2o 压气机蜗壳 3o 扩压器 42.1.1.1 进气道o 将外界空气导向压气机叶轮。o 渐缩形o 分轴向进气道和径向进气道两种为什么要做成渐缩形？提示：流速增加，压力减小！2.1.1.2 压气机叶轮o 将涡轮提供的机械能转变为空气的压力能和动能。o 分为导风轮和工作叶轮两部分导风轮o 叶轮入口的轴向部分，叶片入口向旋转方向前倾

2、，直径越大处前倾越多。o 作用：使气流以尽量小的撞击进入叶轮。压气机叶轮的分类（根据轮盘的结构形式）开式压气机叶轮o 没有轮盘，流动损失大，叶轮效率低；o 叶片刚性差，易振动。涡轮增压器上较少采用闭式压气机叶轮o 既有轮盘又有轮盖，流道封闭，流动损失小，叶轮效率高；o 结构复杂，制造困难；o 在叶轮高速旋转时离心力大，强度差。涡轮增压器上较少采用半开式压气机叶轮o 只有轮盖，性能介于开式与闭式之间。o 结构相对简单，制造方便，且强度和刚度都较高。涡轮增压器中应用广泛星形压气机叶轮o 在半开式叶轮的轮盘边缘叶片之间挖去一块，减轻了叶轮质量，减小了叶轮应力，并保证了一定的刚度，能承受很高的转速。多

3、在小型涡轮增压器中应用压气机叶轮的分类（按叶片的长短）o 全长叶片叶轮n 叶轮进口流动损失小，效率高n 对于小直径叶轮，进口处气流阻塞较为严重o 长短叶片叶轮n 小型涡轮增压器多采用压气机叶轮的分类（按叶片沿径向的弯曲形式）前弯叶片o 叶片沿径向向旋转方向弯曲。o 对空气的做功能力最强。o 主要增加空气动能，对压力能增加较少，要求空气的动能更多的在扩压器和蜗壳中转化为压力能。o 但是扩压器和蜗壳效率低，因此压气机效率低。涡轮增压器不采用径向叶片叶轮o 叶片径向分布，不弯曲。o 压气机效率比前弯叶片高，比后弯叶片低。o 刚度和强度最好，能承受较高的圆周速度。在增压比较低的涡轮增压器中得到较多应用

4、后弯叶片叶轮o 叶片逆旋转方向弯曲。o 做功能力最小。o 空气压力的提高大部分都在叶轮中完成，因此效率高，应用较多。前弯后曲式叶轮（后掠式叶轮）o 叶片沿径向后弯的同时向旋转方向钱倾。o 压气机效率高，高效范围广。2.1.1.3 扩压器o 作用：将压气机叶轮出口的高速空气的动能转变为压力能。o 效率：o 分类：n 无叶扩压器n 叶片扩压器扩压器效率=叶轮出口空气动能转换为压力能的转化量定熵过程动能转化为压力能的转化量无叶扩压器o 无叶扩压器是一环形通道。o 气流在该通道中近似沿对数螺旋线的轨迹运动，气流流动轨迹在任意直径处与切向的夹角基本不变。o 缺点：气流流动路线长，损失大，效率低，出口流通

5、面积小，扩压能力低。o 优点：流量范围宽，结构简单，制造方便。o 应用：经常处于变工况运行的小型涡轮增压器。叶片扩压器o 在环形通道中加上若干导向叶片，使气流沿叶片通道流动。o 气流流动路线短，流动损失小，效率高。o 叶片形成的通道使气流的流通面积迅速增大，扩压能力强，尺寸小。o 缺点：当流量偏离设计工况，叶片入口气流将撞击叶片，使效率急剧下降。叶片扩压器2.1.1.4 压气机蜗壳o 作用：收集从扩压器出来的空气，将其引导到发动机的进气管；同时进一步将扩压器出来的空气的动能转化为压力能，有一定的扩压作用。o 分类：变截面蜗壳、等截面蜗壳。变截面蜗壳o 截面面积沿周向越接近出口越大，流动损失小，

6、效率较高。o 外形尺寸小，应用广泛等截面蜗壳o 流通截面沿周向不变，截面面积按压气机最大流量确定。o 流动损失大，效率低。蜗壳截面形状与出口形式2.1.2 压气机工作原理2.1.2.1 压气机中空气状态的变化o 进气道渐缩少部分的压力能转化为动能Pa略有下降，速度Ca略有上升，温度Ta随之降低。2.1.2.1 压气机中空气状态的变化o 压气机叶轮叶轮对空气做功空气的压力、温度、速度都上升。2.1.2.1 压气机中空气状态的变化o 扩压器流通截面渐扩气体部分动能转化为压力能空气速度下降，压力升高，温度随压力升高。2.1.2.1 压气机中空气状态的变化o 压气机蜗壳动能进一步转化为压力能空气速度下

7、降，压力、温度上升。压气机空气状态分析的要点o 压气机中只有叶轮对空气做功，其他部件不做功，仅存在工质能量的转化。o 若不计传热损失，进气道出口空气总能量与进气道进口空气总能量相同，即进气道出口空气滞止温度等于环境空气滞止温度。o 扩压器和蜗壳中空气总能量等于叶轮出口处空气总能量，即叶轮出口处、扩压器出口处和蜗壳出口处的滞止温度相同。2.1.2.2 压气机中的焓熵图环境状态：进气道入口处的滞止状态a进气道出口状态1a1有流动损失，因此熵增；出口滞止压力p1低于进口滞止压力p1*1*为进气道出口处的滞止状态，因绝热，所以焓与a点相同压气机出口空气的动能压气机实际出口状态2的滞止状态叶轮对空气做功

8、，空气压力升高压气机定熵做功叶轮出口滞止状态压气机定熵做功叶轮出口状态2.1.2.2 压气机中的焓熵图4s*与1*两点间的焓差即为定熵过程压气机的压缩功实际的定熵压缩功结论：WbWabd，定熵过程耗功最少！2.1.2.2 压气机中的焓熵图扩压器出口状态蜗壳出口状态由于扩压器与蜗壳不做功，因此其出口状态的滞止焓相等压气机实际耗功计算公式：)(*1*2*1*2TTcHHWpb工质的定压比热容压气机定熵过程耗功计算公式：)(*1*2*1*2TTcHHWspsabd2.1.2.3 压气机的主要性能参数o 增压比o 空气流量o 定熵效率o 转速增压比o 压气机进口和出口的气体压力之比1ppbb空气流量o

9、 单位时间内流经压气机的空气质量，kg/so 当压气机工作的环境状态不同于标准大气状态时，其空气流量也不同。因此常用相似流量或者折合流量代替。o 相似流量：以马赫数作为相似准则推导出的无量纲流量。o 折合流量：将非标准大气状态下的流量折合成标准大气状态下的流量。压气机的定熵效率o 将气体压缩到一定增压比时，压气机的定熵耗功和实际耗功之比压气机转速o 由于压气机与涡轮同轴，所以压气机转速即涡轮转速，统称为增压器转速。o 在相同做功能力下，转速越高，叶轮的尺寸就可以越小。o 为了不同环境状态下的通用性，也用相似转速和折合转速来代替。2.1.3 离心式压气机的特性o 离心式压气机的主要性能参数随压气

10、机运行工况的变化而变化；o 压气机的主要性能参数在各种工况下的相互关系曲线称作压气机的特性曲线。2.1.3.1 压气机的特性曲线o 压气机的特性曲线：不同转速下，增压比和定熵效率随流量的变化关系流量特性。绘制方法o 在k-Gk曲线上，作许多k=常数的水平线，每条水平线与不同转速时的各效率曲线相交（这些交点效率相等），再把这些交点对应地移到增压特性线，并分别把它们连结起来。 o 流量一定时，增压比和效率有一最大值，流量增大或者减小，增压比和效率都降低。喘振o 当流量减小到某一数值时，压气机出现不稳定流动状态。气流发生强烈的低频振动，引起叶片振动，产生很大的噪声。压气机的喘振。阻塞o 当流量增大到

11、某一数值时，增压比和效率均急速下降。压气机的阻塞。o 叶轮入口或者扩压器入口这些局部喉口处，气流速度达到当地声速。2.1.3.2 压气机产生喘振的原因o 当流量减少到一定程度时，压气机工作开始变得不稳定，流过压气机的气流开始强烈的脉动，使压气机叶片产生强烈振动，出口压力显著下降，而且有可能造成压气机的破坏。我们把这种现象称为压气机喘振。 导风轮入口气流绝对速度导风轮圆周速度气流流入导风轮的相对速度压力降低，气流倒灌转速一定、流量变化时，叶片扩压器内气体的流动情况 （a）设计流量时；（b）大于设计流量时；（c）小于设计流量时 流量一定时，转速的变化是否也能引起喘振？2.1.3.3 压气机性能曲线

12、形状的成因o 定熵过程增压比特性和效率特性呈水平线a-ao 非定熵过程，其流动损失包括摩擦损失和撞击损失o 流量越大，流速越大摩擦损失越大，b-bo 流量偏离设计流量余越大，撞击损失越大,A-c2.2 涡轮o 把发动机的废气能量转化为机械功来驱动压气机叶轮的一种原动机。轴流式废气涡轮示意图1-工作叶轮；2-喷嘴环；3-废气入口；4-轮盘；5-轴2.2.1 分类o 按照气体在涡轮中的流动方向分类n 轴流式涡轮n 径流式涡轮：废气由蜗壳引入喷嘴环中，再从工作叶轮外缘流向中心（径向）， n 混流式涡轮轴流式涡轮o 涡轮体积大o 流量范围宽o 大型涡轮增压器上普遍采用径流式涡轮o 具有较大的单级膨胀比

13、o 结构紧凑、质量轻、体积小o 在小流量范围内涡轮效率高o 叶轮强度好，能承受很高转速o 在中、小型涡轮增压器上应用广泛混流式涡轮o 燃气沿与涡轮轴倾斜的锥形面流过叶轮。o 性能介于轴流式和径流式之间2.2.1.2 按燃气在涡轮中焓降的分配分类o 冲击式涡轮：燃气的能量（压力、温度）在喷嘴中全部转化为动能，完全依靠燃气动能在工作叶片通道中转弯产生的离心力对叶轮的冲击力矩推动涡轮叶片做功。在叶轮中，燃气不再膨胀，气体压力不变，因此在叶轮中焓降为零。o 反力式涡轮：燃气的能量一部分在喷嘴中膨胀转化为动能，利用冲击力矩做功；另一部分在工作叶轮通道中继续膨胀，转化为动能的同时一空气流与叶片相对速度增加

14、所产生的反作用力推动涡轮做功。这种涡轮气流速度低，叶片弯曲程度小，流动损失小，效率高。高增压比的涡轮增压器都采用。2.2.2 蜗轮的结构o 进气壳o 喷嘴环o 工作叶轮o 排气壳2.2.2.1 轴流式涡轮的结构o 进气道渐缩o 对于径向进气或者切向进气，多采用变截面通道，沿周向渐缩，以使进气均匀。o 根据不同需要，进气壳有单进气口和多进气口之分。多进气口进气壳各个通道之间有隔墙，按均分的弧段各自进气。有的还设轴承支承和润滑油腔，有的还带冷却水夹层。o 涡轮进气包括前部进气和后部进气，大多采用前部进气，防止压气机端过热。喷嘴环o 喷嘴环由一排固定的叶片形成的一组渐缩形通道。o 喷嘴环叶片截面形状

15、：机翼形、平板形 轴流式废气涡轮示意图1-工作叶轮；2-喷嘴环；3-废气入口；4-轮盘；5-轴叶轮o 由装在轴上的轮盘和装在轮盘周缘的一排叶片组成。o 叶片一般焊接在轮盘上o 少数大型涡轮增压器采用可拆卸的枞树形榫头镶嵌在轮缘槽内。排气壳o 通常排气壳内有一段扩压环o 作用是导流和回收从动叶出口的部分余速2.2.2.2 径流式涡轮的结构o 多采用切向进气（流动损失小）o 进气通道数量：单通道、双通道和三通道o 常压增压采用单通道o 脉冲增压采用双通道或者三通道o 双通道有分360全周进气和180分隔进气喷嘴环o 无叶喷嘴环：与涡轮壳做成一体，构成无叶蜗壳。n 特点：尺寸小、质量轻，结构简单，成

16、本低n 适用于经常处于变工况条件下工作的增压器o 有叶喷嘴环：由喷嘴叶片和环形底板形成径向收敛的通道。n 整体铸造式n 装配式2.2.3 涡轮的工作原理o 进气壳膨胀、加速o 喷嘴环压力、温度降低，速度达到最大o 叶轮气体动能转化为机械能原理o 当废气通过工作叶轮叶片时，由于气流转弯的离心作用和气流对叶片的反作用力，叶片凹面压力提高，凸面压力减小；o 其压力差推动工作叶轮旋转 沿涡轮工作叶片表面的压力分布轴流式涡轮级中气体参数变化和速度三角形 o 1-工作叶片；o 2-喷嘴叶片C1气体由喷嘴流出的绝对速度；W1气流流入叶轮的相对速度；U叶轮的旋转线速度；C2气体在叶轮出口处的绝对速度；径流式涡

17、轮及其速度三角形 o 1-喷嘴环；o 2-工作叶轮2.2.3.2 涡轮工作过程的焓熵图o H可用焓降o h实际焓降o 绝热效率：h/Ho 有效效率喷嘴叶轮余速损失涡轮效率o 实际有效效率（考虑机械损失）反动度（反力式涡轮）o 废气可用焓降H在喷嘴环和工作轮之间的分配比例o 冲击式涡轮反动度为零o 反力式涡轮：轴流式0.30.5 径流式0.450.522.2.3.3 涡轮的主要工作参数o 定熵效率o 膨胀比：代表涡轮的做功能力o 流量o 涡轮转速o 速比：轴流式u/c0 径流式u1/c0c0为假想速度，指燃气从进口状态不对外做功而定熵膨胀到涡轮出口压力所能达到的速度。2.2.4 涡轮的特性曲线o

18、 表征涡轮流通能力的流量特性曲线o 表征涡轮效率变化的效率特性曲线2.2.4.1 流量特性曲线o 以相似流量为横坐标，膨胀比为枞坐标，相似转速为参变量的一组曲线。轴流式涡轮的流量特性o 相似流量随膨胀比的增大而增加，直至达到最大值o 流量有一限值，称阻塞流量具有等效率线的径流式涡轮的流量特性o 转速对膨胀比与流量的影响比轴流式大；o 流量一定时，转速增加膨胀比增大；而轴流式涡轮转速对膨胀比与流量的影响小。2.2.4.2 效率特性曲线o 表示在不同的相似转速下，涡轮定熵效率与速比之间的相互关系。径流式涡轮的效率特性轴流式涡轮的效率特性2.3 涡轮增压器2.3.1 轴承布置o 外支承o 内支承o

19、内外支承o 悬臂支承2.3.1.1 外支承o 轴承位于转轴的两端o 转子稳定性好；o 两个工作轮之间空间位置较多，便于气体密封o 两端轴承可采用单独润滑系统，使轴承受高温气体的影响较小；o 转子轴颈直径较小，降低了轴颈表面的切线速度o 结构复杂，质量尺寸大o 压气机不能轴向进气o 工作轮清洗较难2.3.1.2 内支承o 轴承位于两个工作轮之间o 结构简单，质量尺寸小o 压气机可轴向进气，流阻损失减少；o 清洗容易，且不会破坏转子的平衡；o 两个工作轮之间空间较小，难以安排油、气密封装置o 支承轴颈粗，其表面切线速度增加；o 两轴承采用同一润滑系统，靠近涡轮的轴承热负荷大2.3.1.3 内外支承

20、o 两个轴承分别布置在转轴的一端和两工作轮之间o 压气机能轴向进气，涡轮端密封容易安排，局部拆卸零件即可清洗压气机工作轮o 压气机端轴颈切线速度较高，转子的稳定性较外支承的差，润滑不及外支承好。2.3.1.4 悬臂支承o 压气机叶轮和涡轮叶轮背对背，轴承都在压气机一侧；o 轴承均在低温处o 两个叶轮可做成一体，结构紧凑，质量尺寸小o 涡轮盘能得到较好的冷却；o 漏气损失较小o 涡轮的热量容易传到压气机o 转子悬臂力矩大，稳定性不好；o 压气机进口空气流场受到不利影响；o 清洗困难2.3.2 涡轮增压器的轴承o 径向轴承n 滚动轴承n 滑动轴承油膜振动o 推力轴承2.3.2.1 滚动轴承o 机械摩擦损失小o 起动和加速性能良好o 润滑油消耗较少o 一般采用独立的自行循环润滑系统，可保持涡轮增压器的清洁o 不需要单独设置推力轴承；o 轴承材料和加工精度要求很高；o 轴承支座必须安装减振装置；o 结构较复杂，价格较高，工作寿命较短2.3.2.2 向心滑动轴承o 多油楔轴承o 浮动轴承滑动轴承原理与结构多油楔