第四章增压原理与喘振

二、废气涡轮增压器的工作原理

1．离心式压气机的基本工作原理废气涡轮增压器的压气机一般都采用单级离心式压气机。它由进气道、工作轮(也称压气机叶轮)、扩压器和排气蜗壳组成。进气道是渐缩流道，在进气道中，压力、温度赂有降低。流速提高。正是因为压力降低，空气才被吸人工作轮。空气进入压气机叶轮后，随叶轮高速回转，因而产生离心力。这样，空气在叶轮叶片间随叶轮作圆周运动的同时，在离心力的作用下向叶轮外缘流动并被压缩。在叶轮中气体的流速、压力、温度都升高了，其中流速提高了很多。这是由于叶轮对气体作功，把叶轮的机械能变成了气体的动能和压力能。气体被压缩时也提高了温度。在扩压器中，由于流道逐渐扩大，使空气的动能转换为压力能，流速降低，压力升高。排气蜗壳中的通道也是渐扩的，因而空气流过时继续将动能转换为压力能。空气在叶轮中的流动速度。空气在压气机叶轮叶片间流道中的流动情况也可以用叶轮的进口和出口速度三角形来说明。先看b)图，空气沿轴向进入叶轮的进口，其速度为C1，叶轮进口平均半径r1处的圆周速度为u1，因此空气进入叶轮时的相对速度为W1再看c）图，在叶轮的出口处，空气流出叶轮的相对速度为W2，该处的圆周速度为u2，因此空气流出叶轮时的实际速度为C2。叶轮流道中流速分布很不均匀。速度大的地方压力小，速度小的地方压力大。叶轮叶片两面因此存在压差，形成了叶轮旋转工作时必须克服的力矩。空气在扩压器中的流动。气流流过时速度下降、压力、温度升高。气流质点通过扩压器时的轨迹是一条对数螺旋线。

其运动方程

r=ekθ

压气机中的流动损失。当压气机转速一定时，如不计流动损失，则其压比如最上条横线，不随流量Q而变。但压气机中有流动损失，它可分为摩檫损失和撞击损失两类。摩擦损失随气流流速变化，也就是随流量的增加而增大。压气机的撞击损失包括空气进入叶轮及进入叶片扩压器的撞击损失。压气机的绝热效率物理意义是：消耗在驱动压气机的功有多少转变为有用的压缩功，以此来表明压气机通流部分设计的完善程度。2、单级轴流式涡轮机的基本工作原理它的主要元件是固定的喷嘴环和旋转的工作叶轮。一列喷嘴叫片和其后的—列工作叶片组成了涡轮机的一个级。具有—定压力P.和温度T.的废气以速度C.流入喷嘴环。在喷嘴环收缩形的流道中膨胀加速，其压力和温度降低到Pl和T1，而流速升高到C1，部分压力能转变为速度能。从喷嘴出来的高速气流进入叶轮叶片间的流道时，气流被迫转弯。由于离心力的作用，迫使气流压向叶片凹面而企图离开叶片凸面。使叶片凹面上压力提高，凸面上压力降低。叶片的凹凸两面间产生压力差。此压力差的合力即为作用在叶片上的冲动力。作用在所有叶片上的冲动力对转轴产生一个冲动力矩。叶轮叶片的通道也是收缩的，废气在其中继续膨胀加速，其流出叶轮的相对速度大于流入叶轮的相对速度。当气流在旋转的叶轮中流动时、因膨胀加速而给涡轮以反作用力，使得涡轮又得到一个反作用力矩(或称反动力矩)。冲动力矩和反动力矩的方向是相同的，叶轮就在这两个力矩的共同作用下回转。

废气涡轮所作的轮周功的大小主要取决于燃气的流量和热状态。燃气在涡轮中的流动损失主要有流动摩擦损失、叶轮摩擦鼓风损失、漏气损失和叶片进口撞击损失等。在涡轮不全进气的情况下，摩擦鼓风损失很大，涡轮机在偏离设计工况下工作，气流进入叶片时就会产生撞击，偏离越大，撞击损失越大。气流在叶片流道中流动时除了产生旋转力外，还产生轴向推力，使轴朝压气机方向窜动，因此必须在压气机端装设止推轴承。三、离心式压气机的工作特性及喘振机理离心式压气机在各种不同工况工作时，它的各主要参数会随之变化。在不同转速下压气机的排出压力和效率随空气流量的变化规律，称为离心式压气机的特性。表示这种特性的曲线叫压气机的特性曲线。由图可以看出压气机特性曲线的变化具有如下主要特点：

1．在等转速运行线上，随着空气流量的增加，增压比开始时是增加的，当增加至某一值时，达最大值。之后再增压，便逐渐下降，所以，增压特性线似马鞍形状。由图中还可看出，在等转速运行线上，效率随流量的变化也大致与增压特性线相似。

2．较低转速时，增压特性线变化较平坦；转速愈高，则增压特性线变化愈陡削，这说明在高转速时，较小的流量变化所对应的增压比的变化较大。

3．有一条喘振线。它是不同转速下压气机稳定运转的最小流量点的连线，即压气机稳定运转的边界线。喘振线以左为喘振区，喘振线以有为稳定工作区。最小流量点的数值是随着转速的升高向增大的方向移动。当压气机的流量减小到—定值后，气体进入工作叶轮和扩压器的方向偏离设计工况，造成气流从叶片或扩压器上强烈分离，同时产生强烈脉动，并有气体倒流，压气机出口压力显著下降，并伴有很大波动，进气管内有“轰隆轰隆”的响声。引起压气机工作不稳定，导致压气机振动，并发出异常的响声。这种现象称为压气机喘振。喘振是压气机的固有特性。压气机特性曲线上表示喘振状态的临界线称为喘振线，其左方为喘振区，右方为稳定工作区。压气机不允许在喘振区工作。产生喘振的原因是当流量小于设计值很多时在叶轮进口和扩压器叶片内产生强烈的气流分离。

C1表示空气经导流后进入压气机叶片前缘时的绝对速度，w1表示压气机叶轮剖分处的圆周速度，u1表示气流进入压气机叶片的相对速度。

1．正常工况（即设计工况）当压气机在设计工况运转时，空气进入叶轮的方向（即气流相对速度的方向）与叶片构造角一致，因而气流能平顺地进入叶轮的叶片通道，不会产生冲击，如两个图中a）所示。

2．转速不变而空气流量增大(大于设计工况）当空气流量增大，C1相应增加，但方向不变，由于转速不变（U1不变），使W1增加并使空气进入叶轮时方向向后偏转了一角度。气流进入工作叶片时，冲向叶片的凸面（背面），在叶片的凹面产生涡流和分离，但叶轮的转动和气体在导风轮中拐弯时产生的离心力，气流的惯性作用方向压叶片凹面，压抑了气流分离的扩展；3．转速不变而空气流量减少当流量小于设计值时，由于U1不变、C1减小，使W1数值变小并产生方向的变化，与正常工况比向前产生偏离角。这样气流便在工作轮叶片的凸面产生气流分离，如两图10-25c）所示。由于叶轮带动旋转所产生的气体惯性力，也是压向叶片凹面而离开凸面，使涡旋区不断扩大，造成气流与叶片凸面强烈分离，流量越小，分离越严重，当流量减小至某一值分离现象会扩展到整个叶轮和扩压器叶道，喘振便出现。

1．正常工况（即设计工况）当压气机在设计工况运转时，空气进入叶道的方向（即气流相对速度的方向）与叶片构造角一致，因而气流能平顺地进入扩压器的叶片通道，不会产生冲击，如两个图中a）所示。

2．大于设计工况在扩压器中的气流冲向叶片凹面，在叶片的凸面则发生分离并形成涡流。但由于气流有按对数螺旋线运动的趋势，气流压向凸面，限制了气流分离的扩展，如两图10-25b）所示。故在大于设计流量时，只会引起冲击损失，而不会破坏压气机的正常工作。

3．转速不变而空气流量减少当流量小于设计值时，气流进入叶道时撞击叶片凸面，在叶片凹面产生的旋涡和分离，如两图10-