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1、1,第三章 离心式压气机的原理与设计(1),涡轮增压技术,2,离心式压气机的原理与设计(1),概述 压气机的热力学过程 空气在进口段中的流动 空气在叶轮内的流动 空气在叶轮中流动时的损失,3,概述-压气机的作用与要求,压气机的作用是预先压缩进入气缸的空气，以提高进入气缸的气体密度。 增压器要求压气机的尺寸小，尺寸小才能保证便于安装；重量轻，重量轻可以减少发动机总重，转子重量轻还可以提高增压器的响应速度，改善发动机的加速性；效率高，压气机效率高可以改善发动机的燃油耗；特性的可工作范围广，这是车用增压器对压气机最为重要的要求之一，因为车用发动机的工况变化频繁，且变化范围大，只有压气机的可工作范围广
2、，才能保证增压器和发动机的良好匹配。,4,概述-压气机的构造(1),压气机级由进口、工作叶轮、扩压器、集气器（涡壳）四部分组成。,5,概述-压气机的构造(2),压气机进口段总是设计成圆柱形或者圆锥收缩段。,6,概述-压气机的构造(3),进口段的作用是引导气流更好地进入工作叶轮，以减少进口处的流动损失和扰流强度。,7,概述-压气机的构造(4),有的压气机进口还带有回流装置以扩大流量范围。 左图为HOLSET增压器。,8,概述-压气机的构造(5),工作叶轮由轮盘及其上的叶片组成。用螺母将其紧固在涡轮轴上。气流沿着轮盘、外壳和叶片组成的通道流动。并在这一过程中，将从旋转叶轮吸收的机械功转变为压力(势
3、能)及速度(动能)。工作叶轮是压气机最主要的零件，它的好坏对级的特性起了决定性的影响。对它的要求主要是，效率要高；强度要好，因为只有叶轮强度好，压气机才能达到较高的压缩压力。,9,概述-压气机的构造(6),扩压器，空气从工作轮出来后，具有很高的气流速度，也即具有很大的动能。这部分动能约占叶轮加功量的25%-50%。因此，为有效地利用这一部分的能量，必须把这部分的动能转变为压力能，以达到提高空气压力的目的。为此，在叶轮后装有扩压器，把气流的动能转变成压力能。 扩压器一般可分为无叶扩压器和叶片扩压器两种，对车用涡轮增压器来说，一般使用无叶扩压器。无叶扩压器由两片光滑的圆盘壁构成，盘壁之间可以互相平
4、行，也可成一定锥角。,10,概述-压气机的构造(7),压气机涡壳的背面。涡壳的主要作用是收集从扩压器出来的空气，并将空气送到燃烧室或其它设备中去。,11,概述-压气机内的气体流动过程,A 进口段 C 工作叶轮内气体参数 D 扩压器内的气体参数 E 集气器(压气机涡壳)段 分析各个阶段气流参数的变化。,12,概述-压气机的主要性能参数,压比c：c= p4/p1 即为压气机出口压力和进口压力之比。如果进出口压力均写成总压，则两者之比称为总压压比，写成 c*= p4*/p1* 一般可将压气机出口压力p4记成pc。 质量流量Mc：单位时间内通过压气机的气体质量。流量越大，要求压气机的工作轮直径越大。
5、绝热效率cad：每单位质量的空气在压缩到一定压比时，所需的绝热功与实际压缩功之比。记为： cad=Wad/W。,13,概述-级的概念,压气机的“级”：指的是由进口段、工作叶轮、扩压器、及集气器这几部分组成的一个压缩空气的完整过程，并称之为一级压气机。如果多级串联起来工作，则称为多级压气机。,14,压气机的热力学过程,在理想绝热压缩过程中，压气机内的气体流动没有流动阻力（Wr=0）， 也没有和外界介质热交换(Qout=0)，因此，每千克空气压缩到预定的压气机出口压力时，所消耗的功由工程热力学知识可知，其可写成式3-1。,-压气机的绝热压缩功,(3-1),15,压气机的热力学过程,上式也可根据理想
6、压缩过程写成滞止参数的表达式，如式3-2所示。如果，压气机的进出口气流速度很接近，即c1约等于c4，此时的绝热压缩功就可写成式3-1。这是经常用的表达式。虽然它与式3-2的差别在于仅忽略了占比例很小的动能差值，但在实际的试验与测量中却很方便，其静压也较易测得准确。,-绝热压缩功的滞止形式,(3-2),16,压气机的热力学过程,图3-3 气体理想绝热压缩过程的p-v图和T-s图,-理想绝热压缩功的p-v图和T-s图,17,压气机的热力学过程,图3-4 气体多变压缩过程右的p-v图和T-s图,-实际多变过程的p-v图和T-s图,从p-v图上可以看出，多变压缩功比理想绝热压缩功多一块面积Wv，从T-
7、S图上可以看到和流动阻力功所对应的发热量Wr。,18,压气机的热力学过程,-实际压缩功的计算公式,由工程热力学知识知道多变过程过程的实际压缩功如 上式所示。,(3-3),19,压气机的热力学过程,-多变指数的推导,W*=Wad*+ Wv + Wr=Wn* +Wr Wn* = Wad*+ Wv 由上式可以推出实际过程的平均多变指数。,(3-6),20,空气在进口段中的流动,-进口的形式(1),车辆用增压器的进口型式一般为圆锥形或圆柱形，图3-6(a)。极少部分的进口采用预扭叶片，以扩大压气机的流量范围。,21,空气在进口段中的流动,-进口的形式(2),22,空气在进口段中的流动,-气体参数的计算
8、,in为损失系数，可取 0.05 0.10,23,空气在进口段中的流动,-进口气流角,以叶轮旋转轴为中心轴，作圆柱面切割叶轮，然后展开，可以得到如左所示的叶轮进口处的速度三角形的图。 叶片安装角g1,30-35 进口气流角1 气流冲角i，3-5 i=g1- 1,24,空气在进口段中的流动,-进口气流速比,ca1 叶轮进口处的气流轴向分速度 u2 叶轮外直径处的圆周速度 一般情况下，当i为2-3时，选取ca1/u2为0.25-0.3；当i为4-5时，选取ca1/u2为0.30-0.35。,25,空气在叶轮内的流动,-叶轮的结构(1),铸造叶轮毛坯， 带长短叶片,26,空气在叶轮内的流动,-叶轮的
9、结构(2),五轴铣床铣削叶轮，一般用于大直径的叶轮制造,27,空气在叶轮内的流动,-叶轮的结构(3),叶轮平衡去重位置,28,空气在叶轮内的流动,-导风轮与工作叶轮,离心式压气机叶轮由导风轮和工作叶轮两部分组成。导风轮将流入气体由轴向转为径向；工作叶轮使气体由内向外作径向流动。通常将直径方向尺寸基本不变的一段叫做导风轮。 车辆用增压器由于压气机叶轮小型化及采用精密铸造工艺，而将导风轮和工作叶轮铸成一个整体，并统称压气机叶轮。,29,空气在叶轮内的流动,-导风轮的进口安装角(1),由叶轮进口处的速度三角形可得如左的公式。当气流是轴向进气时，可认为轴向速度ca1沿半径方向不变，叶轮进口处在不同半径
10、上的圆周速度u1是不相等的，因而流入叶轮的相对速度w1的方向和大小，亦随半径而改变。,30,空气在叶轮内的流动,-导风轮的进口安装角(2),由上页可知，随着半径的增加，速度u1增加，因而相对速度w1也增加，但气流的进口角1却减少。所以，根据这样的变化规律，导风轮的进口安装角，应设计成外径处角度较小，而内径处角度较大。 由上页公式还可看出，如果导风轮进口处的外径过大，就会引起该处的相对速度w1过大，使得相对马赫数Mw1接近或大于1，这将在气流中产生激波，而使波阻损失增加。因为马赫数Mw1对叶轮的效率和流量范围有较大的影响，故应限制相对速度w1值，一般应使其小于0.8-0.9。,31,空气在叶轮内
11、的流动,-工作叶轮的形式(1),工作叶轮是压气机的主要工作元件。它将外界输入的机械功传递给空气而成为气体的状态能和动能，使流过叶轮的空气，其温度、压力与速度均有显著的提高。按造型的不同，工作叶轮可区分为如上所示开式、半开式及闭式三种。目前车用涡轮增压器多应用半开式。,32,空气在叶轮内的流动,-工作叶轮的形式(2),开式工作叶轮：摩擦损失和流动阻力很大，叶轮效率最低。易产生振动，不宜在高转速下工作。 半开式工作叶轮：摩擦损失和流动阻力较开式的小，效率较高。有一定的刚度和强度，允许在较高的圆周速度下工作。 闭式工作叶轮：其摩擦损失及流动阻力均最小，效率最高。由于结构复杂、笨重，以及轮盖在旋转时会
12、对叶片产生巨大的应力，其强度较差，不宜于在高速旋转工况下使用。,33,空气在叶轮内的流动,-工作叶轮的形式(3),压气机工作叶轮的叶片形状，也可分为前弯、径向、后弯三种，如上图所示。(a)前弯叶片，(b)径向叶片，(c)后弯叶片。,34,空气在叶轮内的流动,-工作叶轮的形式(4),前弯叶片，工作叶轮可将较多的能量传递给空气，但是，这部分多出来的能量是以增加叶轮出口处的气流速度的方式，即增加动能的方式传递给空气，因而必须经过叶轮之后的扩压段，和涡壳通道才能转变为气体的压力能。由于扩压段及涡壳中的效率较低，这种形式的叶轮降低了压气机的级效率。 目前用的极少。,35,空气在叶轮内的流动,-工作叶轮的
13、形式(5),径向叶片，它有高于前弯叶片的级效率及较高的强度，还可以通过提高其圆周速度获得较高的增压压力，因此曾在车辆增压器中得到普遍的采用。 后弯叶片，工作轮传递给空气的能量少，但能保证气流在出口处的流动较均匀，在扩压器及涡壳中的流动损失也较小。因而它与径向叶片的叶轮相比，压气机的级效率可提高3%-4%，使用的流量范围扩大约40%。后弯叶片在目前的增压器中得到最广泛的应用。,36,空气在叶轮内的流动,-叶轮流道内的流动(1),假定空气在进入叶轮前的状态和流速是均匀的。这样，当空气进入叶轮通道之后，被叶轮带着作旋转运动，在离心力的作用下，被抛向叶轮的边缘；由于叶片通道间作扇形扩张，空气在其中的相
14、对速度逐渐减少而压力逐渐增大。空气在叶轮中的运动，是由叶轮的牵连旋转运动以及沿着叶轮通道内的相对速度合成。,37,空气在叶轮内的流动,-叶轮流道内的流动(2),可以假设空气在叶轮通道中的流动，是径向流动速度wr和环流速度wu的矢量和。环流速度wu是假设空气在进入叶轮前为无涡流动，因而当空气进入旋转的叶轮时，环流速度wu 就使空气对叶轮产生一个与旋转方向相反的环流。也就是说，将叶轮扇形面积中的气体，看成为一个刚体被叶轮带动，而作平移无旋的运动。,38,空气在叶轮内的流动,-叶轮流道内的流动(3),环流速度wu的大小仅与叶轮旋转角速度及几何尺寸D2及D0和叶片数z有关，与气体的流量无关。如果叶轮的
15、结构尺寸选择不当，就可能出现Wu值过大，叶轮通道内形成反向流动，出现涡腔，使流动损失急剧增加。,39,空气在叶轮内的流动,-压力面与吸力面,左图表示由于环流的影响，在半径r处气流的相对速度w及压力p的分布情况。叶片压向气流的一侧，称工作面，离开气流的一侧，称吸力面或非工作面。工作面上的气体压力增大而流速降低，吸力面上气体的压力减少而流速增大。由于两个叶片表面上存在压力差，在旋转时，形成轮对轴的阻力扭矩。,40,空气在叶轮内的流动,-叶轮出口速度三角形,左图为叶轮出口处的气流速度三角形，绝对速度c2是相对速度w2与牵连速度u2的矢量之和，牵连速度就是叶轮外圆周的切线速度。如果叶轮的叶片数为无限多
16、，并且叶片无限薄，则w2在叶轮出口处就沿径向流出。由于叶片数目是有限的，故气体的质量惯性，就使得w2产生逆旋转方向的偏转。,41,空气在叶轮内的流动,-叶轮出口的速度关系,，定义为功率系数。对前弯叶片甚至可能大于1，后弯叶片的值小于径向叶片的。,42,空气在叶轮内的流动,-空气在叶轮中流动时的损失,空气在叶轮中流动时，可将其损失按性质分为以下几项： 空气进入叶轮时的撞击损失。 空气在通道内的转弯损失。 空气在通道内的摩擦损失(包括涡流损失在内)。 空气在叶轮与壳体间的漏气损失。 空气与叶轮背面之间的摩擦损失。,43,空气在叶轮内的流动,-空气在叶轮中流动时的损失,空气在通道内的转弯损失，在叶轮通道内的摩擦损失，在叶轮与壳体之间的漏气损失，以及轮盘摩擦损失的总和以WI表示。 知道了这部分损失之后，就可表示出气流在叶轮内的实际功和多变功之差，也可由左式求得多变指数n2，一般n2=1.451.55。,