離心式壓氣機的原理與設計(1)

1、1第三章離心式壓氣機的原理與設計(1)渦輪增壓技術渦輪增壓技術2離心式壓氣機的原理與設計離心式壓氣機的原理與設計(1)n 概述n 壓氣機的熱力學過程n 空氣在進口段中的流動n 空氣在葉輪內的流動n 空氣在葉輪中流動時的損失3概述概述-壓氣機的作用與要求壓氣機的作用與要求n壓氣機的作用是預先壓縮進入氣缸的空氣，以提高進入氣缸的氣體密度。n增壓器要求壓氣機的尺寸小，尺寸小才能保證便于安裝；重量輕，重量輕可以減少發(fā)動機總重，轉子重量輕還可以提高增壓器的響應速度，改善發(fā)動機的加速性；效率高，壓氣機效率高可以改善發(fā)動機的燃油耗；特性的可工作范圍廣，這是車用增壓器對壓氣機最為重要的要求之一，因為車用發(fā)動機

2、的工況變化頻繁，且變化范圍大，只有壓氣機的可工作范圍廣，才能保證增壓器和發(fā)動機的良好匹配。4概述概述-壓氣機的構造壓氣機的構造(1)n壓氣機級由進口、工作葉輪、擴壓器、集氣器（渦殼）四部分組成。5概述概述-壓氣機的構造壓氣機的構造(2)n壓氣機進口段總是設計成圓柱形或者圓錐收縮段。6概述概述-壓氣機的構造壓氣機的構造(3)n進口段的作用是引導氣流更好地進入工作葉輪，以減少進口處的流動損失和擾流強度。7概述概述-壓氣機的構造壓氣機的構造(4)n有的壓氣機進口還帶有回流裝置以擴大流量范圍。n左圖為HOLSET增壓器。8概述概述-壓氣機的構造壓氣機的構造(5)n工作葉輪由輪盤及其上的葉片組成。用螺母

3、將其緊固在渦輪軸上。氣流沿著輪盤、外殼和葉片組成的通道流動。并在這一過程中，將從旋轉葉輪吸收的機械功轉變?yōu)閴毫?勢能)及速度(動能)。工作葉輪是壓氣機最主要的零件，它的好壞對級的特性起了決定性的影響。對它的要求主要是，效率要高；強度要好，因為只有葉輪強度好，壓氣機才能達到較高的壓縮壓力。9概述概述-壓氣機的構造壓氣機的構造(6)n擴壓器，空氣從工作輪出來后，具有很高的氣流速度，也即具有很大的動能。這部分動能約占葉輪加功量的25%-50%。因此，為有效地利用這一部分的能量，必須把這部分的動能轉變?yōu)閴毫δ?，以達到提高空氣壓力的目的。為此，在葉輪后裝有擴壓器，把氣流的動能轉變成壓力能。n擴壓器一般可

4、分為無葉擴壓器和葉片擴壓器兩種，對車用渦輪增壓器來說，一般使用無葉擴壓器。無葉擴壓器由兩片光滑的圓盤壁構成，盤壁之間可以互相平行，也可成一定錐角。10概述概述-壓氣機的構造壓氣機的構造(7)n壓氣機渦殼的背面。渦殼的主要作用是收集從擴壓器出來的空氣，并將空氣送到燃燒室或其它設備中去。11概述概述-壓氣機內的氣體流動過程壓氣機內的氣體流動過程nA 進口段nC 工作葉輪內氣體參數(shù)nD 擴壓器內的氣體參數(shù)nE 集氣器(壓氣機渦殼)段n分析各個階段氣流參數(shù)的變化。12概述概述-壓氣機的主要性能參數(shù)壓氣機的主要性能參數(shù)n壓比c：c= p4/p1 即為壓氣機出口壓力和進口壓力之比。如果進出口壓力均寫成總壓

5、，則兩者之比稱為總壓壓比，寫成 c*= p4*/p1*一般可將壓氣機出口壓力p4記成pc。n質量流量Mc：單位時間內通過壓氣機的氣體質量。流量越大，要求壓氣機的工作輪直徑越大。n絕熱效率cad：每單位質量的空氣在壓縮到一定壓比時，所需的絕熱功與實際壓縮功之比。記為： cad=Wad/W。13概述概述-級的概念級的概念n壓氣機的“級”：指的是由進口段、工作葉輪、擴壓器、及集氣器這幾部分組成的一個壓縮空氣的完整過程，并稱之為一級壓氣機。如果多級串聯(lián)起來工作，則稱為多級壓氣機。14壓氣機的熱力學過程壓氣機的熱力學過程n在理想絕熱壓縮過程中，壓氣機內的氣體流動沒有流動阻力（Wr=0）， 也沒有和外界介

6、質熱交換(Qout=0)，因此，每千克空氣壓縮到預定的壓氣機出口壓力時，所消耗的功由工程熱力學知識可知，其可寫成式3-1。-壓氣機的絕熱壓縮功壓氣機的絕熱壓縮功)(1) 1(11411TTRkkRTkkWadkkcad(3-1)15壓氣機的熱力學過程壓氣機的熱力學過程n上式也可根據(jù)理想壓縮過程寫成滯止參數(shù)的表達式，如式3-2所示。如果，壓氣機的進出口氣流速度很接近，即c1約等于c4，此時的絕熱壓縮功就可寫成式3-1。這是經常用的表達式。雖然它與式3-2的差別在于僅忽略了占比例很小的動能差值，但在實際的試驗與測量中卻很方便，其靜壓也較易測得準確。-絕熱壓縮功的滯止形式絕熱壓縮功的滯止形式2)()

7、(11212414*1*41*1*4*1*ccTTCTTCppRTkkWadpadpkkad(3-2)16壓氣機的熱力學過程壓氣機的熱力學過程圖3-3 氣體理想絕熱壓縮過程的p-v圖和T-s圖-理想絕熱壓縮功的理想絕熱壓縮功的p-vp-v圖和圖和T-sT-s圖圖17壓氣機的熱力學過程壓氣機的熱力學過程圖3-4 氣體多變壓縮過程右的p-v圖和T-s圖-實際多變過程的實際多變過程的p-vp-v圖和圖和T-sT-s圖圖n從p-v圖上可以看出，多變壓縮功比理想絕熱壓縮功多一塊面積Wv，從T-S圖上可以看到和流動阻力功所對應的發(fā)熱量Wr。18壓氣機的熱力學過程壓氣機的熱力學過程-實際壓縮功的計算公式實際

8、壓縮功的計算公式n由工程熱力學知識知道多變過程過程的實際壓縮功如上式所示。 11)(1*1*1*4*nncpRTkkTTCW(3-3)19壓氣機的熱力學過程壓氣機的熱力學過程-多變過程的技術功多變過程的技術功n多變過程的技術功，由圖3-4積分得到，-vdp 111*1*nncnRTnnW(3-4)20壓氣機的熱力學過程壓氣機的熱力學過程-多變指數(shù)的推導多變指數(shù)的推導nW*=Wad*+ Wv + Wr=Wn* +WrnWn* = Wad*+ Wvn由上式可以推出實際過程的平均多變指數(shù)。*1*411TTRWkknnr(3-6)21空氣在進口段中的流動空氣在進口段中的流動-進口的形式進口的形式(1)

9、(1)n車輛用增壓器的進口型式一般為圓錐形或圓柱形，圖3-6(a)。極少部分的進口采用預扭葉片，以擴大壓氣機的流量范圍。22空氣在進口段中的流動空氣在進口段中的流動-進口的形式進口的形式(2)(2)23空氣在進口段中的流動空氣在進口段中的流動-氣體參數(shù)的計算氣體參數(shù)的計算221ainrincWin為損失系數(shù)，可取 0.05 0.10*0*111TTRWkknnrRkkcTT1221011010111nnTTpp24空氣在進口段中的流動空氣在進口段中的流動-進口氣流角進口氣流角n以葉輪旋轉軸為中心軸，作圓柱面切割葉輪，然后展開，可以得到如左所示的葉輪進口處的速度三角形的圖。n葉片安裝角g1,30

10、-35n進口氣流角1n氣流沖角i，3-5n i=g1- 125空氣在進口段中的流動空氣在進口段中的流動-進口氣流速比進口氣流速比nca1葉輪進口處的氣流軸向分速度nu2葉輪外直徑處的圓周速度n一般情況下，當i為2-3時，選取ca1/u2為0.25-0.3；當i為4-5時，選取ca1/u2為0.30-0.35。211uccaa26空氣在葉輪內的流動空氣在葉輪內的流動-葉輪的結構葉輪的結構(1)(1)鑄造葉輪毛坯，帶長短葉片27空氣在葉輪內的流動空氣在葉輪內的流動-葉輪的結構葉輪的結構(2)(2)五軸銑床銑削葉輪，一般用于大直徑的葉輪制造28空氣在葉輪內的流動空氣在葉輪內的流動-葉輪的結構葉輪的結

11、構(3)(3)葉輪平衡去重位置29空氣在葉輪內的流動空氣在葉輪內的流動-導風輪與工作葉輪導風輪與工作葉輪n離心式壓氣機葉輪由導風輪和工作葉輪兩部分組成。導風輪將流入氣體由軸向轉為徑向；工作葉輪使氣體由內向外作徑向流動。通常將直徑方向尺寸基本不變的一段叫做導風輪。n車輛用增壓器由于壓氣機葉輪小型化及采用精密鑄造工藝，而將導風輪和工作葉輪鑄成一個整體，并統(tǒng)稱壓氣機葉輪。30空氣在葉輪內的流動空氣在葉輪內的流動-導風輪的進口安裝角導風輪的進口安裝角(1)(1)n由葉輪進口處的速度三角形可得如左的公式。當氣流是軸向進氣時，可認為軸向速度ca1沿半徑方向不變，葉輪進口處在不同半徑上的圓周速度u1是不相等

12、的，因而流入葉輪的相對速度w1的方向和大小，亦隨半徑而改變。21211ucwa1111tanuca31空氣在葉輪內的流動空氣在葉輪內的流動-導風輪的進口安裝角導風輪的進口安裝角(2)(2)n由上頁可知，隨著半徑的增加，速度u1增加，因而相對速度w1也增加，但氣流的進口角1卻減少。所以，根據(jù)這樣的變化規(guī)律，導風輪的進口安裝角，應設計成外徑處角度較小，而內徑處角度較大。n由上頁公式還可看出，如果導風輪進口處的外徑過大，就會引起該處的相對速度w1過大，使得相對馬赫數(shù)Mw1接近或大于1，這將在氣流中產生激波，而使波阻損失增加。因為馬赫數(shù)Mw1對葉輪的效率和流量范圍有較大的影響，故應限制相對速度w1值，

13、一般應使其小于0.8-0.9。32空氣在葉輪內的流動空氣在葉輪內的流動-工作葉輪的形式工作葉輪的形式(1)(1)n工作葉輪是壓氣機的主要工作元件。它將外界輸入的機械功傳遞給空氣而成為氣體的狀態(tài)能和動能，使流過葉輪的空氣，其溫度、壓力與速度均有顯著的提高。按造型的不同，工作葉輪可區(qū)分為如上所示開式、半開式及閉式三種。目前車用渦輪增壓器多應用半開式。33空氣在葉輪內的流動空氣在葉輪內的流動-工作葉輪的形式工作葉輪的形式(2)(2)n開式工作葉輪：摩擦損失和流動阻力很大，葉輪效率最低。易產生振動，不宜在高轉速下工作。n半開式工作葉輪：摩擦損失和流動阻力較開式的小，效率較高。有一定的剛度和強度，允許在

14、較高的圓周速度下工作。n閉式工作葉輪：其摩擦損失及流動阻力均最小，效率最高。由于結構復雜、笨重，以及輪蓋在旋轉時會對葉片產生巨大的應力，其強度較差，不宜于在高速旋轉工況下使用。34空氣在葉輪內的流動空氣在葉輪內的流動-工作葉輪的形式工作葉輪的形式(3)(3)n壓氣機工作葉輪的葉片形狀，也可分為前彎、徑向、后彎三種，如上圖所示。(a)前彎葉片，(b)徑向葉片，(c)后彎葉片。35空氣在葉輪內的流動空氣在葉輪內的流動-工作葉輪的形式工作葉輪的形式(4)(4)n前彎葉片，工作葉輪可將較多的能量傳遞給空氣，但是，這部分多出來的能量是以增加葉輪出口處的氣流速度的方式，即增加動能的方式傳遞給空氣，因而必須

15、經過葉輪之后的擴壓段，和渦殼通道才能轉變?yōu)闅怏w的壓力能。由于擴壓段及渦殼中的效率較低，這種形式的葉輪降低了壓氣機的級效率。n目前用的極少。36空氣在葉輪內的流動空氣在葉輪內的流動-工作葉輪的形式工作葉輪的形式(5)(5)n徑向葉片，它有高于前彎葉片的級效率及較高的強度，還可以通過提高其圓周速度獲得較高的增壓壓力，因此曾在車輛增壓器中得到普遍的采用。n后彎葉片，工作輪傳遞給空氣的能量少，但能保證氣流在出口處的流動較均勻，在擴壓器及渦殼中的流動損失也較小。因而它與徑向葉片的葉輪相比，壓氣機的級效率可提高3%-4%，使用的流量范圍擴大約40%。后彎葉片在目前的增壓器中得到最廣泛的應用。37空氣在葉輪

16、內的流動空氣在葉輪內的流動-葉輪流道內的流動葉輪流道內的流動(1)(1)n假定空氣在進入葉輪前的狀態(tài)和流速是均勻的。這樣，當空氣進入葉輪通道之后，被葉輪帶著作旋轉運動，在離心力的作用下，被拋向葉輪的邊緣；由于葉片通道間作扇形擴張，空氣在其中的相對速度逐漸減少而壓力逐漸增大。空氣在葉輪中的運動，是由葉輪的牽連旋轉運動以及沿著葉輪通道內的相對速度合成。38空氣在葉輪內的流動空氣在葉輪內的流動-葉輪流道內的流動葉輪流道內的流動(2)(2)n可以假設空氣在葉輪通道中的流動，是徑向流動速度wr和環(huán)流速度wu的矢量和。環(huán)流速度wu是假設空氣在進入葉輪前為無渦流動，因而當空氣進入旋轉的葉輪時，環(huán)流速度wu

17、就使空氣對葉輪產生一個與旋轉方向相反的環(huán)流。也就是說，將葉輪扇形面積中的氣體，看成為一個剛體被葉輪帶動，而作平移無旋的運動。urwww39空氣在葉輪內的流動空氣在葉輪內的流動-葉輪流道內的流動葉輪流道內的流動(3)(3)n環(huán)流速度wu的大小僅與葉輪旋轉角速度及幾何尺寸D2及D0和葉片數(shù)z有關，與氣體的流量無關。如果葉輪的結構尺寸選擇不當，就可能出現(xiàn)Wu值過大，葉輪通道內形成反向流動，出現(xiàn)渦腔，使流動損失急劇增加。0202112/DDzDDwu40空氣在葉輪內的流動空氣在葉輪內的流動-壓力面與吸力面壓力面與吸力面n左圖表示由于環(huán)流的影響，在半徑r處氣流的相對速度w及壓力p的分布情況。葉片壓向氣流

18、的一側，稱工作面，離開氣流的一側，稱吸力面或非工作面。工作面上的氣體壓力增大而流速降低，吸力面上氣體的壓力減少而流速增大。由于兩個葉片表面上存在壓力差，在旋轉時，形成輪對軸的阻力扭矩。41空氣在葉輪內的流動空氣在葉輪內的流動-葉輪出口速度三角形葉輪出口速度三角形n左圖為葉輪出口處的氣流速度三角形，絕對速度c2是相對速度w2與牽連速度u2的矢量之和，牽連速度就是葉輪外圓周的切線速度。如果葉輪的葉片數(shù)為無限多，并且葉片無限薄，則w2在葉輪出口處就沿徑向流出。由于葉片數(shù)目是有限的，故氣體的質量慣性，就使得w2產生逆旋轉方向的偏轉。42空氣在葉輪內的流動空氣在葉輪內的流動-葉輪出口的速度關系葉輪出口的速度關系n，定義為功率系數(shù)。對前彎葉片甚至可能大于1，后彎葉片的值小于徑向葉片的。2212212tantanucccrur22/ucu43空氣在葉輪內的流動空氣在葉輪內的流動-空氣在葉輪中流動時的損失空氣在葉輪中流動時的損失空氣在葉輪中流動時