第三章1增压技术

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。
n
k
Wr


n 1 k 1 R T4* T1*


(3-6)
18
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
会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。
31
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。
32
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，
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，才能保证增压器和发动机的良好匹配。
2
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
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，
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。
28
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β1却减少。
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
30
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
p1

k 1
2


(3-2)
14
压气机的热力学过程
---理想绝热压缩功的p-v图和T-s图
图3-3 气体理想绝热压缩过程的p-v图和T-s图
15
压气机的热力学过程
---实际多变过程的p-v图和T-s图
图3-4 气体多变压缩过程右的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
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。
39
空气在叶轮内的流动
---叶轮出口的速度关系
cu 2 / u2
---叶轮的结构(1)
铸造叶轮毛坯，
带长短叶片
24
空气在叶轮内的流动
---叶轮的结构(2)
五轴铣床铣削叶轮，一般用于大直径的叶轮制造
25
空气在叶轮内的流动
---叶轮的结构(3)
叶轮平衡去重位置
26
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
两者之比称为总压压比，写成
πc*= 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。
绝热效率ηcad：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：ηcad= Nhomakorabeaad/W。
11
概述---级的概念
p1 p0
T0
n1
n1 1
ξin为损失系数，可取 0.05 ~ 0.10
21
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βg1,30-35°
进口气流角β1
气流冲角i，3-5°
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。
w wr wu
36
空气在叶轮内的流动
---叶轮流道内的流动(3)

wu
/2
1
z
1

D2 D0 D2 D0
环流速度wu的大小仅与
叶轮旋转角速度ω及几
何尺寸D2及D0和叶片数z
有关，与气体的流量无
关。如果叶轮的结构尺
寸选择不当，就可能出

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。
12
压气机的热力学过程
---压气机的绝热压缩功

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
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。
27
空气在叶轮内的流动
---导风轮的进口安装角(1)

w1 ca21 u12
ca1
1 tan
u1
1
由叶轮进口处的速度三角形
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。
7
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，
增压器。
6
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；
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。
* kk1
2
2


k
p
c

c

RT1* 4* 1 C p (T4*ad T1* ) C p (T4 ad T1 ) 4 1
（涡壳）四部分组成。
3
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。
4
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。
5
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
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行，也可成一定锥角。
8
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
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。
38
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，并且
叶片无限薄，则w2在叶轮出
口处就沿径向流出。由于叶
多一块面积Wv，从T-S图上可以看到和流动阻力功所
对应的发热量Wr。
16
压气机的热力学过程
---实际压缩功的计算公式
k

W C p (T T )
RT1* c*
k 1

*
*
4
*
1

n 1
n

1

(3-3)
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。

17
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。
k 1
k
k
Wad
RT1 ( c k 1)
R(T4 ad T1 )
k 1
k 1
(3-1)
13
压气机的热力学过程
---绝热压缩功的滞止形式

Wad
*
上式也可根据理想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
的应用。
34
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
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。
37
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
i=βg1- β1
22
空气在进口段中的流动
---进口气流速比
c a1
c a1
u2



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。
23
空气在叶轮内的流动
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
1
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
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。
33
空气在叶轮内的流动
---工作叶轮的形式(5)


径向叶片，它有高于前弯叶片的级效率及较高的强
叶轮通道内的相对速度合成。
35
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
烧室或其它设备中去。
9
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。
10
概述---压气机的主要性能参数



压比πc：πc= 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
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。
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空气在进口段中的流动
---进口的形式(2)
20
空气在进口段中的流动
---气体参数的计算
n
k
Wr


n 1 k 1 R T1* T0*

Wrin

ca21
in
2
c12
T1 T0
k
2
R
k 1
T1
一般应使其小于0.8-0.9。
29
空气在叶轮内的流动
---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。