离心式压气机的原理与设计

内燃机增压技术
第二章离心式压气机的原理与设计(1)
魏名山
第二章离心式压气机的原理与设计(1)
z概述
z压气机的热力学过程
z空气在进口段中的流动
z空气在叶轮内的流动
z空气在叶轮中流动时的损失
概述---压气机的作用与要求
z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。

z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，才能保证增压器和发动机的良好匹配。

概述---压气机的构造(1)
z压气机级由进口、工作叶轮、扩压器、集气器（涡壳）四部分组成
概述---压气机的构造(2)
z压气机进口段总是设计
成圆柱形或者圆锥收缩
段。

概述---压气机的构造(3)
z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。

概述---压气机的构造(4)
z有的压气机进口
还带有回流装置
以扩大流量范围。

z左图为HOLSET
增压器。

概述---压气机的构造(5)
z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；
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。

概述---压气机的构造(6)
z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。

z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。

概述---压气机的构造(7)
z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。

概述---压气机内的气体流动过程
z A 进口段
z C 工作叶轮内气体参数
z D 扩压器内的气体参数
z E 集气器(压气机涡壳)段
z分析各个阶段气流参数的
变化。

概述---压气机的主要性能参数
z
压比πc ：πc = p 4/p 1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πc *= p 4*/p 1*，一般可将压气机出口压力p 4记成p c 。

z 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。

z
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 =W ad /W 。

概述---级的概念
z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。

压气机的热力学过程---
理想绝热压缩功的p-v图和T-s图
压气机的热力学过程---实际多变过程的p-v图和T-s图
z
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W v ，从T-S 图上可以看到和流动阻力功所对应的发热量W 。

空气在进口段中的流动---进口的形式(1)
z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。

空气在进口段中的流动---进口的形式(2)
空气在进口段中的流动---进口气流角
z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。

z叶片安装角βg1,30-35°
z进口气流角β1
z气流冲角i，3-5°
z i=βg1-β1
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
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
空气在叶轮内的流动---叶轮的结构(3)
叶轮平衡去重位置
空气在叶轮内的流动---导风轮与工作叶轮
z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。

z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。

空气在叶轮内的流动---导风轮的进口安装角(2)z
由上页可知，随着半径的增加，速度u 1增加，因而相对速度w 1也增加，但气流的进口角β1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。

z 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w 1过大，使得相对马赫数M w1接近或大于1，这将在气流中产生冲波，而使波阻损失增加。

因为马赫数M w1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w 1值，一般应使其小于0.8-0.9。

空气在叶轮内的流动---工作叶轮的形式(1)
z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。

空气在叶轮内的流动---工作叶轮的形式(2)
z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。

z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。

z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。

但是俄罗斯坦克燃气轮机采用的是径流闭式叶轮。

空气在叶轮内的流动---工作叶轮的形式(3)
z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。

空气在叶轮内的流动---工作叶轮的形式(4)
z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。

z目前用的极少。

空气在叶轮内的流动---工作叶轮的形式(5)
z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。

z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。

空气在叶轮内的流动---叶轮流道内的流动(1)
z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叶轮通道内的相对速度合成。

空气在叶轮内的流动---叶轮流道内的流动(2)z 可以假设空气在叶轮通道中的流动，是径向流动速度w r 和环流速度w u 的矢量和。

环流速度w u 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w u 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。

u r w w w +=
空气在叶轮内的流动---压力面与吸力面
z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，形成叶轮对轴的阻力
扭矩。

空气在叶轮内的流动---叶轮出口速度三角形
z 左图为叶轮出口处的气流速
度三角形，绝对速度c 2是相
对速度w 2与牵连速度u 2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w 2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w 2产
生逆旋转方向的偏转。

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：z空气进入叶轮时的撞击损失。

z空气在通道内的转弯损失。

z空气在通道内的摩擦损失(包括涡流损失在内)。

z空气在叶轮与壳体间的漏气损失。

z空气与叶轮背面之间的摩擦损失。