第五章 增压器计算

2．径流式涡轮 （1）效率特性
u u 与轴流式相似，仅与 有关， T f ，式（5.5.5） c0 c0
2．径流式涡轮（续）
u （2）通流特性 T T T , c 0 为了进一步简化，引入修正膨胀比 Teq ，来考虑速比的影响，
T m K m B （无排气放气） 2．质量平衡： m
3．转速相等： nT nK nTK
为了取得良好的配合性能，涡轮增压器与柴油机配合运行还应满足 以下主要要求： 1． 在设计工作点的增压压力、空气流量、柴油机功率、燃油消耗 率等都达到预期要求——设计值。 2． 涡轮增压器的综合效率达到最佳值 3． 增压柴油机的运行线最大限度地穿过压气机的高效率区并与喘 振线保持一定距离 4． 在柴油机整个工作范围内，柴油机与涡轮增压器各种性能参数 均不得超过它们的极限值。柴油机方面有：最高燃烧压力、排 气温度、烟度、零部件的热负荷等；涡轮增压器有：压力喘振 线、压气机与涡轮机的阻塞线、转速及涡轮机进口温度等。 5． 柴油机具有足够的扭矩储备系数和转速储备系数。 本章将介绍压气机、涡轮的稳流特性参数的计算，以及一级涡轮增 压器设计点的匹配计算
5.3
涡轮的稳流特性
定压涡轮：废气平稳的压力下进入涡轮 脉冲涡轮：脉动进气 涡轮稳流特性适用于定压涡轮
一、主要参数
四个工作参数 （1）涡轮前的总压 p03 （2）涡轮前的总温 T03 （3）涡轮后的静压 p4 （4）涡轮转速 nT
表征涡轮特性的基本参数
1．膨胀比 T —进口总压于出口静压之比 p03 ， p03 由排气系统热力计算得到 T p4 涡轮出口压力按下式计算 2．流量 （1）质量流量
以得到 T f Teq
p3 p ， p4 p 为考虑涡轮转速影响的压力修正项
Teq
a
p hT u ， a 愈小，影响程度愈大，常数 a 0.5 ~ 1 p3 h3 h3 a 2 p3 u3 Teq 1 212 页图 5.5.2 T f Teq 3 p4 RT3 1 3
1
V
3．转速 （1）每分钟转速 （2）转速相似参数
nK
nK T1
T0 288.15 或 n288 nK T1 T1
（3）换算转速 ncor nK
4．等熵效率 气体由状态 1（ p1 ， T1 ）压缩到状态 2（ p2 ， T2 ） ，等熵压缩功 （不计气体流动损失、绝热）与实际压气机消耗总功之比，即
3 1 2 3 3 3 p4 p4 p 3 1 p3 3
3．转速相似参数 4．速度比
nT T3
u u c0 2hST
式中： u 为动轮圆周速度； c0 为等熵焓降计算的理想气体速度 5．涡轮效率 等熵效率T ——表示涡轮中能量转换的完善程度 定义：实际有效焓降 hT 与等熵焓降 hST 之比
cor T0 m K T1 m cor m K m p1 依据相似条件 p0 V V 1, cor V 1 V 1, cor T0 T1 T1 p0 T0 p1 T0 T1
2．流量（续） （4）流量系数
4V 1 无因次参数 2 A2u2 D2 u2 式中： D2 为压气机工作轮外径； u2 为压气机工作轮外径处的圆周速度
2
2
来确定。不同膨胀比 T 的涡轮效率曲线可用同样方法处理
T T , T 解析式更为简单
u 对于轴流涡轮：从某一 起， T 为直线 c0 径流涡轮： T 随 0 的变化也可用一折线表示
采用上述简化处理方法，输入数据很少，六条 T 曲线，只需输入 六对（ ， ） ，实际使用很方便
三、压气机出口的空气温度 T2
1 1 1 p2 1 T2 T1 T1 p1 K 式中： —考虑向外散热的冷却系数（1.04~1.1）
四、压气机的稳流特性
压气机的特性是指压气机的性能参数（ K ， K 等）与工作参 K ， nK ， p1 ， T1 ）之间的关系 数（ m K , nK , p1 , T1 K K m K , nK , p1 , T1 K K m K , nK K K m 若进口条件不变，则 K , nK K K m 为了使压气机特性不受进口条件的限制，通常采用相似参数绘制 压气机通用特性
书中 177 页，图 5.1.1 给出了典型的压气机通用特性 ， 书中 178 页， 图 5.1.2 给出了无因次参数 为横坐标， K 为纵坐标的压气机特性
5.2
压气机特性的数值表示
在增压内燃机的匹配计算中，要求在压气机特性上确定配合运行 点，为了使程序能自动寻找运行点，必须将压气机特性用数值表 示。压气机特性的数值表示方法有以下两种 一、网格法（数组存储法） 采用正交网格离散压气机特性上的等效率线和等转速线，读取每 个网格点上的等效率 K 和转速 nK ，并输入计算机中存储。匹配 计算中，网格点上的 K 和 nK 值由输入数据给出，飞网格点上的 数据则由输入数据进行平面插值得到。 缺点： （1）网格点越多，占用存储空间愈大 （2）插值计算工作量较大 （3）利用插值确定非网格点上值，代入一定误差
二、其他简化方法 1．轴流式涡轮
u 由 193 页图 5.3.4 可知 T 主要与 有关， 与 T 关系不大， 而 T 主 c0 要与 T 有关
u 于是有 T f c ， T f T 0 然后根据曲线拟合方法，整理成低阶多项式 见 209 页式（5.5.3） ，210 页式（5.5.4）
m T p 4 p0 pT 0 m T0
T （kg/s） m
T T3 m p3
（2）流量相似参数
模拟计算中，通常将涡轮简化成一个当量喷嘴，其流通能力 与实际涡轮完全相同，引入 T ， AT
T T m th T AT 2 p3 3 T T AT 2 p3 3 m
二、压气机消耗功率
NK
1 1 1 K h2 s h1 m K T1 R 1 p2 m NK 1 K mK K mK 1 1 p 1 式中： mK ——压气机的机械效率
h3 h4 hT ， hST T h3 hST hST
1 3 RT3 1 3 1 T

3 1 3

Leabharlann Baidu
由于无法精确计算小型涡轮的散热损失， 等熵效率难以精确计算， 所以常将机械效率归入涡轮效率中一并考虑 T mTK T mT mK T 6．涡轮功率 NT m T hST T mT
第五章 增压器的计算 5.1 压气机的稳流特性 5.2 压气机特性的数值表示 5.3 涡轮的稳流特性 5.5 涡轮特性的简化计算方法 5.8 涡轮增压器的基本方程 6.3 一级涡轮增压设计点的匹配计算 6.4一级涡轮增压变工况运行特性的计算
一般涡轮增压柴油机都是由柴油机和涡轮增压器两个部分组成， 两者彼此间无机械联系，只是通过气体将其联系起来，它们的结 构特点，工作原理和特性完全不同。为了在两者联合工作时获得 良好的综合性能，必须使两者的特性相互适应，即“匹配技术” 。 自由废气涡轮增压器由燃气涡轮和压气机组成 涡轮增压器与柴油机配合运行的基本条件是： 1．能量平衡： NT N K
5.1
压气机的稳流特性
压气机的特性是指压气机的性能参数（ K ， K 等）与工作参数 K ， nK ， p1 ， T1 ）之间的关系 （m 一、压气机的主要参数 压气机的工作情况由以下四个工作参数决定： K （1）流过压气机的空气流量 m （2）压气机的转速 nK （3）压气机的进口总压 p01 （4）压气机的进口总温
3 1 3 p4 T 3 RT3 1 m T mT 3 1 p 3
5.4 涡轮变工况特性预测（自学）
5.5 涡轮特性的简化计算方法
增压内燃机的配合计算， 要求精确的数值表示涡轮特性。 若根据前述的曲线拟合理论将涡轮特性用高次多项式表 示出来，工作量大。 按照涡轮特性曲线变化特性曲线变化特点，可以用较简 单的数学公式表示涡轮特性
一、涡轮特性的简化解析式
单级涡轮效率 T 曲线可以近似用一个二次抛物线表示
T 2 (5.5.1) T max 0 0 式中 0 —设计工况的速比 引入修正系数后， T 曲线的一般表达式可写为
T a 2a a 1 T max 0 0 这样，某一膨胀比 T 的涡轮效率曲线可用一对数值（ T max ， 0 ）
5.2
压气机特性的数值表示（续）
二、分析计算法
基于曲线拟合和函数逼近理论 K 和 K 的二 压气机特性图上等效率 K 和等转速 nK 曲线都是随 m 元函数，分析计算法就是根据特性图上已知点的数据寻找一条近 似的曲线来反映数据的实际变化规律，拟合过程中不要求曲线通 过所有的已知点，而只要求曲线能反数据的基本趋势 采用最常用的曲线拟合方法是最小二乘法 关于二元函数的最小二乘拟合法等已有完善的程序可用 徐士良， 《Fortran 常用算法程序集》 ，清华大学出版社
式中： pE 为进气管总压； p0 为环境压力； p2 为进气管路的总压 降； p1 为吸气管或滤清器中的总压降 若忽略压降
K
p2 pE p1 p0
2．流量 ——表征压气机通流能力 由以下四种表示形式 （m3/s） K （kg/s）或容积流量 V （1）质量流量 m 1 压气机稳定运行时，质量流量恒定不变，进口状态下 K m K RT1 m V1 1 p1 K T1 m V （2）流量相似参数 ， 1 p1 T1 为了使压气机特性不受进口条件限制 ） cor ， V （3）换算流量（ m 1cor 压气机工作或试验可能在不同大气条件下进行，为了便于比 较需将试验结果换算到标准大气条件下（ p0 ， T0 ）
T01 当这四参数独立变化时，压气机的性能也随之变化
两个特性参数： （1）增压比 K ； （2）等熵效率 K
1．压比 K （出口压力与进口压力之比）
p1 ， p2 —进、出口静压
p01 ， p02 —进、出口总压，下表“0”表示滞止
本书中 K
p02 略去“ p p p2 0” 2 E p01 p1 p0 p1
1 p2 T1 1 p 1 h2 s h1 h2 h1 T2 T1
K
此外，也可用无因次参数 （压力系数）作为压气机结构及流 动完善程度的指标 D2 n K 2h2 s h1 u ，式中 2 2 60 u2