内燃机增压技术(2)..

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第二章 离心式压气机 §2-1 离心式压气机工作过程分析
1.离心式压气机结构简图及工作过程
第二章 离心式压气机 §2-1 离心式压气机工作过程分析
空气沿进气道(1)进入工作轮(2),沿着工作 轮上叶片所构成的通道流动,由于工作轮中空气随工 作轮一起旋转,因此受到离心力的作用,使空气压缩, 这时压力从P1增加到P2,气流速度从C1增加到C2, 空气在工作轮中的压缩及其速度增加是由于驱动工作 轮的机械功转化而来的 。在扩压器(3)中,把工作 轮流出的空气动能转为压力能,空气速度从C2降低 到C3,压力从P2增加到P3,空气经扩压器后,进入 出气蜗壳(4),在出气蜗壳中空气动能继续转变为 压力能,压力进一步升高到P4,速度降低到C4。
c1 w 1 u 1
第二章 离心式压气机 §2-2 压气机工作轮结构及气流运动分析
假设:进气为轴向进气时,气流的绝对速度 C1 的圆周分 量C1u 0 ,此时 C1a C ,这时可认为沿整个截面 1-1的绝对速 1 度场是均匀的,但由于圆周速度(牵连速度) u1 沿半径变化而 变化,因此相对速度w1 在截面1-1上也沿半径发生变化。 任意半径r处的圆周速度为
w2r / u2 0.2 ~ 0.35
第二章 离心式压气机 §2-2 压气机工作轮结构及气流运动分析
2.3 工作轮出口的气流分析及参数的确定
2.3.1 功率系数
定义:
由于工作轮叶片通道内环流运动的影响,使叶轮出口相对 速度 w2 向反叶轮旋转方向偏斜,因而绝对速度 c2 也向增加气流 角 2 的方向偏斜,这样速度c2 的圆周分量就减小了,工作轮的 作功能力也就随之减小,一般采用功率系数 来衡量环流运动 对叶轮作功能力的影响大小,功率系数计算式为:
离心式压气机工作过程分析

• •
从T-S图看出,多变压缩功大于等熵压缩 功,即:
Wr Wkn Wks
Wr -----热阻功:因克服流动阻力消耗的功在
压缩过程中几乎全转变为热量,对气体进行了 补充加热,导致实际压缩功增加。
第二章
§2-1
离心式压气机
离心式压气机工作过程分析
3.压气机的主要工作参数 • 1) 增压比 • 定义:压气机出口气流压力与进口气流压力之比。 它是压气机最主要的工作指标 。
后弯
第二章
离心式压气机
§2-2 压气机工作轮结构及气流运动分析
涡轮增压器中最主要采用的三种工作轮的特点。 1)径向半开式工作轮 (1)强度、刚度好,允许较高的圆周速度,叶轮转递给 空气的能量大,能获得较高的增压压力; (2)制造简单,效率低。
(3)在涡轮增压器中应用最广,特别是在中、高增压时。
第二章
2.1理想状态
空气从压气机进口状态a(Pa,Ta)被等熵压缩至出口 状态4s(,),这时所需的等熵压缩功为 : 4 s dp Wks (2-1) a
• 利用等熵压缩过程的气体状态方程式 pV K p K const (常数) •
dp const k ( k 1)d
第二章 离心式压气机 §2-2 压气机工作轮结构及气流运动分析
2.2.3速度与压力的变化特征 空气在工作轮叶道内的流动 w ,可认为是空气以相对速 度的平均值wm作径向流动和空气以速度wC作环流运动的两种 运动相加的结果。
w wm wC
第二章 离心式压气机 §2-2 压气机工作轮结构及气流运动分析
第二章 离心式压气机 §2-2 压气机工作轮结构及气流运动分析
• 由于工作叶片压力面一边的环流速度和径向速度是反向 的,当两者关系不合适时,有可能出现 wC wm ,从而引起 叶轮通道中的气流倒流,这种倒流产生很大的流动阻力。

为了防止倒流,叶轮出口相对速度径向分速 w2 r 和圆周速 度 u2 应保持合适的比值。
Wkn

4
a
dp百度文库/
(2-3)
第二章
§2-1
离心式压气机
离心式压气机工作过程分析
将多变过程方程式
dp const n
代入(2-3)式,整理后得
( n 1)
d
Wkn nR T4 Ta / n 1
n---多变指数,与流动阻力有关。
第二章
§2-1
离心式压气机
2 2 c4 ca 式中:进气速度Ca与出口速度C4基本接近,故 0 2g
4
压气机消耗的总功主要用于气体的压缩功 a 服流动阻力损失 Wr
dp

,和克
第二章
§2-1
离心式压气机
离心式压气机工作过程分析
(1)等熵效率 定义:压气机等熵压缩功和消耗的总功之比
ks Wks / Wp
当忽略压气机进、出口的气流动能差时,故
2.2.1气体流动与离心力变化特点
空气在工作轮叶道内的流动是有粘性、可压缩、三元不稳 定流动。质量为 dm 的气体微元体在旋转的叶道内的离心力为:
u2 dF r dm dm r
2
沿叶轮进口至出口,半径r逐渐增大,气体微元体的离心力 也逐渐增大。离心力的增加是气体压力增加的主要因素,离心 式压气机因此得名。
1

k 1 k

k 1
(2 2)
R---气体常数
k ---增压比
第二章
§2-1
离心式压气机
离心式压气机工作过程分析
2.2 实际状态
压气机的实际压缩过程是伴随着流动阻力损失和热量交换 的,是沿着熵增加的方向进行的。过程线a-4表示了该多变压 缩过程,为了便于进行多变压缩过程(实际)和等熵压缩过程 (理想)比较,通常认为两种压缩过程具有相同的初、终压。 这时实际压缩过程的终点4(P4、T4)和等熵压缩过程的终点 4s(P4、)在同一根等压线P4上。 多变压缩功为:
p4 k pa
• P4---压气机出口气流压力 气机进口气流压力)
Pa------环境压力(压
第二章
§2-1
离心式压气机
离心式压气机工作过程分析
• 2) 流量 • 定义:单位时间内流过压气机气体的重量或体积。 • 每一台压气机在一定的流量范围内,用给定增压 比下,其最大流量 Gmax和最小流量 Gmin之比来表示,一 般
第二章
离心式压气机
§2-2 压气机工作轮结构及气流运动分析
2.2.2 工作轮结构变化特征 为使部分动能变为压力能,现有的压 气机工作轮多采用扩压流道,叶片通道截 面从进口至出口逐渐增大,相对速度 w2 则 逐渐减小,即叶轮出口相对速度小于进口 相对速度 w1 ,虽然采用扩压流道会增加 流动阻力,但能使叶轮出口的静压力增加, 但对于提高压气机的增压比是有利的。
c1a c1a tg 1 u1 r
(2-7)
第二章 离心式压气机 §2-2 压气机工作轮结构及气流运动分析
根据(2-7)式,可以看出: ①气流入口角 1 是沿半径增加而减小 的,在叶轮进口外径处 1 值为最 小;
第二章 离心式压气机 §2-2 压气机工作轮结构及气流运动分析
② 从(b)图可以看出,如果叶片进口构造 角 1B 为90°,则气流按 1 角以速度 w1 进入叶轮时,必然和叶片前缘发生撞击, 致使气流脱离叶片。 一般将叶片前缘做成扭转的,其扭 转方向与 u1 方向相同,这时气流能平顺 地进入叶轮通道,减少了气流与叶片撞 击引起的损失,如图(c)。
T4 s Ta ks T4 Ta
在涡轮增压器中压气机等熵效率一般为0.70-0.85。
第二章
§2-1
离心式压气机
离心式压气机工作过程分析
(2)多变效率 定义:压气机多变压缩功和消耗的总功之比
kn Wkn / Wp
当忽略压气机进、出口的气流动能差时,故
kn
n (n 1) n(k 1) k (k 1) k (n 1)
D2 ---压气机工作轮外径
对增压器来说,工作转速一般控制在每分钟几万 转至十几万转,个别压气机最高转速达20万转/分以 上。
第二章
§2-1
离心式压气机
离心式压气机工作过程分析
4)效率 压气机消耗的总功为
2 2 2 2 c c c c k Wp dp Wr 4 a R(T4 Ta ) 4 a a 2g k 1 2g 4
增压压力较高,广 泛使用于小型涡轮增 压器中。
第二章
离心式压气机
§2-2 压气机工作轮结构及气流运动分析 2 .工作轮中气流运动 2.1 工作轮进口的气流运动 为了分析工作轮进口截面1-1处的气流运动。以半径为r的圆柱 面切割叶轮。使圆柱面轴心线与叶轮轴线重合,将得到的切面 在平面上展开。得到:在截面 b),气流 1-1处,任一点(如图 的绝对速度 C1是相对速度 w1和牵连速度 u1的矢量和。即:
• 式中: ---气体比重 k---等熵指数
第二章
§2-1 将dp代入(2-1)式,整理后有
离心式压气机
离心式压气机工作过程分析
kR T4 s Ta Wks k 1
又由于
P4 s k 1 k T4 s Ta ( ) Pa
Wks KRTa k
P4 S k Pa
由于多变压缩功大于等熵压缩功,故:
ks (0.97 ~ 0.99)kn
第二章
离心式压气机
§2-2 压气机工作轮结构及气流运动分析
1. 工作轮结构及工作特性
压气机工作轮由导风轮和叶轮组成,工作轮是压气 机最重要的元件,涡轮传输给压气机的功能通过工作轮 传给空气,从而使工作轮出口处的空气压力和绝对速度 都大大增加,以达到增压的目的。
Gmax Gmin 3 ~ 4.5
• 压气机的流量范围决定了它适用的柴油机功率范 围,流量范围越宽,其适用的发动机机功率范围愈 大。
第二章
§2-1
离心式压气机
离心式压气机工作过程分析
3) 转速 定义:压气机工作轮每分钟的转速称为压气机转速。
60u2 nk D2
u2 ---压气机工作轮外端线速度
离心式压气机
§2-2 压气机工作轮结构及气流运动分析
2)后弯闭式工作轮 (1)工作轮传递给空气的能量较少,而空气压 力的提高是在叶轮内完成的;
(2)工作轮出口的气流较均匀; (3)低增压时,采用此种增压方式。
第二章
离心式压气机
§2-2 压气机工作轮结构及气流运动分析
3)开式工作轮 叶轮对称地去掉 一部分,从而减少了 叶轮的应力,能承受 很高的转速。
第二章
§2-1
离心式压气机
离心式压气机工作过程分析
2.压气机的等熵压缩功分析
压气机的作用是提高 气体的压力。并应在消 耗功为最少的情况下达 到预规定的压力值。在 各种条件下,等熵压缩 所消耗的功最小,故把 等熵压缩功Wks作为衡量 实际压缩过程好坏的尺 度。
第二章
§2-1
离心式压气机
离心式压气机工作过程分析
u1 r
其中
(2 5)
---叶轮旋转的角速度 u1 ---叶轮进口处半径上任一点处的圆
周速度
第二章 离心式压气机 §2-2 压气机工作轮结构及气流运动分析 任意半径处的相对速度为
w1 (c12 u12 ) (c12 (r ) 2 ) (2-6)
在轴向进气时 C1a C1 const ,当叶轮转速一 w1 定时, 随半径r的增加 const ,故根据(2-6)式, 而增大,这时气流的入口角 1按下式确定:
第二章 离心式压气机 §2-2 压气机工作轮结构及气流运动分析
③ 因为气流角 1 随半径增加而减小, 1B 所以叶片构造角 也应随半径增 加而减小,即叶轮前缘扭转的程度 随半径增加而增加,这样损失最小。
第二章
离心式压气机
§2-2 压气机工作轮结构及气流运动分析
2.2 工作轮流道内的气流运动分析
由于流道宽度上的相对速度分布不均匀,气体压力分布也 不均匀,在给定的工作轮叶轮半径 r 上,工作叶轮的角速 度 const,流道内空气比重 不变,则空气相对运动,据伯
努利方程:
p / r w2 / 2g const
相对速度w 大的地方,则压力P 就小,反之则亦然。对于工 作轮每一个叶片的两面,压力面上的压力大于速度面上的压力 而形成了压差,整个叶轮各叶片每边压力差之和就产生了工作 轮旋转时必须克服的阻力矩。
导风轮
叶轮
第二章
离心式压气机
§2-2 压气机工作轮结构及气流运动分析
压气机工作轮由导风轮和叶轮组成。其中, 叶轮按结构形式分为:闭式、半开式、开式 三种:
闭式
半开式
开式
第二章
离心式压气机
§2-2 压气机工作轮结构及气流运动分析
压气机按工作轮叶片转向不同分为:前 弯叶片、径向叶片、后弯叶片:
前弯
径向
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