涡轮增压论文

学校编码：15014 分类号密级

学号：*********** UDC

本科毕业论文(设计)

涡轮增压的设计与优化

学生姓名：刘*

所属院部：物理与电子信息工程学院

专业：物理学

指导教师：王*

二零一四年六月十一日

涡轮增压的设计与优化

刘洋学号：10131270125

赤峰学院物理与电子信息工程院，赤峰024000

摘要：本文介绍了涡轮增压的原理以及实际当中的设计，在涡轮增压实际中遇到的问题针对输出反应滞后及叶轮改进提出了一些优化方案。

关键词：涡轮增压；压气机；优化

引言

汽车是通过内燃机内部引燃来发动车子，在现有的各种限制下，发动机的设计几乎已经达到了极限，怎样还可以继续增加车子的马力呢？涡轮增压就是针对这种需求提出的设计，涡轮增压这个词对于爱车的人来说很是熟悉。

废气涡轮增压是涡轮和空气压缩器一起构成的空气压缩机。它是通过压缩空气即增大空气的密度来提高发动机进气量的一种装置。当发动机的活塞转速加快时，废气排出的就越多。涡轮转速也同步加快。图1是我在新发布的菲特汽车中拍的涡轮增压器。可以看到它不是很复杂很大的一个器件，但是就是这个器件改变了车子的性能。

图1发动机与涡轮增压实物图

涡轮增压虽然可以提高汽车的性能，但并不是所有的车型都适用的。即便是使用到了涡轮增压，也是因车而议的。本文首先介绍涡轮增压（压气机）的原理，然后针对具体设计中遇到的问题提出一些优化方案。

一、涡轮增压的原理（压气机）

涡轮增压是增压发动机中最常见的增压系统之一。它是利用压气机的原理所制成的。涡轮增压是压气机的一种，原理和压气机是一样的。压气机有很多种，工作压力范围也很广。本文所介绍的是利用废气体推动涡轮中的叶片高速旋转，带动压气机端的叶轮旋转，之后再利用扩压管石高速运动的气流降低流速来提高压力，实现气体的压缩。

对于压气机来讲，其进气和排气的流动能量及重力位能都可忽略不计。据稳定流动能量方程式，可得到压气机中能量转换的关系

()()12s c q h h w =-+

式中，()s c w 是压气机的轴功。假设压气过程是理想的过程，也就是没有摩擦等能量的耗散则按轴功的表示式可以得到

()()2

2

11221

1

s c w pdv p v p v vdp =+-=-⎰⎰

即压气机压气过程的轴功等于压缩过程的容积变化功和进气、排气推动功的代数和。如下图所示，在p v -图2上，12s -是绝热过程的压缩过程曲线，12T -是等温过程的压缩过程曲线，除外两条曲线中间的12n -是多变过程的压缩过程曲线。各曲线左侧所包围的面积是压气机压气过程的轴功。由图可以看到，压气机轴功最大的是绝热过程的曲线，最小的是等温过程的曲线。在使用压气机时，越接近等温过程的曲线，功耗越少，相反接近绝热过程功耗增加。实际工作中，压气机的工作频率很大，来不及和外界进行充分的热量交换，近似看做是绝热过程。这就说明，为了是压气机更好的工作，必须引入冷却设置。同时，冷却设置在使工作过程接近等温过程的同时，温度的降低，也有利于润滑剂保持良好的性能。当然，实际的冷却不能达到理想的冷却效果，实际过程都是介于等温和绝热之间的多方过程，即12n -。

图2不同压缩过程的耗功和温度升高的对比示意图

当压缩过程是12s -曲线时，根据压气机中能量转换的关系可以得到压气机压气过程消耗的轴功为

()12,s s c w h h =-

当压气机压缩的工质是理想气体且比热容可作为定值时，绝热压缩的压气过程的轴功还可表示为

()()012,s p c s w c T T =- ()()1211221

1

g R T T p v p v κκκκ=

-=

---

当压缩过程为12T -曲线时，按照式可以得到压气机压气过程消耗的轴功为

()(

)

2

1

111,1

22

ln

ln s g g c s P v w vdp R T R T P v =-

==⎰

当压缩过程为12n -曲线时，按式轴功的表达式可以得到压气机压气过程消耗的轴功为

()(

)

()2

1122,11

s c n n

w vdp

p v p v n =-=

--⎰ 111111n n p n p v p n -⎡⎤⎛⎫⎢⎥=- ⎪

-⎢⎥

⎝⎭⎣⎦

1

2

1

1

1

1

n n

g

p

n R T

p

n

-

⎡⎤

⎛⎫

⎢⎥

=- ⎪

-⎢⎥

⎝⎭

⎣⎦

但是在现实中压气机的效率不能达到全部，总是会存在摩擦、扰动等一些问题有待于解决。则我们会采取冷却措施，提高压气机的效率。这就是涡轮增压的基本原理。那实际生活当中我们汽车中安装的涡轮增压器是怎样设计的，由以下内容来简单讲述。

二、实际生活中常见涡轮增压的设计

涡轮增压设计是较为精密的，但它的结构其实是比较简单的。涡轮增压装置主要是由涡轮室和增压器组成。

图3涡轮增压系统实物图

涡轮增压包括涡轮部分和压缩机部分。如图4 所示

图4 涡轮增压原理示意图

清楚了解涡轮增压原理的工作顺序。如图5所示：

图5涡轮增压系统工质原理图

涡轮增压的主要的部件描述如下：

1. 涡轮增压器

涡轮增压器是涡轮增压系统中最重要最核心的部件，正因为它的外形十分相像与蜗牛背上的壳，故因此而得名。涡轮增压器的基本结构可以分为进气口、排气口和中间的管道连接构成了涡轮增压器的基本结构。

2．涡轮轴

涡轮轴图6

我们可以看到图6的涡轮轴只是一根简单的金属管。但实际上它是一个肩负12万到16万转的精密零件。因为它需要承受很大的压力和极高的温度，所以它的加工和材料需要特殊的工艺，也是涡轮厂最为核心的技术。

3. 涡轮叶轮

涡轮和叶轮的形状一般为直片或者是弯片，据实际情况来确定用直片还是弯片。

4．压气机叶轮

压气机叶轮的动力来源是叶片。压气机叶轮的首要任务基本上是如何将空气有效的挤入压缩通道。我们根据不同的工作状况来决定叶轮的形状。

5. 进气旁通阀

进气旁通阀一般又称为“进气泄压阀”。它安装在靠近节气门的进气管上，它是大部分涡轮增压发动机出厂时原配的泄压装置。

涡轮增压能够提升发动机的动力，现阶段的设计中它也有一些不可避免的问题，其中最常