第二章涡轮增压器

分类：变截面蜗壳、 等截面蜗壳。
变截面蜗壳
截面面积沿周向越接近出口越大，流动损失 小，效率较高。
外形尺寸小，应用广泛
等截面蜗壳
流通截面沿周向不变，截面面积按压气机最 大流量确定。
流动损失大，效率低。
蜗壳截面形状与出口形式
2.1.2 压气机工作原理
2.1.2.1 压气机中空气状态的变化
但是扩压器和蜗壳效率低， 因此压气机效率低。
涡轮增压器不采用
径向叶片叶轮
叶片径向分布，不弯曲。 压气机效率比前弯叶片高，
比后弯叶片低。 刚度和强度最好，能承受较
高的圆周速度。
在增压比较低的涡轮增压器中得到较多应用
后弯叶片叶轮
叶片逆旋转方向弯曲。 做功能力最小。 空气压力的提高大部分都在
第二章 涡轮增压器与中冷器
2.1 离心式压气机
压气机分轴流式与离心式 离心式亚及其结构紧凑、质量轻，在较宽的
流量范围内能保持较好的效率，且对于小尺 寸压气机，效率优于轴流式。 涡轮增压器一般都采用离心式压气机。
2.1.1 离心式压气机的结构
进气道 1 叶轮 2 压气机蜗壳 3 扩压器 4
进气道——渐缩—— 少部分的压力能转化为 动能——Pa略有下降， 速度Ca略有上升， 温度Ta随之降低。
2.1.2.1 压气机中空气状态的变化
压气机叶轮—— 叶轮对空气做功—— 空气的压力、温度、 速度都上升。
2.1.2.1 压气机中空气状态的变化
扩压器流通截面渐扩 ——气体部分动能转化为 压力能——空气速度下降，
分类：
无叶扩压器 叶片扩压器
无叶扩压器
无叶扩压器是一环形通道。 气流在该通道中近似沿对数螺旋线的轨迹运
动，气流流动轨迹在任意直径处与切向的夹 角基本不变。 缺点：气流流动路线长，损失大，效率低， 出口流通面积小，扩压能力低。 优点：流量范围宽，结构简单，制造方便。 应用：经常处于变工况运行的小型涡轮增压 器。
叶轮中完成，因此效率高， 应用较多。
前弯后曲式叶轮（后掠式叶轮）
叶片沿径向后弯的同时向旋转方向钱倾。 压气机效率高，高效范围广。
2.1.1.3 扩压器
作用：将压气机叶轮出口的高速空气的动能 转变为压力能。
效率：
叶轮出口空气动能转换为压力能的转化量 扩压器效率=
定熵过程动能转化为压力能的转化量
2.1.2.3 压气机的主要性能参数
增压比 空气流量 定熵效率 转速
增压比
压气机进口和出口的气体压力之比
b
pb p1
空气流量
单位时间内流经压气机的空气质量，kg/s 当压气机工作的环境状态不同于标准大气状
态时，其空气流量也不同。因此常用相似流 量或者折合流量代替。 相似流量：以马赫数作为相似准则推导出的 无量纲流量。 折合流量：将非标准大气状态下的流量折合 成标准大气状态下的流量。
2.1.1.1 进气道
将外界空气导向压气机叶轮。 渐缩形 分轴向进气道和径向进气道两种
为什么要做成渐缩形？
提示：流速增加，压力减小！
2.1.1.2 压气机叶轮
将涡轮提供的机械能转变为空气的压力能和 动能。
分为导风轮和工作叶轮两部分
导风轮
叶轮入口的轴向部分，叶片入口向旋转方向 前倾，直径越大处前倾越多。
涡轮增压器上较少采用
半开式压气机叶轮
只有轮盖，性能介 于开式与闭式之间。
结构相对简单，制 造方便，且强度和 刚度都较高。
涡轮增压器中应用广泛
星形压气机叶轮
在半开式叶轮的轮 盘边缘叶片之间挖 去一块，减轻了叶 轮质量，减小了叶 轮应力，并保证了 一定的刚度，能承 受很高的转速。
多在小型涡轮增压器中应用
特点：尺寸小、质量轻，结构简单，成本低 适用于经常处于变工况条件下工作的增压器
有叶喷嘴环：由喷嘴叶片和环形底板形成径 向收敛的通道。
整体铸造式 装配式
2.2.3 涡轮的工作原理
进气壳——膨胀、加速 喷嘴环——压力、温度降低，速度达到最大 叶轮——气体动能转化为机械能
原理
当废气通过工作叶 轮叶片时，由于气 流转弯的离心作用 和气流对叶片的反 作用力，叶片凹面 压力提高，凸面压 力减小；
压力升高，温度随压力 升高。
2.1.2.1 压气机中空气状态的变化
压气机蜗壳——动能 进一步转化为压力能 ——空气速度下降， 压力、温度上升。
压气机空气状态分析的要点
压气机中只有叶轮对空气做功，其他部件不 做功，仅存在工质能量的转化。
若不计传热损失，进气道出口空气总能量与 进气道进口空气总能量相同，即进气道出口 空气滞止温度等于环境空气滞止温度。
以焓与a点相同
2.1.2.2 压气机中的焓熵图
压气机定熵做功叶 轮出口滞止状态
压气机实际出口 状态2的滞止状态
压气机定熵做功 叶轮出口状态
4s*与1*两点间的焓 差即为定熵过程压气
机的压缩功
叶轮对空气做功， 空气压力升高
压气机出口 空气的动能
实际的定熵 压缩功
结论：Wb>Wabd，定熵过程耗功最少！
扩压器和蜗壳中空气总能量等于叶轮出口处 空气总能量，即叶轮出口处、扩压器出口处 和蜗壳出口处的滞止温度相同。
2.1.2.2 压气机中的焓熵图
环境状态：进 气道入口处的
滞止状态a
进气道出 口状态1
a——1有流动损失， 因此熵增；出口滞止 压力p1低于进口滞 止压力p1*
1*为进气道出口处的 滞止状态，因绝热，所
作用：使气流以尽量小的撞击进入叶轮。
压气机叶轮的分类（根据轮盘的结构形式）
开式压气机叶轮
没有轮盘，流动损失大，叶轮效率低； 叶片刚性差，易振动。
涡轮增压器上较少采用
闭式压气机叶轮
既有轮盘又有轮盖， 流道封闭，流动损 失小，叶轮效率高；
结构复杂，制造困 难；
在叶轮高速旋转时 离心力大，强度差。
2.2.2 蜗轮的结构
进气壳 喷嘴环 工作叶轮 排气壳
2.2.2.1 轴流式涡轮的结构
进气道渐缩
对于径向进气或者切向进气，多采用变截面 通道，沿周向渐缩，以使进气均匀。
根据不同需要，进气壳有单进气口和多进气 口之分。多进气口进气壳各个通道之间有隔 墙，按均分的弧段各自进气。有的还设轴承 支承和润滑油腔，有的还带冷却水夹层。
压气机的定熵效率
将气体压缩到一定增压比时，压气机的定熵 耗功和实际耗功之比
压气机转速
由于压气机与涡轮同轴，所以压气机转速即 涡轮转速，统称为增压器转速。
在相同做功能力下，转速越高，叶轮的尺寸 就可以越小。
为了不同环境状态下的通用性，也用相似转 速和折合转速来代替。
2.1.3 离心式压气机的特性
叶片扩压器
在环形通道中加上若干导向叶片，使气流沿 叶片通道流动。
气流流动路线短，流动损失小，效率高。 叶片形成的通道使气流的流通面积迅速增大，
扩压能力强，尺寸小。 缺点：当流量偏离设计工况，叶片入口气流
将撞击叶片，使效率急剧下降。
叶片扩压器
2.1.1.4 压气机蜗壳
作用：收集从扩压器 出来的空气，将其引 导到发动机的进气管； 同时进一步将扩压器 出来的空气的动能转 化为压力能，有一定 的扩压作用。
其压力差推动工作 叶轮旋转
沿涡轮工作叶片表面的压力分布
轴流式涡轮级中气 体参数变化和速度三角形
1-工作叶片； 2-喷嘴叶片
C1——气体由喷嘴流出的绝对速度； W1——气流流入叶轮的相对速度； U——叶轮的旋转线速度； C2——气体在叶轮出口处的绝对速度；
涡轮进气包括前部进气和后部进气，大多采 用前部进气，防止压气机端过热。
喷嘴环
喷嘴环由一排固定的 叶片形成的一组渐缩形 通道。 喷嘴环叶片截面形状： 机翼形、平板形
轴流式废气涡轮示意图
1-工作叶轮；2-喷嘴环；3-废气入口； 4-轮盘；5-轴
叶轮
由装在轴上的轮盘和 装在轮盘周缘的一排叶片 组成。 叶片一般焊接在轮盘上 少数大型涡轮增压器 采用可拆卸的枞树形榫 头镶嵌在轮缘槽内。
2.1.3.2 压气机产生喘振的原因
当流量减少到一定程 度时，压气机工作开 始变得不稳定，流过 压气机的气流开始强 烈的脉动，使压气机 叶片产生强烈振动， 出口压力显著下降， 而且有可能造成压气 机的破坏。我们把这 种现象称为压气机喘 振。
导风轮入口
气流绝 Hale Waihona Puke Baidu速度
导风轮圆周 速度
气流流入导风 轮的相对速度
2.2.1.2 按燃气在涡轮中焓降的分配分类
冲击式涡轮：燃气的能量（压力、温度）在喷嘴中 全部转化为动能，完全依靠燃气动能在工作叶片通 道中转弯产生的离心力对叶轮的冲击力矩推动涡轮 叶片做功。在叶轮中，燃气不再膨胀，气体压力不 变，因此在叶轮中焓降为零。
反力式涡轮：燃气的能量一部分在喷嘴中膨胀转化 为动能，利用冲击力矩做功；另一部分在工作叶轮 通道中继续膨胀，转化为动能的同时一空气流与叶 片相对速度增加所产生的反作用力推动涡轮做功。 这种涡轮气流速度低，叶片弯曲程度小，流动损失 小，效率高。高增压比的涡轮增压器都采用。
压力降低， 气流倒灌
转速一定、流量变化时，叶片扩压器内气 体的流动情况
（a）设计流量时； （b）大于设计流量时； （c）小于设计流量时
流量一定时，转速的变化是否 也能引起喘振？
2.1.3.3 压气机性能曲线形状的成因
定熵过程增压比特性和 效率特性呈水平线a-a 非定熵过程，其流动 损失包括摩擦损失和撞 击损失 流量越大，流速越大 摩擦损失越大，b-b 流量偏离设计流量余越 大，撞击损失越大,A-c
2.1.2.2 压气机中的焓熵图
由于扩压器与蜗壳 不做功，因此其出 口状态的滞止焓相
等
蜗壳出口状 态
扩压器出口 状态
压气机实际耗功计算公式：
W bH 2 *H 1 *cp(T 2 *T 1 *)
工质的定压比热容
压气机定熵过程耗功计算公式： W ab d H 2 * s H 1 *cp(T 2 * s T 1 *)
轴流式涡轮
涡轮体积大 流量范围宽 大型涡轮增压器上普遍采用
径流式涡轮
具有较大的单级膨胀比 结构紧凑、质量轻、体积小 在小流量范围内涡轮效率高 叶轮强度好，能承受很高转速 在中、小型涡轮增压器上应用广泛
混流式涡轮
燃气沿与涡轮轴倾斜的锥形面流过叶轮。 性能介于轴流式和径流式之间
压气机叶轮的分类（按叶片的长短）
全长叶片叶轮
叶轮进口流动损失小，效率高 对于小直径叶轮，进口处气流阻塞较为严重
长短叶片叶轮
小型涡轮增压器多采用
压气机叶轮的分类（按叶片沿径向的弯曲 形式）
前弯叶片
叶片沿径向向旋转方向弯曲。
对空气的做功能力最强。
主要增加空气动能，对压力 能增加较少，要求空气的动 能更多的在扩压器和蜗壳中 转化为压力能。
排气壳
通常排气壳内有一段扩压环 作用是导流和回收从动叶出口的部分余速
2.2.2.2 径流式涡轮的结构
多采用切向进气（流动损失小） 进气通道数量：单通道、双通道和三通道 常压增压采用单通道 脉冲增压采用双通道或者三通道 双通道有分360°全周进气和180°分隔进
气
喷嘴环
无叶喷嘴环：与涡轮壳做成一体，构成无叶 蜗壳。
流量一定时，增压 比和效率有一最大值， 流量增大或者减小， 增压比和效率都降低。
喘振
当流量减小到某一 数值时，压气机出现不 稳定流动状态。气流发 生强烈的低频振动，引 起叶片振动，产生很大 的噪声。——压气机 的喘振。
阻塞
当流量增大到某一 数值时，增压比和效率 均急速下降。——压气机 的阻塞。 叶轮入口或者扩压器 入口这些局部喉口处， 气流速度达到当地声速。
2.2 涡轮
把发动机的废气能量转化为机械功来驱动压 气机叶轮的一种原动机。
轴流式废气涡轮示意图 1-工作叶轮；2-喷嘴环；3-废气入口；
4-轮盘；5-轴
2.2.1 分类
按照气体在涡轮中的流动方向分类
轴流式涡轮 径流式涡轮：废气由蜗壳引入喷嘴环中，再从
工作叶轮外缘流向中心（径向）， 混流式涡轮
离心式压气机的主要性能参数随压气机运行 工况的变化而变化；
压气机的主要性能参数在各种工况下的相互 关系曲线称作压气机的特性曲线。
2.1.3.1 压气机的特性曲线
压气机的特性曲线：不 同转速下，增压比和定 熵效率随流量的变化关 系——流量特性。
绘制方法
在ηk-Gk曲线上，作 许多ηk=常数的水平 线，每条水平线与不 同转速时的各效率曲 线相交（这些交点效 率相等），再把这些 交点对应地移到增压 特性线，并分别把它 们连结起来。