離心式壓氣機(jī)的原理與設(shè)計(jì)(1)

1、1第三章離心式壓氣機(jī)的原理與設(shè)計(jì)(1)渦輪增壓技術(shù)渦輪增壓技術(shù)2離心式壓氣機(jī)的原理與設(shè)計(jì)離心式壓氣機(jī)的原理與設(shè)計(jì)(1)n 概述n 壓氣機(jī)的熱力學(xué)過程n 空氣在進(jìn)口段中的流動(dòng)n 空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)n 空氣在葉輪中流動(dòng)時(shí)的損失3概述概述-壓氣機(jī)的作用與要求壓氣機(jī)的作用與要求n壓氣機(jī)的作用是預(yù)先壓縮進(jìn)入氣缸的空氣，以提高進(jìn)入氣缸的氣體密度。n增壓器要求壓氣機(jī)的尺寸小，尺寸小才能保證便于安裝；重量輕，重量輕可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)總重，轉(zhuǎn)子重量輕還可以提高增壓器的響應(yīng)速度，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性；效率高，壓氣機(jī)效率高可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油耗；特性的可工作范圍廣，這是車用增壓器對壓氣機(jī)最為重要的要求之一，因?yàn)檐囉冒l(fā)動(dòng)機(jī)

2、的工況變化頻繁，且變化范圍大，只有壓氣機(jī)的可工作范圍廣，才能保證增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)的良好匹配。4概述概述-壓氣機(jī)的構(gòu)造壓氣機(jī)的構(gòu)造(1)n壓氣機(jī)級由進(jìn)口、工作葉輪、擴(kuò)壓器、集氣器（渦殼）四部分組成。5概述概述-壓氣機(jī)的構(gòu)造壓氣機(jī)的構(gòu)造(2)n壓氣機(jī)進(jìn)口段總是設(shè)計(jì)成圓柱形或者圓錐收縮段。6概述概述-壓氣機(jī)的構(gòu)造壓氣機(jī)的構(gòu)造(3)n進(jìn)口段的作用是引導(dǎo)氣流更好地進(jìn)入工作葉輪，以減少進(jìn)口處的流動(dòng)損失和擾流強(qiáng)度。7概述概述-壓氣機(jī)的構(gòu)造壓氣機(jī)的構(gòu)造(4)n有的壓氣機(jī)進(jìn)口還帶有回流裝置以擴(kuò)大流量范圍。n左圖為HOLSET增壓器。8概述概述-壓氣機(jī)的構(gòu)造壓氣機(jī)的構(gòu)造(5)n工作葉輪由輪盤及其上的葉片組成。用螺母

3、將其緊固在渦輪軸上。氣流沿著輪盤、外殼和葉片組成的通道流動(dòng)。并在這一過程中，將從旋轉(zhuǎn)葉輪吸收的機(jī)械功轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫?勢能)及速度(動(dòng)能)。工作葉輪是壓氣機(jī)最主要的零件，它的好壞對級的特性起了決定性的影響。對它的要求主要是，效率要高；強(qiáng)度要好，因?yàn)橹挥腥~輪強(qiáng)度好，壓氣機(jī)才能達(dá)到較高的壓縮壓力。9概述概述-壓氣機(jī)的構(gòu)造壓氣機(jī)的構(gòu)造(6)n擴(kuò)壓器，空氣從工作輪出來后，具有很高的氣流速度，也即具有很大的動(dòng)能。這部分動(dòng)能約占葉輪加功量的25%-50%。因此，為有效地利用這一部分的能量，必須把這部分的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，以達(dá)到提高空氣壓力的目的。為此，在葉輪后裝有擴(kuò)壓器，把氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成壓力能。n擴(kuò)壓器一般可

4、分為無葉擴(kuò)壓器和葉片擴(kuò)壓器兩種，對車用渦輪增壓器來說，一般使用無葉擴(kuò)壓器。無葉擴(kuò)壓器由兩片光滑的圓盤壁構(gòu)成，盤壁之間可以互相平行，也可成一定錐角。10概述概述-壓氣機(jī)的構(gòu)造壓氣機(jī)的構(gòu)造(7)n壓氣機(jī)渦殼的背面。渦殼的主要作用是收集從擴(kuò)壓器出來的空氣，并將空氣送到燃燒室或其它設(shè)備中去。11概述概述-壓氣機(jī)內(nèi)的氣體流動(dòng)過程壓氣機(jī)內(nèi)的氣體流動(dòng)過程nA 進(jìn)口段nC 工作葉輪內(nèi)氣體參數(shù)nD 擴(kuò)壓器內(nèi)的氣體參數(shù)nE 集氣器(壓氣機(jī)渦殼)段n分析各個(gè)階段氣流參數(shù)的變化。12概述概述-壓氣機(jī)的主要性能參數(shù)壓氣機(jī)的主要性能參數(shù)n壓比c：c= p4/p1 即為壓氣機(jī)出口壓力和進(jìn)口壓力之比。如果進(jìn)出口壓力均寫成總壓

5、，則兩者之比稱為總壓壓比，寫成 c*= p4*/p1*一般可將壓氣機(jī)出口壓力p4記成pc。n質(zhì)量流量Mc：單位時(shí)間內(nèi)通過壓氣機(jī)的氣體質(zhì)量。流量越大，要求壓氣機(jī)的工作輪直徑越大。n絕熱效率cad：每單位質(zhì)量的空氣在壓縮到一定壓比時(shí)，所需的絕熱功與實(shí)際壓縮功之比。記為： cad=Wad/W。13概述概述-級的概念級的概念n壓氣機(jī)的“級”：指的是由進(jìn)口段、工作葉輪、擴(kuò)壓器、及集氣器這幾部分組成的一個(gè)壓縮空氣的完整過程，并稱之為一級壓氣機(jī)。如果多級串聯(lián)起來工作，則稱為多級壓氣機(jī)。14壓氣機(jī)的熱力學(xué)過程壓氣機(jī)的熱力學(xué)過程n在理想絕熱壓縮過程中，壓氣機(jī)內(nèi)的氣體流動(dòng)沒有流動(dòng)阻力（Wr=0）， 也沒有和外界介

6、質(zhì)熱交換(Qout=0)，因此，每千克空氣壓縮到預(yù)定的壓氣機(jī)出口壓力時(shí)，所消耗的功由工程熱力學(xué)知識可知，其可寫成式3-1。-壓氣機(jī)的絕熱壓縮功壓氣機(jī)的絕熱壓縮功)(1) 1(11411TTRkkRTkkWadkkcad(3-1)15壓氣機(jī)的熱力學(xué)過程壓氣機(jī)的熱力學(xué)過程n上式也可根據(jù)理想壓縮過程寫成滯止參數(shù)的表達(dá)式，如式3-2所示。如果，壓氣機(jī)的進(jìn)出口氣流速度很接近，即c1約等于c4，此時(shí)的絕熱壓縮功就可寫成式3-1。這是經(jīng)常用的表達(dá)式。雖然它與式3-2的差別在于僅忽略了占比例很小的動(dòng)能差值，但在實(shí)際的試驗(yàn)與測量中卻很方便，其靜壓也較易測得準(zhǔn)確。-絕熱壓縮功的滯止形式絕熱壓縮功的滯止形式2)()

7、(11212414*1*41*1*4*1*ccTTCTTCppRTkkWadpadpkkad(3-2)16壓氣機(jī)的熱力學(xué)過程壓氣機(jī)的熱力學(xué)過程圖3-3 氣體理想絕熱壓縮過程的p-v圖和T-s圖-理想絕熱壓縮功的理想絕熱壓縮功的p-vp-v圖和圖和T-sT-s圖圖17壓氣機(jī)的熱力學(xué)過程壓氣機(jī)的熱力學(xué)過程圖3-4 氣體多變壓縮過程右的p-v圖和T-s圖-實(shí)際多變過程的實(shí)際多變過程的p-vp-v圖和圖和T-sT-s圖圖n從p-v圖上可以看出，多變壓縮功比理想絕熱壓縮功多一塊面積Wv，從T-S圖上可以看到和流動(dòng)阻力功所對應(yīng)的發(fā)熱量Wr。18壓氣機(jī)的熱力學(xué)過程壓氣機(jī)的熱力學(xué)過程-實(shí)際壓縮功的計(jì)算公式實(shí)際

8、壓縮功的計(jì)算公式n由工程熱力學(xué)知識知道多變過程過程的實(shí)際壓縮功如上式所示。 11)(1*1*1*4*nncpRTkkTTCW(3-3)19壓氣機(jī)的熱力學(xué)過程壓氣機(jī)的熱力學(xué)過程-多變過程的技術(shù)功多變過程的技術(shù)功n多變過程的技術(shù)功，由圖3-4積分得到，-vdp 111*1*nncnRTnnW(3-4)20壓氣機(jī)的熱力學(xué)過程壓氣機(jī)的熱力學(xué)過程-多變指數(shù)的推導(dǎo)多變指數(shù)的推導(dǎo)nW*=Wad*+ Wv + Wr=Wn* +WrnWn* = Wad*+ Wvn由上式可以推出實(shí)際過程的平均多變指數(shù)。*1*411TTRWkknnr(3-6)21空氣在進(jìn)口段中的流動(dòng)空氣在進(jìn)口段中的流動(dòng)-進(jìn)口的形式進(jìn)口的形式(1)

9、(1)n車輛用增壓器的進(jìn)口型式一般為圓錐形或圓柱形，圖3-6(a)。極少部分的進(jìn)口采用預(yù)扭葉片，以擴(kuò)大壓氣機(jī)的流量范圍。22空氣在進(jìn)口段中的流動(dòng)空氣在進(jìn)口段中的流動(dòng)-進(jìn)口的形式進(jìn)口的形式(2)(2)23空氣在進(jìn)口段中的流動(dòng)空氣在進(jìn)口段中的流動(dòng)-氣體參數(shù)的計(jì)算氣體參數(shù)的計(jì)算221ainrincWin為損失系數(shù)，可取 0.05 0.10*0*111TTRWkknnrRkkcTT1221011010111nnTTpp24空氣在進(jìn)口段中的流動(dòng)空氣在進(jìn)口段中的流動(dòng)-進(jìn)口氣流角進(jìn)口氣流角n以葉輪旋轉(zhuǎn)軸為中心軸，作圓柱面切割葉輪，然后展開，可以得到如左所示的葉輪進(jìn)口處的速度三角形的圖。n葉片安裝角g1,30

10、-35n進(jìn)口氣流角1n氣流沖角i，3-5n i=g1- 125空氣在進(jìn)口段中的流動(dòng)空氣在進(jìn)口段中的流動(dòng)-進(jìn)口氣流速比進(jìn)口氣流速比nca1葉輪進(jìn)口處的氣流軸向分速度nu2葉輪外直徑處的圓周速度n一般情況下，當(dāng)i為2-3時(shí)，選取ca1/u2為0.25-0.3；當(dāng)i為4-5時(shí)，選取ca1/u2為0.30-0.35。211uccaa26空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)-葉輪的結(jié)構(gòu)葉輪的結(jié)構(gòu)(1)(1)鑄造葉輪毛坯，帶長短葉片27空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)-葉輪的結(jié)構(gòu)葉輪的結(jié)構(gòu)(2)(2)五軸銑床銑削葉輪，一般用于大直徑的葉輪制造28空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)-葉輪的結(jié)構(gòu)葉輪的結(jié)

11、構(gòu)(3)(3)葉輪平衡去重位置29空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)-導(dǎo)風(fēng)輪與工作葉輪導(dǎo)風(fēng)輪與工作葉輪n離心式壓氣機(jī)葉輪由導(dǎo)風(fēng)輪和工作葉輪兩部分組成。導(dǎo)風(fēng)輪將流入氣體由軸向轉(zhuǎn)為徑向；工作葉輪使氣體由內(nèi)向外作徑向流動(dòng)。通常將直徑方向尺寸基本不變的一段叫做導(dǎo)風(fēng)輪。n車輛用增壓器由于壓氣機(jī)葉輪小型化及采用精密鑄造工藝，而將導(dǎo)風(fēng)輪和工作葉輪鑄成一個(gè)整體，并統(tǒng)稱壓氣機(jī)葉輪。30空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)-導(dǎo)風(fēng)輪的進(jìn)口安裝角導(dǎo)風(fēng)輪的進(jìn)口安裝角(1)(1)n由葉輪進(jìn)口處的速度三角形可得如左的公式。當(dāng)氣流是軸向進(jìn)氣時(shí)，可認(rèn)為軸向速度ca1沿半徑方向不變，葉輪進(jìn)口處在不同半徑上的圓周速度u1是不相等

12、的，因而流入葉輪的相對速度w1的方向和大小，亦隨半徑而改變。21211ucwa1111tanuca31空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)-導(dǎo)風(fēng)輪的進(jìn)口安裝角導(dǎo)風(fēng)輪的進(jìn)口安裝角(2)(2)n由上頁可知，隨著半徑的增加，速度u1增加，因而相對速度w1也增加，但氣流的進(jìn)口角1卻減少。所以，根據(jù)這樣的變化規(guī)律，導(dǎo)風(fēng)輪的進(jìn)口安裝角，應(yīng)設(shè)計(jì)成外徑處角度較小，而內(nèi)徑處角度較大。n由上頁公式還可看出，如果導(dǎo)風(fēng)輪進(jìn)口處的外徑過大，就會引起該處的相對速度w1過大，使得相對馬赫數(shù)Mw1接近或大于1，這將在氣流中產(chǎn)生激波，而使波阻損失增加。因?yàn)轳R赫數(shù)Mw1對葉輪的效率和流量范圍有較大的影響，故應(yīng)限制相對速度w1值，

13、一般應(yīng)使其小于0.8-0.9。32空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)-工作葉輪的形式工作葉輪的形式(1)(1)n工作葉輪是壓氣機(jī)的主要工作元件。它將外界輸入的機(jī)械功傳遞給空氣而成為氣體的狀態(tài)能和動(dòng)能，使流過葉輪的空氣，其溫度、壓力與速度均有顯著的提高。按造型的不同，工作葉輪可區(qū)分為如上所示開式、半開式及閉式三種。目前車用渦輪增壓器多應(yīng)用半開式。33空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)-工作葉輪的形式工作葉輪的形式(2)(2)n開式工作葉輪：摩擦損失和流動(dòng)阻力很大，葉輪效率最低。易產(chǎn)生振動(dòng)，不宜在高轉(zhuǎn)速下工作。n半開式工作葉輪：摩擦損失和流動(dòng)阻力較開式的小，效率較高。有一定的剛度和強(qiáng)度，允許在

14、較高的圓周速度下工作。n閉式工作葉輪：其摩擦損失及流動(dòng)阻力均最小，效率最高。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，以及輪蓋在旋轉(zhuǎn)時(shí)會對葉片產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，其強(qiáng)度較差，不宜于在高速旋轉(zhuǎn)工況下使用。34空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)-工作葉輪的形式工作葉輪的形式(3)(3)n壓氣機(jī)工作葉輪的葉片形狀，也可分為前彎、徑向、后彎三種，如上圖所示。(a)前彎葉片，(b)徑向葉片，(c)后彎葉片。35空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)-工作葉輪的形式工作葉輪的形式(4)(4)n前彎葉片，工作葉輪可將較多的能量傳遞給空氣，但是，這部分多出來的能量是以增加葉輪出口處的氣流速度的方式，即增加動(dòng)能的方式傳遞給空氣，因而必須

15、經(jīng)過葉輪之后的擴(kuò)壓段，和渦殼通道才能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能。由于擴(kuò)壓段及渦殼中的效率較低，這種形式的葉輪降低了壓氣機(jī)的級效率。n目前用的極少。36空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)-工作葉輪的形式工作葉輪的形式(5)(5)n徑向葉片，它有高于前彎葉片的級效率及較高的強(qiáng)度，還可以通過提高其圓周速度獲得較高的增壓壓力，因此曾在車輛增壓器中得到普遍的采用。n后彎葉片，工作輪傳遞給空氣的能量少，但能保證氣流在出口處的流動(dòng)較均勻，在擴(kuò)壓器及渦殼中的流動(dòng)損失也較小。因而它與徑向葉片的葉輪相比，壓氣機(jī)的級效率可提高3%-4%，使用的流量范圍擴(kuò)大約40%。后彎葉片在目前的增壓器中得到最廣泛的應(yīng)用。37空氣在葉輪

16、內(nèi)的流動(dòng)空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)-葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)(1)(1)n假定空氣在進(jìn)入葉輪前的狀態(tài)和流速是均勻的。這樣，當(dāng)空氣進(jìn)入葉輪通道之后，被葉輪帶著作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在離心力的作用下，被拋向葉輪的邊緣；由于葉片通道間作扇形擴(kuò)張，空氣在其中的相對速度逐漸減少而壓力逐漸增大。空氣在葉輪中的運(yùn)動(dòng)，是由葉輪的牽連旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及沿著葉輪通道內(nèi)的相對速度合成。38空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)-葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)(2)(2)n可以假設(shè)空氣在葉輪通道中的流動(dòng)，是徑向流動(dòng)速度wr和環(huán)流速度wu的矢量和。環(huán)流速度wu是假設(shè)空氣在進(jìn)入葉輪前為無渦流動(dòng)，因而當(dāng)空氣進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的葉輪時(shí)，環(huán)流速度wu

17、就使空氣對葉輪產(chǎn)生一個(gè)與旋轉(zhuǎn)方向相反的環(huán)流。也就是說，將葉輪扇形面積中的氣體，看成為一個(gè)剛體被葉輪帶動(dòng)，而作平移無旋的運(yùn)動(dòng)。urwww39空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)-葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)(3)(3)n環(huán)流速度wu的大小僅與葉輪旋轉(zhuǎn)角速度及幾何尺寸D2及D0和葉片數(shù)z有關(guān)，與氣體的流量無關(guān)。如果葉輪的結(jié)構(gòu)尺寸選擇不當(dāng)，就可能出現(xiàn)Wu值過大，葉輪通道內(nèi)形成反向流動(dòng)，出現(xiàn)渦腔，使流動(dòng)損失急劇增加。0202112/DDzDDwu40空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)-壓力面與吸力面壓力面與吸力面n左圖表示由于環(huán)流的影響，在半徑r處氣流的相對速度w及壓力p的分布情況。葉片壓向氣流

18、的一側(cè)，稱工作面，離開氣流的一側(cè)，稱吸力面或非工作面。工作面上的氣體壓力增大而流速降低，吸力面上氣體的壓力減少而流速增大。由于兩個(gè)葉片表面上存在壓力差，在旋轉(zhuǎn)時(shí)，形成輪對軸的阻力扭矩。41空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)-葉輪出口速度三角形葉輪出口速度三角形n左圖為葉輪出口處的氣流速度三角形，絕對速度c2是相對速度w2與牽連速度u2的矢量之和，牽連速度就是葉輪外圓周的切線速度。如果葉輪的葉片數(shù)為無限多，并且葉片無限薄，則w2在葉輪出口處就沿徑向流出。由于葉片數(shù)目是有限的，故氣體的質(zhì)量慣性，就使得w2產(chǎn)生逆旋轉(zhuǎn)方向的偏轉(zhuǎn)。42空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)-葉輪出口的速度關(guān)系葉輪出口的速度關(guān)系n，定義為功率系數(shù)。對前彎葉片甚至可能大于1，后彎葉片的值小于徑向葉片的。2212212tantanucccrur22/ucu43空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)空氣在葉輪內(nèi)的流動(dòng)-空氣在葉輪中流動(dòng)時(shí)的損失空氣在葉輪中流動(dòng)時(shí)的損失空氣在葉輪中流動(dòng)時(shí)