增壓技術(shù)(2)市公開(kāi)課一等獎(jiǎng)省賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

1第三章

離心式壓氣機(jī)原理與設(shè)計(jì)(2)渦輪增壓技術(shù)

增壓技術(shù)(2)第1頁(yè)2離心式壓氣機(jī)原理與設(shè)計(jì)(2)壓氣機(jī)功率系數(shù)μ葉輪效率與流體效率葉輪出口處空氣狀態(tài)參數(shù)確實(shí)定擴(kuò)壓器集氣器（渦殼）壓氣機(jī)特征增壓技術(shù)(2)第2頁(yè)3壓氣機(jī)功率系數(shù)實(shí)際葉輪傳遞給空氣能量和含有沒(méi)有限多葉片假想葉輪傳遞給空氣能量比值。---功率系數(shù)定義和意義增壓技術(shù)(2)第3頁(yè)4壓氣機(jī)功率系數(shù)功率系數(shù)μ與葉輪葉片數(shù)z及葉輪相對(duì)幾何尺寸，主要是葉片相對(duì)長(zhǎng)度rm1/r2相關(guān)。左為葉輪含有徑向葉片時(shí)計(jì)算功率系數(shù)卡尚特然經(jīng)驗(yàn)公式。---影響原因與經(jīng)驗(yàn)公式(1)增壓技術(shù)(2)第4頁(yè)5壓氣機(jī)功率系數(shù)依據(jù)卡尚特然公式計(jì)算μ與葉輪葉片數(shù)z及葉輪葉片相對(duì)長(zhǎng)度rm1/r2關(guān)系如左圖所表示。由圖中能夠看出：z越大，μ越大；rm1/r2越?。ㄈ~片相對(duì)長(zhǎng)度越大），μ也越大---影響原因與經(jīng)驗(yàn)公式(2)增壓技術(shù)(2)第5頁(yè)6壓氣機(jī)功率系數(shù)μ值也可依據(jù)葉片數(shù)來(lái)選取。上表中，z=29數(shù)值是依據(jù)理論拋物線而得出，實(shí)際上當(dāng)z>=20時(shí)，μ值增加是極平緩，故μ=0.92可認(rèn)為是實(shí)際上最大值。---經(jīng)驗(yàn)取值(1)z24710141629μ0.520.670.770.820.870.890.92增壓技術(shù)(2)第6頁(yè)7壓氣機(jī)功率系數(shù)在實(shí)際葉輪設(shè)計(jì)中，葉片數(shù)z也經(jīng)常依據(jù)不一樣葉輪直徑來(lái)確定，其經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如上表。能夠看出伴隨葉輪直徑增大，葉片數(shù)增多，這是因?yàn)閷?duì)于小直徑葉輪，假如葉片數(shù)太多，則會(huì)形成阻塞。新型渦輪增壓器中，z比上表所給數(shù)據(jù)要小一些。---經(jīng)驗(yàn)取值(2)D2606575100z12141618增壓技術(shù)(2)第7頁(yè)8葉輪效率與流體效率葉輪效率η2定義：葉輪內(nèi)氣體總焓升H2*與葉輪有效功We之比。葉輪效率表征葉輪工作完善程度。---葉輪效率(1)增壓技術(shù)(2)第8頁(yè)9葉輪效率與流體效率葉輪最高效率約為0.85-0.93，后彎葉片時(shí)可達(dá)0.94-0.95；當(dāng)?shù)竭_(dá)πc=3-3.5時(shí)，η2顯著降低，而且壓氣機(jī)特征線也變得愈加陡峭。所以，設(shè)計(jì)高增壓比壓氣機(jī)，其任務(wù)之一就是將葉輪效率，提升到0.90-0.92水平。---葉輪效率(2)增壓技術(shù)(2)第9頁(yè)10葉輪效率與流體效率壓氣機(jī)級(jí)絕熱壓縮功Wad與葉輪圓周速度為u2時(shí)，所取得最大總絕熱壓縮功Wadmax之比，定義為壓氣機(jī)流體效率，也可稱為壓力頭系數(shù)。流體效率表征葉輪能夠完成做功程度。---流體效率增壓技術(shù)(2)第10頁(yè)11擴(kuò)壓器擴(kuò)壓器作用是將由葉輪番出氣體動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫?勢(shì)能)。擴(kuò)壓器可分為有葉和無(wú)葉兩種。普通講，有葉擴(kuò)壓器最高效率值較大，然而能適應(yīng)流量范圍卻較窄；無(wú)葉擴(kuò)壓器最高效率值較低，而效率曲線隨流量改變較平緩，故能適應(yīng)較寬流量范圍。---擴(kuò)壓器分類增壓技術(shù)(2)第11頁(yè)12擴(kuò)壓器車輛發(fā)動(dòng)機(jī)所使用增壓器，經(jīng)常在一個(gè)很寬范圍內(nèi)工作，因而多采取無(wú)葉擴(kuò)壓器。無(wú)葉擴(kuò)壓器也稱縫隙式擴(kuò)壓器，由兩片光滑圓盤壁組成。盤壁之間能夠相互平行，也可成一定錐角。---無(wú)葉擴(kuò)壓器增壓技術(shù)(2)第12頁(yè)13擴(kuò)壓器若D4/D3>1.8-1.9時(shí)，壓力增加并不很顯著，而流程摩擦損失將急劇增加，所以選取直徑比不可過(guò)大。在0.85<b4/b3<1.15時(shí)，擴(kuò)壓器最高效率實(shí)際上沒(méi)有改變，為制造方便，通常選b4/b3=1。---無(wú)葉擴(kuò)壓器尺寸增壓技術(shù)(2)第13頁(yè)14擴(kuò)壓器進(jìn)行第二次或?qū)掖蔚?jì)算。---無(wú)葉擴(kuò)壓器出口參數(shù)計(jì)算這里多變指數(shù)普通取1.7-2.0。增壓技術(shù)(2)第14頁(yè)15集氣器---形狀(1)增壓技術(shù)(2)第15頁(yè)16集氣器---形狀(2)增壓技術(shù)(2)第16頁(yè)17集氣器---形狀(3)渦殼截面形狀能夠有很各種，以梨形損失最小，但各種形狀相差不大，所以在設(shè)計(jì)時(shí)更多地是考慮尺寸上小型化。近年來(lái)逐步多采取鴨蛋形截面渦殼能得到最小外形尺寸。增壓技術(shù)(2)第17頁(yè)18壓氣機(jī)特征---定義壓氣機(jī)特征：以轉(zhuǎn)速為參變量，壓氣機(jī)壓比和效率隨流量改變關(guān)系，稱之為壓氣機(jī)特征。利用壓氣機(jī)流量特征曲線，就能夠判斷壓氣機(jī)本身性能是否優(yōu)越及其工作范圍大小，還可利用它與發(fā)動(dòng)機(jī)耗氣特征相配合，來(lái)檢驗(yàn)壓氣機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配是否合理。增壓技術(shù)(2)第18頁(yè)19壓氣機(jī)特征---形狀(1)右圖為國(guó)內(nèi)富源渦輪增壓器壓氣機(jī)流量特征曲線。橫坐標(biāo)流量，縱坐標(biāo)壓比，參變量轉(zhuǎn)速，縱向曲線為等效率線。喘振線堵塞線增壓技術(shù)(2)第19頁(yè)20壓氣機(jī)特征---形狀(2)霍尼韋爾(Honeywell)企業(yè)GT15V增壓器壓氣機(jī)特征曲線。增壓技術(shù)(2)第20頁(yè)21壓氣機(jī)特征---形狀(3)左圖表達(dá)了壓氣機(jī)特征曲線畫(huà)法。先依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別畫(huà)出效率-流量圖和壓比-流量圖，然后將兩圖如左所表示排列，在效率圖上作和橫軸平行線，將其和效率線交點(diǎn)投影到壓比圖上，就能夠在壓比-流量圖上作出等效率圈，從而完成壓氣機(jī)特征曲線繪制。增壓技術(shù)(2)第21頁(yè)22壓氣機(jī)特征---工作范圍(1)以壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速為參變量每一條等轉(zhuǎn)速線上，都有最小允許工作流量極限值，稱為喘振點(diǎn)。在喘振點(diǎn)上及小于喘振點(diǎn)流量時(shí)，壓氣機(jī)中氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈振蕩，葉片振動(dòng)，并伴有很大噪音。所以無(wú)法正常工作。將不一樣等轉(zhuǎn)速線上喘振點(diǎn)相連，就成為喘振線。每一條等速線都有最大流量極限，大于流量極限值范圍稱為阻塞區(qū)。壓氣機(jī)在靠近阻塞區(qū)工作時(shí)，其絕熱效率急劇下降，故普通使壓氣機(jī)工作于絕熱效率大于60%以上流量范圍之內(nèi)。增壓技術(shù)(2)第22頁(yè)23壓氣機(jī)特征---工作范圍(2)壓氣機(jī)不能在流量低于或靠近于喘振線時(shí)工作，也不能在阻塞區(qū)及絕熱效率低于60%處長(zhǎng)久運(yùn)轉(zhuǎn)。將阻塞區(qū)附近且絕熱效率大于等于60%流量稱為最大流量，將喘振點(diǎn)流量稱為最小流量，二者之比值Qmax/Qmin越大，壓氣機(jī)能夠正常工作范圍越大，就越符合車用增壓器要求。增壓技術(shù)(2)第23頁(yè)24壓氣機(jī)特征---喘振(1)喘振時(shí)，流經(jīng)壓氣機(jī)氣流出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，在進(jìn)口處出現(xiàn)氣體逆流現(xiàn)象，在出口處氣流壓力出現(xiàn)強(qiáng)烈脈動(dòng)，強(qiáng)烈喘振極易引發(fā)葉片或軸承損壞。增壓技術(shù)(2)第24頁(yè)25壓氣機(jī)特征---喘振(2)當(dāng)進(jìn)入壓氣機(jī)空氣流量偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)，在葉輪進(jìn)口邊緣就會(huì)產(chǎn)生氣體分離現(xiàn)象。圖a表示設(shè)計(jì)流量值，圖b表示流量較大時(shí)，這時(shí)候在葉片凹面產(chǎn)生分離，但因?yàn)槿~片運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)抑制了分離所產(chǎn)生渦流深入發(fā)展，所以氣流分離只局限于進(jìn)口邊緣。轉(zhuǎn)速不變、流量改變所引發(fā)氣流進(jìn)口角改變?cè)鰤杭夹g(shù)(2)第25頁(yè)26壓氣機(jī)特征---喘振(3)圖c所示為流量較小時(shí)情況，在葉輪進(jìn)口處葉片非工作面(葉背)部分產(chǎn)生分離。此時(shí)，一方面氣流由于在葉背部分加速流動(dòng)，壓力降低，其次由于氣流慣性使得它有離開(kāi)葉背傾向，因而渦流迅速擴(kuò)展到壓氣機(jī)其它部分。轉(zhuǎn)速不變、流量改變所引發(fā)氣流進(jìn)口角改變?cè)鰤杭夹g(shù)(2)第26頁(yè)27壓氣機(jī)特征---分析(1)一條等轉(zhuǎn)速壓氣機(jī)特征線，其形狀為中間最高，兩端曲線向下，即在某一流量時(shí)，壓比和絕熱效率為最大值。在理想條件下，假如壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速不變，有效功完全用來(lái)壓縮空氣，提升壓比，此時(shí)壓氣機(jī)壓比與流量無(wú)關(guān)，等轉(zhuǎn)速特征線是一條水平線，如左所表示a-a。增壓技術(shù)(2)第27頁(yè)28壓氣機(jī)特征---分析(2)在實(shí)際過(guò)程中，必定有一部分功用來(lái)克服摩擦損失和撞擊損失等。摩擦損失伴隨流量增大而增大，計(jì)及摩擦損失壓比線如左上圖b-B-b所表示。對(duì)于撞擊損失而言，在設(shè)計(jì)點(diǎn)，壓氣機(jī)進(jìn)口處氣流方向與葉片前緣安裝角方向基本重合，幾乎在無(wú)撞擊情況下流入葉片。而在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下，撞擊損失增大。再計(jì)及撞擊損失后壓比線如左上圖A-B-c所表示。增壓技術(shù)(2)第28頁(yè)29增壓技術(shù)(2)第29頁(yè)30AsmassflowreducesFORTHESAMESPEED,inletaxialvelocitydecreaseshenceinletflowdoesn’talignwellwiththebladeangle.Eventually,likeanaircraftwingflyingatahighangleofattack,theflowontheupperbladesurface‘stalls’AsmassflowreducesFORTHESAMESPEED,thewheeloutletflowbecomesmoretangentialandeventuallydoesnothavesufficientmomentuminaradialdirectiontogetintothediffuser.Asaconsequenceofthis,theoutletflowcanre-circulateMidmap,inletflowalignswithinletbladeanglesMidmap,wheeloutletflowentersthediffuserwithenoughmomentumtoovercometheradiallyincreasingpressuregradient.“Surge”isacomplexphenomenonrelatedtoinducerstallandwheeloutletflowrecir