徑流式渦輪的原理與設(shè)計

徑流式渦輪的原理與設(shè)計演示文稿1現(xiàn)在是1頁\一共有58頁\編輯于星期六徑流式渦輪的原理與設(shè)計2現(xiàn)在是2頁\一共有58頁\編輯于星期六徑流式渦輪的原理與設(shè)計(1)徑流式渦輪的特點徑流式渦輪的熱力學(xué)過程渦輪蝸殼與噴嘴環(huán)渦輪葉輪現(xiàn)在是3頁\一共有58頁\編輯于星期六軸流渦輪介紹渦輪一般分為軸流式渦輪、混流渦輪和徑流渦輪。軸流式渦輪適用于大流量，以獲得較好的效率。在大型的船用柴油機或機車用柴油機上的渦輪增壓器一般采用軸流式渦輪?，F(xiàn)在是4頁\一共有58頁\編輯于星期六徑流式渦輪的特點徑流式離心渦輪氣流流向是由中心向外緣流動。由于工作輪出口處的圓周速度很大，余速損失大，渦輪效率低，葉輪強度低，目前很少應(yīng)用。---徑流渦輪介紹(1)徑流式離心渦輪現(xiàn)在是5頁\一共有58頁\編輯于星期六徑流式渦輪的特點在目前的車用發(fā)動機及其它功率不是很大的動力設(shè)備中渦輪增壓器主要采用徑流向心式渦輪。氣流流向是由輪緣流入中心，余速損失小，且在小流量下有較大的葉高，氣體的膨脹功大部分是通過焓降直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功，有較高的渦輪效率。---徑流渦輪介紹（2）徑流式向心渦輪現(xiàn)在是6頁\一共有58頁\編輯于星期六徑流式渦輪的特點渦輪部件渦輪箱噴嘴/導(dǎo)葉葉輪---徑流渦輪介紹（3）渦輪箱噴嘴葉輪現(xiàn)在是7頁\一共有58頁\編輯于星期六徑流式渦輪的特點---徑流渦輪介紹（4）渦輪箱單入口雙入口現(xiàn)在是8頁\一共有58頁\編輯于星期六徑流式渦輪的特點小流量條件下（<2.5kg/s）效率比軸流式渦輪高單級膨脹比大，相同尺寸渦輪的功率較大葉片數(shù)少，結(jié)構(gòu)較簡單葉輪堅固，許用轉(zhuǎn)速高---徑流渦輪優(yōu)點(1)現(xiàn)在是9頁\一共有58頁\編輯于星期六徑流式渦輪的特點徑流式渦輪能在較寬廣的工作范圍內(nèi)保持高效率。向心渦輪對于動葉的氣動要求較低，即使葉片的幾何形狀制造得不太精確，葉片表面的粗糙度較差，渦輪的效率也不會受到太大的影響。這使我們在制造葉輪時，有可能采用比較簡單的，高效率的工藝。此外，在運行中動葉表面的積垢也不會引起太大的問題。---徑流渦輪優(yōu)點(2)現(xiàn)在是10頁\一共有58頁\編輯于星期六徑流式渦輪的特點渦輪輪盤全部與燃?xì)饨佑|，受熱面積大，轉(zhuǎn)子內(nèi)溫度梯度大，零件熱應(yīng)力大。徑流式渦輪用在脈沖增壓系統(tǒng)中，對發(fā)動機掃氣有不良影響。因為掃氣時發(fā)動機排氣壓力波焓降較小，渦輪內(nèi)氣體受離心力作用，有反流傾向，使掃氣背壓升高。---徑流渦輪缺點(1)現(xiàn)在是11頁\一共有58頁\編輯于星期六徑流式渦輪的特點隨著現(xiàn)代車用動力對動力性、經(jīng)濟性、排放特性等要求的不斷提高，渦輪增壓技術(shù)也不斷向高轉(zhuǎn)速、小型化、大容量方向發(fā)展，使得徑流渦輪的設(shè)計比轉(zhuǎn)速越來越高。然而高比轉(zhuǎn)速下徑流渦輪葉輪出口損失增加，從而導(dǎo)致渦輪效率下降。---徑流渦輪缺點(2)現(xiàn)在是12頁\一共有58頁\編輯于星期六混流渦輪介紹(1)混流渦輪由于其葉輪結(jié)構(gòu)能很好地適應(yīng)氣流的轉(zhuǎn)折，因而其流場速度分布比徑流渦輪理想，使得混流渦輪在高比轉(zhuǎn)速下能保持高的渦輪效率?，F(xiàn)在是13頁\一共有58頁\編輯于星期六混流渦輪介紹(2)混流渦輪由于葉輪進口速度具有軸向分量，因此可以在保持徑向直葉片的同時得到正的葉輪進口角，使渦輪峰值效率點的u/c0低于傳統(tǒng)徑流渦輪的設(shè)計點值，這一點適應(yīng)了現(xiàn)代車用渦輪增壓技術(shù)高壓比、高膨脹比、小型化的發(fā)展方向，并且可以更有效地利用發(fā)動機排氣能量。目前已有混流渦輪在工程實際中得到良好應(yīng)用的不少實例現(xiàn)在是14頁\一共有58頁\編輯于星期六本課程渦輪部分所講內(nèi)容本課程將只講述徑流渦輪的原理與設(shè)計。一來，目前車用渦輪增壓器中，混流渦輪還占多數(shù)。二來，混流渦輪的流動過程和徑流渦輪比較相似?，F(xiàn)在是15頁\一共有58頁\編輯于星期六徑流式渦輪的熱力學(xué)過程徑流式渦輪由渦殼、噴嘴環(huán)葉片或無葉渦殼、葉輪等組成。具有一定壓力、溫度和速度的燃?xì)馐紫冗M入渦殼，由渦殼將燃?xì)庖驀娮飙h(huán)葉片或無葉噴嘴環(huán)，使氣體膨脹加速，氣體以α1的方向從噴嘴環(huán)流出，速度增大到c1，壓力和溫度分別降至p1和T1，氣體以相對速度w1進入圓周速度為u1旋轉(zhuǎn)葉輪。---流動過程(1)現(xiàn)在是16頁\一共有58頁\編輯于星期六徑流式渦輪的熱力學(xué)過程氣體在葉輪內(nèi)繼續(xù)膨脹做功。氣體從葉輪內(nèi)流出時，其壓力降到p2，溫度降到T2。葉輪出口處氣流相對葉輪流動的速度為w2，其絕對速度為c2，圓周速度為u2。由于氣體的能量在葉輪中大部分已轉(zhuǎn)變成葉輪功，因此c2顯然小于c1。為減小余速損失應(yīng)盡可能使c2沿葉輪軸線方向流出，使α2為90度---流動過程(2)現(xiàn)在是17頁\一共有58頁\編輯于星期六徑流式渦輪的熱力學(xué)過程在噴嘴環(huán)中，每千克氣體的絕熱焓降為：在渦輪葉輪中氣體的絕熱焓降為：整個渦輪級的氣體絕熱焓降為：---焓熵圖現(xiàn)在是18頁\一共有58頁\編輯于星期六徑流式渦輪的熱力學(xué)過程在渦輪級內(nèi)，噴嘴環(huán)與葉輪之間的焓降分配以反力度ρ表示，其定義為葉輪中絕熱焓降對級的絕熱焓降之比。如果氣體的膨脹僅發(fā)生在噴嘴環(huán)中，葉輪前后的氣體壓力不變，葉輪中焓降為零，則ρ為0，這樣的渦輪稱為沖擊式渦輪。如果氣體的膨脹既發(fā)生在噴嘴環(huán)中又發(fā)生在渦輪葉輪中，則稱反應(yīng)式渦輪。車用渦輪增壓器都采用反應(yīng)式渦輪，其反力度在0.45~0.55之間。---反力度現(xiàn)在是19頁\一共有58頁\編輯于星期六徑流式渦輪的熱力學(xué)過程如果沒有熱交換及其他能量損失，渦輪級在絕熱理想情況下膨脹，由T*狀態(tài)膨脹到2ad狀態(tài)的焓降，稱為可用焓降HTad，這表示1kg燃?xì)饫碚撋峡勺龅墓ΑＳ捎跍u輪中存在各種損失及渦輪出口速度不為0，實際有效焓降hT小于可用焓降,兩者之比稱為渦輪的絕熱效率。---絕熱效率現(xiàn)在是20頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪渦殼與噴嘴環(huán)---無葉渦殼與有葉渦殼(1)現(xiàn)在是21頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪渦殼與噴嘴環(huán)---無葉渦殼與有葉渦殼(2)無葉渦殼結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小。對于小型車用渦輪增壓器來說，無葉渦殼可提高渦輪級效率。無葉渦殼特性平坦，適合渦輪在變工況條件下工作。無葉渦殼具有脈沖轉(zhuǎn)換器的作用。無葉渦殼工作噪音小。早期的有葉渦殼噴嘴葉片位置不可變，適應(yīng)的流量范圍較窄，對于車用不是十分適合?，F(xiàn)在的有葉渦殼大多用在可調(diào)渦輪增壓器上，噴嘴葉片位置可變，它可使發(fā)動機與增壓器獲得更為良好的匹配?？烧{(diào)渦輪增壓器需要更為細(xì)致及精確的控制系統(tǒng)。現(xiàn)在是22頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪渦殼與噴嘴環(huán)---無葉渦殼的設(shè)計(1)無葉渦殼設(shè)計較為復(fù)雜，無葉渦殼內(nèi)氣流具有三元性質(zhì)，擬定精確計算時，存在著許多困難，為了便于實際簡化計算，特做如下假設(shè)：流經(jīng)渦殼的氣體為理想氣體，無粘性。在渦殼流道與葉輪進口之間的環(huán)形通道內(nèi)，氣流分布是均勻的。在無葉渦殼流道內(nèi)氣體流動是穩(wěn)定的，并認(rèn)為從渦殼進口到每個截面的氣體密度是不變的?，F(xiàn)在是23頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪渦殼與噴嘴環(huán)---無葉渦殼的設(shè)計(2)以左圖所示的圓形流道截面形狀的單流道無葉渦殼為例，推導(dǎo)渦殼的計算方法。從無葉渦殼的入口截面A0到出口截面A1，氣體的流動應(yīng)滿足連續(xù)性方程：對不可壓縮流體現(xiàn)在是24頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪渦殼與噴嘴環(huán)---無葉渦殼的設(shè)計(3)對于渦殼流道的各截面，根據(jù)位能渦流等環(huán)量定律，有如下方程：對于不可壓流體，α0很小，對于不可壓流體，上兩式可進一步寫為：現(xiàn)在是25頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪渦殼與噴嘴環(huán)---無葉渦殼的設(shè)計(4)根據(jù)無葉渦殼的幾何尺寸關(guān)系可得：由以上三式可知，無葉渦殼的外形尺寸主要取決于c0/c1。c0/c1被稱為加速系數(shù)。通過渦輪的熱力計算，在一些參數(shù)如d1，b1/d1，α1和l/b1確定之后，可以通過查一些圖表或計算來確定c0/c1。從而確定r0和d0。c0/c1的確定?，F(xiàn)在是26頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪渦殼與噴嘴環(huán)---無葉渦殼的設(shè)計(5)對于除掉0-0截面之外的其它截面，如θ截面。該截面處氣體的流量Mθ為:所以θ截面處的連續(xù)性方程為：聯(lián)合等環(huán)量方程和其它方程，可以求解dθ的值。這樣所有截面的流道尺寸都可以確定?，F(xiàn)在是27頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪渦殼與噴嘴環(huán)---無葉渦殼的設(shè)計(6)以上簡化計算是針對不可壓流體而言的，對于可壓縮流體而言，還要對噴嘴環(huán)的出口氣流角α1進行修正。如果要考慮到氣體流動損失，渦殼出口的實際氣流速度c1低于理論值c1t，須引入修正系數(shù)---速度系數(shù)φ。Φ一般可取0.96至0.97?，F(xiàn)在是28頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪渦殼與噴嘴環(huán)---無葉渦殼的設(shè)計(7)考慮到實際情況，渦殼流道截面可能不是圓形的，渦殼流道的長度也不可能沿360度環(huán)形分布，渦殼的流道數(shù)也可能不止一個。這時候通過θ截面的流量為：其中，ε為渦殼的部分進氣度，在0.9-1之間。τ為渦殼流道數(shù)，單流道渦殼τ為1，雙流道τ為2現(xiàn)在是29頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪渦殼與噴嘴環(huán)---無葉渦殼的設(shè)計(8)如果把代入上式，同時假設(shè)氣

體密度沿流道不變，即ρθ=ρT，并假設(shè)速度系數(shù)φ沿流道也沒有變化，則無葉渦殼的計算公式為：上式將θ角與該截面處的結(jié)構(gòu)參數(shù)聯(lián)系在一起?，F(xiàn)在是30頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪渦殼與噴嘴環(huán)---無葉渦殼的設(shè)計(9)如左側(cè)所示的單流道梨形渦殼，要求確定θ截面處形狀。由渦輪熱力計算已知：渦殼出口直徑d1=0.15米渦殼出口寬度b1=0.021米渦殼出口氣流角α1=19°20’流道中氣體密度ρT=0.70渦殼出口氣體密度ρ1=0.61速度系數(shù)φ=0.96現(xiàn)在是31頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪渦殼與噴嘴環(huán)---無葉渦殼的設(shè)計(10)選定無葉渦殼的一些結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，如加速段長度和無葉渦殼出口寬度之比β(0.4)，渦殼結(jié)構(gòu)角βs(25度)，結(jié)構(gòu)角交點半徑re(0.075米)。則：現(xiàn)在是32頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪渦殼與噴嘴環(huán)---無葉渦殼的設(shè)計(11)對上頁所列積分表達(dá)式分別進行積分，并將積分結(jié)果帶入θ的表達(dá)式，即可得到渦殼特征尺寸與渦殼方位角θ的關(guān)系?，F(xiàn)在是33頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪渦殼與噴嘴環(huán)---無葉渦殼的設(shè)計(12)在確定了截面方位角和特征尺寸的關(guān)系后，就可以繪制出每一截面的剖面圖，用來制作鑄造渦殼的模具?，F(xiàn)在是34頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪葉輪---比轉(zhuǎn)速的定義比轉(zhuǎn)速ns是表示幾何相似的渦輪，實現(xiàn)相似工作條件的一個參數(shù)，也是渦輪設(shè)計的主要準(zhǔn)則。渦輪比轉(zhuǎn)速的表達(dá)式為：式中，HTad，渦輪級的絕熱焓降Q2渦輪出口體積流量n渦輪轉(zhuǎn)速現(xiàn)在是35頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪葉輪---比轉(zhuǎn)速的推導(dǎo)(1)通過渦輪的氣體體積流量Q2渦輪級絕熱焓降現(xiàn)在把渦輪與一個基型渦輪比較現(xiàn)在是36頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪葉輪---比轉(zhuǎn)速的推導(dǎo)(2)令Q2s=1，HTads=1，聯(lián)立求解：ns和Ds也都是無量綱量。現(xiàn)在是37頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪葉輪---速度比u1/cad(1)如果渦輪級的絕熱焓降，以理論速度cad來表示，則有：可以確定以ns和Ds表達(dá)的u1/cad的表達(dá)式，u1/cad決定著渦輪的效率。現(xiàn)在是38頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪葉輪---速度比u1/cad(2)在徑流式渦輪中，在速度比u1/cad為0.6-0.7范圍內(nèi)渦輪效率最高。在設(shè)計渦輪時，當(dāng)渦輪的焓降確定以后，便可根據(jù)相似渦輪已有的實驗數(shù)據(jù)，選擇速比u1/cad，來確定渦輪的輪緣速度u1。速度比u1/cad與渦輪效率ηT的關(guān)系現(xiàn)在是39頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪葉輪---幾何相似對于幾何上相似的渦輪，可以認(rèn)為它的如下參數(shù)相等：渦輪進口葉片寬度與進口直徑比b1/D1，噴嘴環(huán)葉片出口角αn，葉輪葉片進出口結(jié)構(gòu)角βb1,βb2，葉輪和殼體之間的間隙與進口葉片寬度比，葉片節(jié)距與直徑比，以及相對粗糙度。因為渦輪的損失是這些參數(shù)的函數(shù)，所以在幾何相似的渦輪中，若ns和Ds相等，則渦輪的效率應(yīng)當(dāng)相等。現(xiàn)在是40頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪葉輪---氣體流經(jīng)葉輪通道時的能量轉(zhuǎn)換(1)氣體流經(jīng)葉輪通道時發(fā)生能量轉(zhuǎn)換。氣體通過葉輪所完成的功，用歐拉動量矩方程直接求得：從葉輪進出口速度三角形得：現(xiàn)在是41頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪葉輪---氣體流經(jīng)葉輪通道時的能量轉(zhuǎn)換(2)由上式可以得到：對進出口速度三角形，應(yīng)用余弦定理，可得：代入上式可得：現(xiàn)在是42頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪葉輪---哥氏力(1)如左側(cè)的葉輪通道內(nèi)，取氣體微元分析，該微元所受的絕對加速度是相對加速度、牽連加速度與哥氏加速度的向量和。哥氏加速度αk體現(xiàn)了徑流渦輪的特點：w微元氣體的相對速度ω葉輪等速旋轉(zhuǎn)的角速度現(xiàn)在是43頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪葉輪---哥氏力(2)作用在葉輪流道中微元氣體質(zhì)量dm上的哥氏力的圓周分力dFKu，徑向分力dFKr：wr相對速度的徑向分速度wu相對速度的圓周分速度微元氣體質(zhì)量dm中，哥氏力傳給葉輪的功率為:又因為：所以：現(xiàn)在是44頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪葉輪---哥氏力(3)流經(jīng)渦輪葉輪的氣體質(zhì)量流量為：對功的微分方程從r1到r2積分，得：對1千克氣體，哥氏力加給葉輪的功為：由此可見，在徑流式向心渦輪中，哥氏力所產(chǎn)生的功，是由氣體傳給葉輪?，F(xiàn)在是45頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪葉輪---哥氏力(4)如果渦輪葉片嚴(yán)格按照徑向排列，流道中各截面上的相對速度是順著半徑方向的，其進出口速度三角形有如下關(guān)系：將上述兩式代入氣體流經(jīng)葉輪時所產(chǎn)生的葉輪功WTu的表達(dá)式。因為：所以：由此可見在上述特殊假設(shè)下，哥氏力是產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩的唯一力?，F(xiàn)在是46頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪葉輪---氣體沿葉輪流道切向?qū)挾鹊乃俣确植?1)對具有徑向葉片的渦輪，沿通道切向?qū)挾萣u，氣體的速度分布是不均勻的。w’葉片工作面氣流速度w’’葉片非工作面氣流速度buω環(huán)流速度由此可見，如果葉片數(shù)目太少，流道寬度太寬，則會產(chǎn)生倒流現(xiàn)象，這是不允許的?，F(xiàn)在是47頁\一共有58頁\編輯于星期六在葉輪進口處氣流的平均速度為：同時：式中zT，葉片數(shù)渦輪葉輪---氣體沿葉輪流道切向?qū)挾鹊乃俣确植?2)發(fā)生倒流情況的臨界條件是：為防止倒流，最少葉片數(shù)zTmin應(yīng)為：現(xiàn)在是48頁\一共有58頁\編輯于星期六若β1=90°時，則有：所以，最少葉片數(shù)為：渦輪葉輪---氣體沿葉輪流道切向?qū)挾鹊乃俣确植?3)上述計算僅是一種近似估算，渦輪葉片數(shù)不可太少也不可太多。太多會增大摩擦損失，并使葉輪重量增加，降低渦輪增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)性?，F(xiàn)在是49頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪葉輪---渦輪葉輪進口參數(shù)分析(1)氣體進入渦輪的速度與氣體從噴嘴環(huán)出口的速度是一致的。因此，氣流絕對速度的方向角與噴嘴環(huán)出口氣流角α1相同。葉片結(jié)構(gòu)角βb1與進口相對速度氣流角β1的差值為沖角i，對于直葉片葉輪，i在-12°至+5°之間較好。負(fù)沖角的絕對值較大，是因為哥氏力可以抑制葉片工作面上的附面層的發(fā)展，使工作面上的氣流更不容易脫離?，F(xiàn)在是50頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪葉輪---渦輪葉輪進口參數(shù)分析(2)進口絕對速度c1為：進口相對速度w1為：絕對速度的徑向分速度：由于葉片的厚度，實際的徑向速度cr1‘大于上式的計算值。其中，τ1為收縮系數(shù)。zT葉片數(shù)δT葉片厚度現(xiàn)在是51頁\一共有58頁\編輯于星期六渦輪葉輪---渦輪葉輪進口參數(shù)分析(3)葉輪進口處的氣體壓力：πn，噴嘴環(huán)中的膨脹