《[工程科技]增压技术第二章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[工程科技]增压技术第二章（61页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、内燃机增压技术,孙万臣,2,第二章 涡轮增压器的构造和原理,涡轮增压器结构概述 离心式压气机 径流式涡轮,返回,3,2-1 废气涡轮增压器结构概述,4,2-1 废气涡轮增压器结构概述,一、总体结构 废气驱动的涡轮增压器基本上是由安装在同一轴上的压气机、涡轮及中间壳体组成。 发动机排气 排气管,脉冲增压 定压增压 组合脉冲增压（MPC）,5,废气涡轮增压器结构,6,7,8,废气涡轮增压器的原理,9,定压涡轮增压,10,脉冲涡轮增压,11,MPC增压,12,涡轮增压器结构,涡轮壳向喷嘴环周围供给均匀的废气 （包括单进口、双进口） 喷嘴环使废气加速并有一定方向 叶轮废气驱动叶轮做工，进行能量转换 带
2、动压气机旋转，空气进入进气道 压气机叶轮使空气压力、速度增加 扩压器使气体压力进一步提高 集流器或蜗壳集中扩压器出口的气流，并尽可能高效的把气流引到出口管道或支管 发动机进气管,返回,有叶 无叶,有叶效率高，流量范围小 无叶流量范围宽，成本低,13,涡轮增压器结构,返回,二、分类,涡轮,小型径流式涡轮：体积小，结构简单，成本低，用于汽车 大型轴流式涡轮：当尺寸减小时，效率降低，容易布置适当的冷却流道，易于解决叶片均匀的金属温度分布，结构复杂，成本高。主要用于发电机组、工业和船用的中低速柴油机。叶轮叶片周围均布，比径流效率高。 混流式（斜流式）：高效率区宽。,14,涡轮增压器结构,返回,二、分类
3、,压气机,径流式（离心式）：材料（耐热铝合金），亚音速离心式压气机，在压比达到3.5以前，仍具有合理的效率和可靠性。 优点：流量范围宽，体积小，结构简单，成本低 轴流式：运行效率高，但工作范围小，体积大、重量大，成本高，可靠性不如径流式，目前很少使用。,15,涡轮增压器结构,返回,三、总体设计依据：,使用寿命长 高度安全 具有宽广并高效的压气机和涡轮机特性 适用于各种不同工况运行 低成本,16,四、增压器的轴承,1、支撑形式,返回,17,四、增压器的轴承,1、支撑形式 1）双内支撑形式（三个外壳） （轴承均安装在压气机叶轮和涡轮轮盘内侧，靠近轴的中部。） 优点：（1）结构简单，成本低，不妨碍气
4、流通路压气机可以轴向进气，有利于提高效率，便于在汽车上排气道的布置。 （2）由于比外置轴承减少了一些部件，减小了长度和重量。对小型经流涡轮增压器较理想，适用于汽车增压。 缺点：（1）由于轴承之间的距离短和涡轮轮盘沉重的悬臂引起转子装置不稳定的运行，要求转子有较好的减振，转子装置须经严格的动平衡。主要采用全浮动式滑动轴承和多油楔式普通滑动轴承。 （2）不便于检查和拆换。此种装置的润滑油多来自发动机润滑系统。由于叶轮间轴向空间位置小，布置油、气的密封较困难；涡轮端轴承受热较严重，需采取有效的保护措施。,返回,18,四、增压器的轴承,1、支撑形式 2）双外支撑形式（四个外壳组成） （轴承均安装在压气
5、机叶轮和涡轮轮盘外侧） 优点： （1）轴承离叶轮远，工作条件好； （2）轴向空间大，便于布置水、油、气的密封，密封好； （3）转子不平衡施与轴承的径向负荷最小，轴承的轴颈可以小些，线性速度低； （4）维修更换方便； 在使用滚动轴承和自润滑系统时，此种布置较理想。广泛应用于轴流式、大中型增压器。 缺点：体积大、结构复杂； 压气机只能径向进气，通向叶轮进口的通道只能是长而效率低的“U”型进气道，并以筋板支撑轴承壳，阻碍气流进入进气道； 叶轮进口处的筋板使噪声增高，常用于轴流式大型涡轮增压器。,返回,19,四、增压器的轴承,1、支撑形式 3）内外支撑形式（四个外壳组成） 提供了进出涡轮的简单气道，同
6、时使涡轮壳免去水冷。 这种布置型式集中了轴承和内置轴承的缺点，很少使用，主要从密封和气流方向考虑。,返回,20,四、增压器的轴承,1、支撑形式 4）两个轴承外置在轴的一端（悬臂支撑式） 一般放在冷的压气机端 优点：（1）易于提供自封闭的轴承； （2）由两个外壳组成，布置紧凑，轴颈及轴承尺寸小，运转平稳、可靠。 仅适用于离心式压气机和径流式涡轮的增压器。 缺点： 压气机叶轮-涡轮轮盘组件复杂，涡轮向压气机传热问题无法避免。 转子悬臂，力矩大，对动平衡要求高。,返回,21,四、增压器的轴承,2、轴承种类 1）滑动轴承,返回,多油楔式 浮动式,22,四、增压器的轴承,2、轴承种类 1）滑动轴承,返回
7、,多油楔式 浮动式,优点：轴承内外存在间隙。工作时内圈的摩擦使外圈非同步转动，滑动轴承的转速远低于轴的转速，寿命提高。 能够承受较大的不平衡负荷，对于震动和冲击不敏感。 并且价格低廉。 要求：需要高的油压和较大油量以保证充分润滑和冷却，需要一个独立的外部供油系统。在突然停车后，由于涡轮端的传热，对涡轮端轴承需要冷却（特别是内置轴承）。 缺点：对短时间缺油敏感，从流体力学考虑，固定轴承，速度梯度大，磨损严重。 材料：耐磨性、导热性好，能在高温下可靠运转的巴氏合金、铜铅合金、高锡铝合金、铅青铜。,23,四、增压器的轴承,2、轴承种类 2）滚动轴承,返回,优点：摩擦损失小，可短时间超负荷运转； 对短
8、时间缺油不敏感；适用于外置式轴承，有自封闭润滑系统。 缺点：不能适应高速运转。,五、增压器的润滑系统 需要CD级以上的增压机油，中间体的进油孔处于垂直位置，进油口朝上，出油口朝下，靠重力作用使机油流出。,自封闭润滑系统（滚动轴承） 采用发动机的润滑系统（滑动轴承，需要油量大）,24,四、增压器的轴承,返回,五、增压器的密封,气封：防止压气机端的压缩空气和涡轮端的废气泄漏 油封：防止增压器轴承处的润滑油泄露,密封装置常采用迷宫式密封,薄片装配式：由气封圈和外壳构成气封间隙 整体式：由光滑的涡轮轴和带有沟槽的壳体构成气封间隙,25,2-2 离心式压气机,压气机工作原理 压气机结构 压气机特性 压气
9、机参量 压气机的喘振与堵塞,返回,26,2-2 离心式压气机,返回,一、基本工作原理 空气 进气道 工作叶轮 扩压器 出气蜗壳 （渐缩） （能量转换） （渐扩） （渐扩）,进气道：收集气流顺畅进入工作轮 工作轮：对气体压缩 扩压器：工作轮出口气体进一步压缩 涡壳：使增压气体顺畅进入气缸,27,2-2 离心式压气机,返回,二、压气机各组成部分的结构,1、进气装置,轴向进气：气流损失小，常用于小型增压器 径向进气：气流由径向进入，再转为由轴向进入叶轮，气流损失大，而且气流不均匀，常用于大型增压器,28,2-2 离心式压气机,返回,二、压气机各组成部分的结构,2、工作叶轮：有许多叶片合叶盘组成，装在
10、涡轮带动的轴上,封闭式：气流损失小，效率高，结构复杂，不适于高速，很少使用 半开式：有轮毂、叶片和轮盘组成，结构简单制造方便，强度刚度好 星形：轮盘直径小于叶片端部直径，转动惯量小，能够承受较高的转速，适用于高增压压力的增压器。,29,2-2 离心式压气机,返回,二、压气机各组成部分的结构,2、工作叶轮：有许多叶片合叶盘组成，装在涡轮带动的轴上,后弯叶轮 径向叶轮 前弯叶轮,按形状分,（1）后弯叶轮 空气压力的升高大部分在工作叶轮中完成，在同样的切向速度下，叶轮内气体压力大，效率高，流到内速度均匀。 （2）前弯叶轮 空气压力的升高大部分在扩压器内完成，叶轮内动能大，气流不均匀度大，流动损失较大
11、，效率低。同时叶片长度大，强度低，刚性不好。 （3）径向叶轮：强度较高、结构简单，制造容易，允许有较高的圆周速度，n和Pk可以提高，效率居中，应用最广。,30,2-2 离心式压气机,返回,二、压气机各组成部分的结构,3、扩压器：有许多叶片合叶盘组成，装在涡轮带动的轴上,无叶扩压器（缝隙式扩压器）适用于车用 叶片式扩压器 可变有叶扩压器,（1）无叶扩压器 实际上是一块环状平板，结构简单，制造方便，但扩压度不大，常用于小型增压器，对于流量变化不敏感。,31,2-2 离心式压气机,返回,二、压气机各组成部分的结构,（2）有叶扩压器 优点：对于流量变化不敏感。 可以在较小的结构尺寸下提高扩压效果，缩短
12、了气流运动的距离，减少了摩擦损失，提高了扩压效率。,平板型 机翼型,扩压器一般用铝合金铸造，叶片部分用铣削加工或精密铸造，为减少气流损失，通道部分的光洁度要求较高，叶片式扩压器叶片间的进口喉部面积要求准确。,32,2-2 离心式压气机,返回,二、压气机各组成部分的结构,4、出气蜗壳：常用铝合金铸造,变截面：沿圆周逐渐扩大，变化规律符合气流运动规律，流动损失小。 等截面：截面按压气机最大流量确定，气流损失较大，但结构简单，制造容易，常用于小型增压器,33,三、压气机参数,增压比k 流量Gk 效率k 转速nk,34,增压比,定义：增压比指压气机出口气体压力与进口气体压力之比，Pk受叶轮材料限制。,
13、如果用气体的滞止参数表示，则 在离心式压气机中k的范围一般为1.4-3，个别的可达到5。 叶轮切向速度 u2=r2* r2为叶轮半径 u2k离心力增加材料强度提高 u2体积重量 目前u2500m/s,35,空气流量,定义：空气流量是指单位时间流过压气机的空气质量或容积。 质量流量 容积流量,在做为内燃机增压器时，Gk的数值取决于柴油机所需要空气消耗量。 范围：Gk=0.0950kg/s，每台压气机的流量范围Gkmax/Gkmin=34,36,增压比与流量的关系,37,压气机的转速,定义：压气机叶轮每分钟的转速（） 压气机转速实际上与涡轮机的转速相同，转速很高，每分钟可达十几万转。,叶轮大径 叶
14、轮圆周速度，受叶轮强度限制。 （不变）,38,压气机的效率,是压气机的经济性指标，说明压气机传递给空气的机械能被有效利用的程度 可分为多变效率和绝热效率,39,a、 多变效率,cp：气体压力从进口压力压缩到出口压力所需的多变压缩功 ：实际压缩功,40,b、 绝热效率,ad：气体压力从进口压力压缩到出口压力所需的多变压缩功。 ：实际压缩功。 物理意义：指消耗在带动压气机的功有多少转变为有用的压缩功，以此表示压气机流通部分设计的完善程度。,定义：压气机把外界空气进行绝热压缩所做的功，与压缩空气实际消耗的功之比，称为压气机的绝热效率。,41,b、 绝热效率,在讨论压气机绝热效率之前，先讨论一下空气在
15、压气机中的压缩过程，从图和图可计算压气机的功率和绝热效率。,42,b、 绝热效率,由绝热方程式可得,单位流体的压缩焓差为 （） 等熵功为,（）,通常 ,43,b、 绝热效率,在实际压缩过程中，存在各种损失（如工作叶轮与空气的摩擦损失、流动损失等），使一部分功损耗并转为热能而加热空气。因此在图上压缩气体沿着熵值增加的方向达点。因此，实际压缩过程的大于绝热压缩过程的功耗，空气实际压缩功为,（）,式中：为实际压缩过程的多变指数。（）,44,b、 绝热效率,压气机的绝热效率,目前，可达,45,b、 绝热效率,结论分析： （）压气机消耗的理论功（等熵功）等于（） （）实际过程中必然存在各种损失为非等熵过
16、程。损失主要包括： 摩擦损失；在叶道中存在二次流动，必然产生损失（非圆形损失）；附面层的分离形成涡区，产生损失； 损失的能量变为噪音和热能，绝大部分变为热量。 所以实际压缩功理论压缩功 （）合理组织流场，降低损失，,46,压气机特性,47,压气机的喘振与堵塞,压气机工作点位于喘振线右边时，工作稳定；位于左边，工作不稳定。 喘振的原因是：流量过小时，流道内气流与壁面分离。 堵塞是指在某一转速下，压气机流量随增压比变化到临界条件时，流量饱和。,48,返回,49,废气涡轮,涡轮结构 涡轮特性 涡轮参数,返回,50,涡轮结构,进气壳：废气顺畅流入 喷阻环：废气径喷阻环，使气流速度增大、动能增大 工作轮：高速气流离心力作用驱动工作轮高速运动，使压气机工作轮转动 排气壳：废气作功后顺畅排入大气或废气锅炉,
