涡轮增压技术之离心压气机原理与设计资料下载.pdf
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左图为HOLSET增压器。
概述概述-压气机的构造压气机的构造(5)(5)8工作叶轮由轮盘及其上的叶片组成。
用螺母将其紧固在涡轮轴上。
气流沿着轮盘、外壳和叶片组成的通道流动。
并在这一过程中,将从旋转叶轮吸收的机械功转变为压力(势能)及速度(动能)。
工作叶轮是压气机最主要的零件,它的好坏对级的特性起了决定性的影响。
对它的要求主要是,效率要高;
强度要好,因为只有叶轮强度好,压气机才能达到较高的压缩压力。
概述概述-压气机的构造压气机的构造(6)(6)9扩压器,空气从工作轮出来后,具有很高的气流速度,也即具有很大的动能。
这部分动能约占叶轮加功量的25%-50%。
因此,为有效地利用这一部分的能量,必须把这部分的动能转变为压力能,以达到提高空气压力的目的。
为此,在叶轮后装有扩压器,把气流的动能转变成压力能。
扩压器一般可分为无叶扩压器和叶片扩压器两种,对车用涡轮增压器来说,一般使用无叶扩压器。
无叶扩压器由两片光滑的圆盘壁构成,盘壁之间可以互相平行,也可成一定锥角。
概述概述-压气机的构造压气机的构造(7)(7)10压气机涡壳的背面。
涡壳的主要作用是收集从扩压器出来的空气,并将空气送到燃烧室或其它设备中去。
概述概述-压气机内的气体流动过程压气机内的气体流动过程11A进口段C工作叶轮内气体参数D扩压器内的气体参数E集气器(压气机涡壳)段分析各个阶段气流参数的变化。
概述概述-压气机的主要性能参数压气机的主要性能参数12压比c:
c=p4/p1即为压气机出口压力和进口压力之比。
如果进出口压力均写成总压,则两者之比称为总压压比,写成c*=p4*/p1*一般可将压气机出口压力p4记成pc。
质量流量Mc:
单位时间内通过压气机的气体质量。
流量越大,要求压气机的工作轮直径越大。
绝热效率cad:
每单位质量的空气在压缩到一定压比时,所需的绝热功与实际压缩功之比。
记为:
cad=Wad/W。
概述概述-级的概念级的概念13压气机的“级”:
指的是由进口段、工作叶轮、扩压器、及集气器这几部分组成的一个压缩空气的完整过程,并称之为一级压气机。
如果多级串联起来工作,则称为多级压气机。
压气机的热力学过程压气机的热力学过程)
(1)1(11411TTRkkRTkkWadkkcad14在理想绝热压缩过程中,压气机内的气体流动没有流动阻力(Wr=0),也没有和外界介质热交换(Qout=0),因此,每千克空气压缩到预定的压气机出口压力时,所消耗的功由工程热力学知识可知,其可写成式3-1。
-压气机的绝热压缩功压气机的绝热压缩功(3-1)压气机的热力学过程压气机的热力学过程2)()(11212414*1*41*1*4*1*ccTTCTTCppRTkkWadpadpkkad15上式也可根据理想压缩过程写成滞止参数的表达式,如式3-2所示。
如果,压气机的进出口气流速度很接近,即c1约等于c4,此时的绝热压缩功就可写成式3-1。
这是经常用的表达式。
虽然它与式3-2的差别在于仅忽略了占比例很小的动能差值,但在实际的试验与测量中却很方便,其静压也较易测得准确。
-绝热压缩功的滞止形式绝热压缩功的滞止形式(3-2)压气机的热力学过程压气机的热力学过程16图3-3气体理想绝热压缩过程的p-v图和T-s图-理想绝热压缩功的理想绝热压缩功的pp-vv图和图和TT-ss图图压气机的热力学过程压气机的热力学过程17图3-4气体多变压缩过程右的p-v图和T-s图-实际多变过程的实际多变过程的pp-vv图和图和TT-ss图图从p-v图上可以看出,多变压缩功比理想绝热压缩功多一块面积Wv,从T-S图上可以看到和流动阻力功所对应的发热量Wr。
压气机的热力学过程压气机的热力学过程11)(1*1*1*4*nncpRTkkTTCW18-实际压缩功的计算公式实际压缩功的计算公式由工程热力学知识知道多变过程过程的实际压缩功如上式所示。
(3-3)压气机的热力学过程压气机的热力学过程111*1*nncnRTnnW19-多变过程的技术功多变过程的技术功多变过程的技术功,由图3-4积分得到,-vdp(3-4)压气机的热力学过程压气机的热力学过程*1*411TTRWkknnr20-多变指数的推导多变指数的推导W*=Wad*+Wv+Wr=Wn*+WrWn*=Wad*+Wv由上式可以推出实际过程的平均多变指数。
(3-6)空气在进口段中的流动空气在进口段中的流动21-进口的形式进口的形式
(1)
(1)车辆用增压器的进口型式一般为圆锥形或圆柱形,图3-6(a)。
极少部分的进口采用预扭叶片,以扩大压气机的流量范围。
空气在进口段中的流动空气在进口段中的流动22-进口的形式进口的形式
(2)
(2)空气在进口段中的流动空气在进口段中的流动221ainrincW23-气体参数的计算气体参数的计算in为损失系数,可取0.050.10*0*111TTRWkknnrRkkcTT1221011010111nnTTpp空气在进口段中的流动空气在进口段中的流动24-进口气流角进口气流角以叶轮旋转轴为中心轴,作圆柱面切割叶轮,然后展开,可以得到如左所示的叶轮进口处的速度三角形的图。
叶片安装角g1,30-35进口气流角1气流冲角i,3-5i=g1-1空气在进口段中的流动空气在进口段中的流动211uccaa25-进口气流速比进口气流速比ca1叶轮进口处的气流轴向分速度u2叶轮外直径处的圆周速度一般情况下,当i为2-3时,选取ca1/u2为0.25-0.3;
当i为4-5时,选取ca1/u2为0.30-0.35。
空气在叶轮内的流动空气在叶轮内的流动26-叶轮的结构叶轮的结构
(1)
(1)铸造叶轮毛坯,带长短叶片空气在叶轮内的流动空气在叶轮内的流动27-叶轮的结构叶轮的结构
(2)
(2)五轴铣床铣削叶轮,一般用于大直径的叶轮制造空气在叶轮内的流动空气在叶轮内的流动28-叶轮的结构叶轮的结构(3)(3)叶轮平衡去重位置空气在叶轮内的流动空气在叶轮内的流动29-导风轮与工作叶轮导风轮与工作叶轮离心式压气机叶轮由导风轮和工作叶轮两部分组成。
导风轮将流入气体由轴向转为径向;
工作叶轮使气体由内向外作径向流动。
通常将直径方向尺寸基本不变的一段叫做导风轮。
车辆用增压器由于压气机叶轮小型化及采用精密铸造工艺,而将导风轮和工作叶轮铸成一个整体,并统称压气机叶轮。
空气在叶轮内的流动空气在叶轮内的流动21211ucwa30-导风轮的进口安装角导风轮的进口安装角
(1)
(1)由叶轮进口处的速度三角形可得如左的公式。
当气流是轴向进气时,可认为轴向速度ca1沿半径方向不变,叶轮进口处在不同半径上的圆周速度u1是不相等的,因而流入叶轮的相对速度w1的方向和大小,亦随半径而改变。
1111tanuca空气在叶轮内的流动空气在叶轮内的流动31-导风轮的进口安装角导风轮的进口安装角
(2)
(2)由上页可知,随着半径的增加,速度u1增加,因而相对速度w1也增加,但气流的进口角1却减少。
所以,根据这样的变化规律,导风轮的进口安装角,应设计成外径处角度较小,而内径处角度较大。
由上页公式还可看出,如果导风轮进口处的外径过大,就会引起该处的相对速度w1过大,使得相对马赫数Mw1接近或大于1,这将在气流中产生激波,而使波阻损失增加。
因为马赫数Mw1对叶轮的效率和流量范围有较大的影响,故应限制相对速度w1值,一般应使其小于0.8-0.9。
空气在叶轮内的流动空气在叶轮内的流动32-工作叶轮的形式工作叶轮的形式
(1)
(1)工作叶轮是压气机的主要工作元件。
它将外界输入的机械功传递给空气而成为气体的状态能和动能,使流过叶轮的空气,其温度、压力与速度均有显著的提高。
按造型的不同,工作叶轮可区分为如上所示开式、半开式及闭式三种。
目前车用涡轮增压器多应用半开式。
空气在叶轮内的流动空气在叶轮内的流动33-工作叶轮的形式工作叶轮的形式(22)开式工作叶轮:
摩擦损失和流动阻力很大,叶轮效率最低。
易产生振动,不宜在高转速下工作。
半开式工作叶轮:
摩擦损失和流动阻力较开式的小,效率较高。
有一定的刚度和强度,允许在较高的圆周速度下工作。
闭式工作叶轮:
其摩擦损失及流动阻力均最小,效率最高。
由于结构复杂、笨重,以及轮盖在旋转时会对叶片产生巨大的应力,其强度较差,不宜于在高速旋转工况下使用。
空气在叶轮内的流动空气在叶轮内的流动34-工作叶轮的形式工作叶轮的形式(33)压气机工作叶轮的叶片形状,也可分为前弯、径向、后弯三种,如上图所示。
(a)前弯叶片,(b)径向叶片,(c)后弯叶片。
空气在叶轮内的流动空气在叶轮内的流动35-工作叶轮的形式工作叶轮的形式(44)前弯叶片,工作叶轮可将较多的能量传递给空气,但是,这部分多出来的能量是以增加叶轮出口处的气流速度的方式,即增加动能的方式传递给空气,因而必须经过叶轮之后的扩压段,和涡壳通道才能转变为气体的压力能。
由于扩压段及涡壳中的效率较低,这种形式的叶轮降低了压气机的级效率。
目前用的极少。
空气在叶轮内的流动空气在叶轮内的流动36-工作叶轮的形式工作叶轮的形式(55)径向叶片,它有高于前弯叶片的级效率及较高的强度,还可以通过提高其圆周速度获得较高的增压压力,因此曾在车辆增压器中得到普遍的采用。
后弯叶片,工作轮传递给空气的能量少,但能保证气流在出口处的流动较均匀,在扩压器及涡壳中的流动损失也较小。
因而它与径向叶片的叶轮相比,压气机的级效率可提高3%-4%,使用的流量范围扩大约40%。
后弯叶片在目前的增压器中得到最广泛的应用。
空气在叶轮内的流动空气在叶轮内的流动37-叶轮流道内的流动叶轮流道内的流动
(1)
(1)假定空气在进入叶轮前的状态和流速是均匀的。
这样,当空气进入叶轮通道之后,被叶轮带着作旋转运动,在离心力的作用下,被抛向叶轮的边缘;
由于叶片通道间作扇形扩张,空气在其中的相对速度逐渐减少而压力逐渐增大。
空气在叶轮中的运动,是由叶轮的牵连旋转运动以及沿着叶轮通道内的相对速度合成。
空气在叶轮内的流动空气在叶轮内的流动urwww38-叶轮流道内的流动叶轮流道内的流动
(2)
(2)可以假设空气在叶轮通道中的流动,是径向流动速度wr和环流速度wu的矢量和。
环流速度wu是假设空气在进入叶轮前为无涡流动,因而当空气进入旋转的叶轮时,环流速度wu就使空气对叶轮产生一个与旋转方向相反的环流。
也就是说,将叶轮扇形面积中的气体,看成为一个刚体被叶轮带动,而作平移无旋的运动。
空气在叶轮内的流动空气在叶轮内的流动0202112/DDzDDwu39-叶轮流道内的流动叶轮流道内的流动(3)(3)环流速度wu的大小仅与叶轮旋转角速度及几何尺寸D2及D0和叶片数z有关,与气体的流量无关。
如果叶轮的结构尺寸选择不当,就可能出现Wu值过大,叶轮通道内形成反向流动,出现涡腔,使流动损失急剧增加。
空气在叶轮内的流动空气在叶轮内的流动40-压力面与吸力面压力面与吸力
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- 涡轮 增压 技术 离心 压气 原理 设计