第四章增壓原理與喘振

二、廢氣渦輪增壓器的工作原理

1．離心式壓氣機(jī)的基本工作原理廢氣渦輪增壓器的壓氣機(jī)一般都采用單級(jí)離心式壓氣機(jī)。它由進(jìn)氣道、工作輪(也稱壓氣機(jī)葉輪)、擴(kuò)壓器和排氣蝸殼組成。進(jìn)氣道是漸縮流道，在進(jìn)氣道中，壓力、溫度賂有降低。流速提高。正是因?yàn)閴毫档?，空氣才被吸人工作輪。空氣進(jìn)入壓氣機(jī)葉輪后，隨葉輪高速回轉(zhuǎn)，因而產(chǎn)生離心力。這樣，空氣在葉輪葉片間隨葉輪作圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，在離心力的作用下向葉輪外緣流動(dòng)并被壓縮。在葉輪中氣體的流速、壓力、溫度都升高了，其中流速提高了很多。這是由于葉輪對(duì)氣體作功，把葉輪的機(jī)械能變成了氣體的動(dòng)能和壓力能。氣體被壓縮時(shí)也提高了溫度。在擴(kuò)壓器中，由于流道逐漸擴(kuò)大，使空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能，流速降低，壓力升高。排氣蝸殼中的通道也是漸擴(kuò)的，因而空氣流過時(shí)繼續(xù)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能?？諝庠谌~輪中的流動(dòng)速度?？諝庠趬簹鈾C(jī)葉輪葉片間流道中的流動(dòng)情況也可以用葉輪的進(jìn)口和出口速度三角形來說明。先看b)圖，空氣沿軸向進(jìn)入葉輪的進(jìn)口，其速度為C1，葉輪進(jìn)口平均半徑r1處的圓周速度為u1，因此空氣進(jìn)入葉輪時(shí)的相對(duì)速度為W1再看c）圖，在葉輪的出口處，空氣流出葉輪的相對(duì)速度為W2，該處的圓周速度為u2，因此空氣流出葉輪時(shí)的實(shí)際速度為C2。葉輪流道中流速分布很不均勻。速度大的地方壓力小，速度小的地方壓力大。葉輪葉片兩面因此存在壓差，形成了葉輪旋轉(zhuǎn)工作時(shí)必須克服的力矩?？諝庠跀U(kuò)壓器中的流動(dòng)。氣流流過時(shí)速度下降、壓力、溫度升高。氣流質(zhì)點(diǎn)通過擴(kuò)壓器時(shí)的軌跡是一條對(duì)數(shù)螺旋線。

其運(yùn)動(dòng)方程

r=ekθ

壓氣機(jī)中的流動(dòng)損失。當(dāng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，如不計(jì)流動(dòng)損失，則其壓比如最上條橫線，不隨流量Q而變。但壓氣機(jī)中有流動(dòng)損失，它可分為摩檫損失和撞擊損失兩類。摩擦損失隨氣流流速變化，也就是隨流量的增加而增大。壓氣機(jī)的撞擊損失包括空氣進(jìn)入葉輪及進(jìn)入葉片擴(kuò)壓器的撞擊損失。壓氣機(jī)的絕熱效率物理意義是：消耗在驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)的功有多少轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫膲嚎s功，以此來表明壓氣機(jī)通流部分設(shè)計(jì)的完善程度。2、單級(jí)軸流式渦輪機(jī)的基本工作原理它的主要元件是固定的噴嘴環(huán)和旋轉(zhuǎn)的工作葉輪。一列噴嘴叫片和其后的—列工作葉片組成了渦輪機(jī)的一個(gè)級(jí)。具有—定壓力P.和溫度T.的廢氣以速度C.流入噴嘴環(huán)。在噴嘴環(huán)收縮形的流道中膨脹加速，其壓力和溫度降低到Pl和T1，而流速升高到C1，部分壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣饶?。從噴嘴出來的高速氣流進(jìn)入葉輪葉片間的流道時(shí)，氣流被迫轉(zhuǎn)彎。由于離心力的作用，迫使氣流壓向葉片凹面而企圖離開葉片凸面。使葉片凹面上壓力提高，凸面上壓力降低。葉片的凹凸兩面間產(chǎn)生壓力差。此壓力差的合力即為作用在葉片上的沖動(dòng)力。作用在所有葉片上的沖動(dòng)力對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生一個(gè)沖動(dòng)力矩。葉輪葉片的通道也是收縮的，廢氣在其中繼續(xù)膨脹加速，其流出葉輪的相對(duì)速度大于流入葉輪的相對(duì)速度。當(dāng)氣流在旋轉(zhuǎn)的葉輪中流動(dòng)時(shí)、因膨脹加速而給渦輪以反作用力，使得渦輪又得到一個(gè)反作用力矩(或稱反動(dòng)力矩)。沖動(dòng)力矩和反動(dòng)力矩的方向是相同的，葉輪就在這兩個(gè)力矩的共同作用下回轉(zhuǎn)。

廢氣渦輪所作的輪周功的大小主要取決于燃?xì)獾牧髁亢蜔釥顟B(tài)。燃?xì)庠跍u輪中的流動(dòng)損失主要有流動(dòng)摩擦損失、葉輪摩擦鼓風(fēng)損失、漏氣損失和葉片進(jìn)口撞擊損失等。在渦輪不全進(jìn)氣的情況下，摩擦鼓風(fēng)損失很大，渦輪機(jī)在偏離設(shè)計(jì)工況下工作，氣流進(jìn)入葉片時(shí)就會(huì)產(chǎn)生撞擊，偏離越大，撞擊損失越大。氣流在葉片流道中流動(dòng)時(shí)除了產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力外，還產(chǎn)生軸向推力，使軸朝壓氣機(jī)方向竄動(dòng)，因此必須在壓氣機(jī)端裝設(shè)止推軸承。三、離心式壓氣機(jī)的工作特性及喘振機(jī)理離心式壓氣機(jī)在各種不同工況工作時(shí)，它的各主要參數(shù)會(huì)隨之變化。在不同轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)的排出壓力和效率隨空氣流量的變化規(guī)律，稱為離心式壓氣機(jī)的特性。表示這種特性的曲線叫壓氣機(jī)的特性曲線。由圖可以看出壓氣機(jī)特性曲線的變化具有如下主要特點(diǎn)：

1．在等轉(zhuǎn)速運(yùn)行線上，隨著空氣流量的增加，增壓比開始時(shí)是增加的，當(dāng)增加至某一值時(shí)，達(dá)最大值。之后再增壓，便逐漸下降，所以，增壓特性線似馬鞍形狀。由圖中還可看出，在等轉(zhuǎn)速運(yùn)行線上，效率隨流量的變化也大致與增壓特性線相似。

2．較低轉(zhuǎn)速時(shí)，增壓特性線變化較平坦；轉(zhuǎn)速愈高，則增壓特性線變化愈陡削，這說明在高轉(zhuǎn)速時(shí)，較小的流量變化所對(duì)應(yīng)的增壓比的變化較大。

3．有一條喘振線。它是不同轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的最小流量點(diǎn)的連線，即壓氣機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的邊界線。喘振線以左為喘振區(qū)，喘振線以有為穩(wěn)定工作區(qū)。最小流量點(diǎn)的數(shù)值是隨著轉(zhuǎn)速的升高向增大的方向移動(dòng)。當(dāng)壓氣機(jī)的流量減小到—定值后，氣體進(jìn)入工作葉輪和擴(kuò)壓器的方向偏離設(shè)計(jì)工況，造成氣流從葉片或擴(kuò)壓器上強(qiáng)烈分離，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動(dòng)，并有氣體倒流，壓氣機(jī)出口壓力顯著下降，并伴有很大波動(dòng)，進(jìn)氣管內(nèi)有“轟隆轟隆”的響聲。引起壓氣機(jī)工作不穩(wěn)定，導(dǎo)致壓氣機(jī)振動(dòng)，并發(fā)出異常的響聲。這種現(xiàn)象稱為壓氣機(jī)喘振。喘振是壓氣機(jī)的固有特性。壓氣機(jī)特性曲線上表示喘振狀態(tài)的臨界線稱為喘振線，其左方為喘振區(qū)，右方為穩(wěn)定工作區(qū)。壓氣機(jī)不允許在喘振區(qū)工作。產(chǎn)生喘振的原因是當(dāng)流量小于設(shè)計(jì)值很多時(shí)在葉輪進(jìn)口和擴(kuò)壓器葉片內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流分離。

C1表示空氣經(jīng)導(dǎo)流后進(jìn)入壓氣機(jī)葉片前緣時(shí)的絕對(duì)速度，w1表示壓氣機(jī)葉輪剖分處的圓周速度，u1表示氣流進(jìn)入壓氣機(jī)葉片的相對(duì)速度。

1．正常工況（即設(shè)計(jì)工況）當(dāng)壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空氣進(jìn)入葉輪的方向（即氣流相對(duì)速度的方向）與葉片構(gòu)造角一致，因而氣流能平順地進(jìn)入葉輪的葉片通道，不會(huì)產(chǎn)生沖擊，如兩個(gè)圖中a）所示。

2．轉(zhuǎn)速不變而空氣流量增大(大于設(shè)計(jì)工況）當(dāng)空氣流量增大，C1相應(yīng)增加，但方向不變，由于轉(zhuǎn)速不變（U1不變），使W1增加并使空氣進(jìn)入葉輪時(shí)方向向后偏轉(zhuǎn)了一角度。氣流進(jìn)入工作葉片時(shí)，沖向葉片的凸面（背面），在葉片的凹面產(chǎn)生渦流和分離，但葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)和氣體在導(dǎo)風(fēng)輪中拐彎時(shí)產(chǎn)生的離心力，氣流的慣性作用方向壓葉片凹面，壓抑了氣流分離的擴(kuò)展；3．轉(zhuǎn)速不變而空氣流量減少當(dāng)流量小于設(shè)計(jì)值時(shí)，由于U1不變、C1減小，使W1數(shù)值變小并產(chǎn)生方向的變化，與正常工況比向前產(chǎn)生偏離角。這樣氣流便在工作輪葉片的凸面產(chǎn)生氣流分離，如兩圖10-25c）所示。由于葉輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的氣體慣性力，也是壓向葉片凹面而離開凸面，使渦旋區(qū)不斷擴(kuò)大，造成氣流與葉片凸面強(qiáng)烈分離，流量越小，分離越嚴(yán)重，當(dāng)流量減小至某一值分離現(xiàn)象會(huì)擴(kuò)展到整個(gè)葉輪和擴(kuò)壓器葉道，喘振便出現(xiàn)。

1．正常工況（即設(shè)計(jì)工況）當(dāng)壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空氣進(jìn)入葉道的方向（即氣流相對(duì)速度的方向）與葉片構(gòu)造角一致，因而氣流能平順地進(jìn)入擴(kuò)壓器的葉片通道，不會(huì)產(chǎn)生沖擊，如兩個(gè)圖中a）所示。

2．大于設(shè)計(jì)工況在擴(kuò)壓器中的氣流沖向葉片凹面，在葉片的凸面則發(fā)生分離并形成渦流。但由于氣流有按對(duì)數(shù)螺旋線運(yùn)動(dòng)的趨勢，氣流壓向凸面，限制了氣流分離的擴(kuò)展，如兩圖10-25b）所示。故在大于設(shè)計(jì)流量時(shí)，只會(huì)引起沖擊損失，而不會(huì)破壞壓氣機(jī)的正常工作。

3．轉(zhuǎn)速不變而空氣流量減少當(dāng)流量小于設(shè)計(jì)值時(shí)，氣流進(jìn)入葉道時(shí)撞擊葉片凸面，在葉片凹面產(chǎn)生的旋渦和分離，如兩圖10-