第四章增壓原理與喘振

二、廢氣渦輪增壓器的工作原理

1．離心式壓氣機的基本工作原理廢氣渦輪增壓器的壓氣機一般都采用單級離心式壓氣機。它由進(jìn)氣道、工作輪(也稱壓氣機葉輪)、擴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。正是因為壓力降低，空氣才被吸人工作輪?？諝膺M(jìn)入壓氣機葉輪后，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動的同時，在離心力的作用下向葉輪外緣流動并被壓縮。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。這是由于葉輪對氣體作功，把葉輪的機械能變成了氣體的動能和壓力能。氣體被壓縮時也提高了溫度。在擴壓器中，由于流道逐漸擴大，使空氣的動能轉(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的，因而空氣流過時繼續(xù)將動能轉(zhuǎn)換為壓力能。空氣在葉輪中的流動速度?？諝庠趬簹鈾C葉輪葉片間流道中的流動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)入葉輪時的相對速度為W1再看c）圖，在葉輪的出口處，空氣流出葉輪的相對速度為W2，該處的圓周速度為u2，因此空氣流出葉輪時的實際速度為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)工作時必須克服的力矩?？諝庠跀U壓器中的流動。氣流流過時速度下降、壓力、溫度升高。氣流質(zhì)點通過擴壓器時的軌跡是一條對數(shù)螺旋線。

其運動方程

r=ekθ

壓氣機中的流動損失。當(dāng)壓氣機轉(zhuǎn)速一定時，如不計流動損失，則其壓比如最上條橫線，不隨流量Q而變。但壓氣機中有流動損失，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。壓氣機的撞擊損失包括空氣進(jìn)入葉輪及進(jìn)入葉片擴壓器的撞擊損失。壓氣機的絕熱效率物理意義是：消耗在驅(qū)動壓氣機的功有多少轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫膲嚎s功，以此來表明壓氣機通流部分設(shè)計的完善程度。2、單級軸流式渦輪機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的一個級。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)樗俣饶堋膰娮斐鰜淼母咚贇饬鬟M(jìn)入葉輪葉片間的流道時，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力。作用在所有葉片上的沖動力對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生一個沖動力矩。葉輪葉片的通道也是收縮的，廢氣在其中繼續(xù)膨脹加速，其流出葉輪的相對速度大于流入葉輪的相對速度。當(dāng)氣流在旋轉(zhuǎn)的葉輪中流動時、因膨脹加速而給渦輪以反作用力，使得渦輪又得到一個反作用力矩(或稱反動力矩)。沖動力矩和反動力矩的方向是相同的，葉輪就在這兩個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輪中的流動損失主要有流動摩擦損失、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，渦輪機在偏離設(shè)計工況下工作，氣流進(jìn)入葉片時就會產(chǎn)生撞擊，偏離越大，撞擊損失越大。氣流在葉片流道中流動時除了產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力外，還產(chǎn)生軸向推力，使軸朝壓氣機方向竄動，因此必須在壓氣機端裝設(shè)止推軸承。三、離心式壓氣機的工作特性及喘振機理離心式壓氣機在各種不同工況工作時，它的各主要參數(shù)會隨之變化。在不同轉(zhuǎn)速下壓氣機的排出壓力和效率隨空氣流量的變化規(guī)律，稱為離心式壓氣機的特性。表示這種特性的曲線叫壓氣機的特性曲線。由圖可以看出壓氣機特性曲線的變化具有如下主要特點：

1．在等轉(zhuǎn)速運行線上，隨著空氣流量的增加，增壓比開始時是增加的，當(dāng)增加至某一值時，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，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，較小的流量變化所對應(yīng)的增壓比的變化較大。

3．有一條喘振線。它是不同轉(zhuǎn)速下壓氣機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的最小流量點的連線，即壓氣機穩(wěn)定運轉(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)。最小流量點的數(shù)值是隨著轉(zhuǎn)速的升高向增大的方向移動。當(dāng)壓氣機的流量減小到—定值后，氣體進(jìn)入工作葉輪和擴壓器的方向偏離設(shè)計工況，造成氣流從葉片或擴壓器上強烈分離，同時產(chǎn)生強烈脈動，并有氣體倒流，壓氣機出口壓力顯著下降，并伴有很大波動，進(jìn)氣管內(nèi)有“轟隆轟隆”的響聲。引起壓氣機工作不穩(wěn)定，導(dǎo)致壓氣機振動，并發(fā)出異常的響聲。這種現(xiàn)象稱為壓氣機喘振。喘振是壓氣機的固有特性。壓氣機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)計值很多時在葉輪進(jìn)口和擴壓器葉片內(nèi)產(chǎn)生強烈的氣流分離。

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

1．正常工況（即設(shè)計工況）當(dāng)壓氣機在設(shè)計工況運轉(zhuǎn)時，空氣進(jìn)入葉輪的方向（即氣流相對速度的方向）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，不會產(chǎn)生沖擊，如兩個圖中a）所示。

2．轉(zhuǎn)速不變而空氣流量增大(大于設(shè)計工況）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)入葉輪時方向向后偏轉(zhuǎn)了一角度。氣流進(jìn)入工作葉片時，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)動和氣體在導(dǎo)風(fēng)輪中拐彎時產(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展；3．轉(zhuǎn)速不變而空氣流量減少當(dāng)流量小于設(shè)計值時，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)不斷擴大，造成氣流與葉片凸面強烈分離，流量越小，分離越嚴(yán)重，當(dāng)流量減小至某一值分離現(xiàn)象會擴展到整個葉輪和擴壓器葉道，喘振便出現(xiàn)。

1．正常工況（即設(shè)計工況）當(dāng)壓氣機在設(shè)計工況運轉(zhuǎn)時，空氣進(jìn)入葉道的方向（即氣流相對速度的方向）與葉片構(gòu)造角一致，因而氣流能平順地進(jìn)入擴壓器的葉片通道，不會產(chǎn)生沖擊，如兩個圖中a）所示。

2．大于設(shè)計工況在擴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。但由于氣流有按對數(shù)螺旋線運動的趨勢，氣流壓向凸面，限制了氣流分離的擴展，如兩圖10-25b）所示。故在大于設(shè)計流量時，只會引起沖擊損失，而不會破壞壓氣機的正常工作。

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