柴油机涡轮机增压技术第2版 陆家祥第一章

1、柴油机涡轮增压技术 陆家祥 山东大学 2018.8,第一章 概 论,1.1 名词解释,1.增压压力,2.增压比,3.增压度,1.1.1 反映增压程度方面,1.定压增压,2.脉冲增压,1.1.2反映涡轮进口气流压力稳定程度和能量利用程度方面,1.单级涡轮增压,2.二级涡轮增压,1.1.3反映增压器级数多少方面,1.惯性增压,2.气波增压,1.1.4反映驱动压机能量形式方面,3.机械增压,4.机械增压,5.复合增压,1.2 涡轮增压器,1.离心式压气机结构,1.2.1 离心式压气机,2.离心式压气机工作原理,压气机的主要性能参数,(1-11),（1-12）,3.离心式压气机的特性,图1-21压气机的性能曲线及其绘制方法,转速一定时，曲线的特点,1) 在某一流量下，压比和效率有最大值; 2) 流量减小到某一值时，发生喘振; 3) 流量增大到某一数值时，出现阻塞。,压气机的喘振,定义：当流量减少到某一数值时，压气机中的气流 发生强烈的低频脉动，引起叶片振动，产生 很大噪声，称之为喘振。,喘振成因分析：,1) 导风轮入口处：,a) 流量等于设计流量 不喘振,b) 流量大于设计流量不喘振,c) 流

2、量小于设计流量喘振,2) 叶片扩压器入口处,a) 流量等于设计流量 不喘振,b) 流量大于设计流量不喘振,c) 流量小于设计流量喘振,按气体在涡轮中流动的方向分类：,（1）轴流式：燃气沿近似与叶轮轴平行的方向流过涡轮。 特点：体积大，流量范围宽，在大流量范围内效率较高； 应用：大型涡轮增压器。 （2）径流式: 燃气流动方向是近似沿径向由叶轮轮缘向中心流动，出口 处转为轴向。 特点：单级膨胀比大，结构紧凑，体积小，小流量范围效率高，叶轮强 度好，转速高； 应用：中、小型涡轮增压器。 （3）混流式:燃气沿与涡轮轴倾斜的锥面流过叶轮。 特点：特性介于轴流式和径流式之间； 应用：越来越多。,1.2.2 涡轮 1.涡轮的分类,按燃气在涡轮中的焓降分类：,（1）冲击式: 燃气的压力和温度在喷嘴中全部转化为动能，依靠燃气 动能在叶片通道中转弯产生的离心力对叶轮形成的冲击 力矩推动叶轮作功。 特点：叶轮中燃气不膨胀，叶轮前后气体压力不变，焓降为零； （2）反力式: 燃气的一部分能量在喷嘴中转化为动能，另一部分在叶 轮通道中继续膨胀转化为动能的同时依靠气流与叶片相 对速度增加所产生的反作用力推动涡轮作功

3、。 特点：气流速度低，叶片弯曲程度小，损失小，效率高； 应用：广泛，尤其是高压比涡轮。,（1）轴流式涡轮的结构,蜗壳：,蜗壳按进气方向分类： 轴向进气 径向进气 切向进气 蜗壳按进口数分类： 单进口 多进口 特殊结构：轴承支承和润滑油腔； 冷却水夹层。,2 涡轮的结构,（2） 径流式涡轮的结构,蜗壳 作用：将废气以较小的流动损失均匀分布到喷嘴环入口。 蜗壳效率：蜗壳进气状态和膨胀比一定的条件下，压力能转化 为动能的实际转化量与定熵转化量之比。,喷嘴环 作用：使废气膨胀加速并按规定方向进入叶轮。 喷嘴环效率：进气状态和膨胀比一定的条件下，压力能 转化为动能的实际转化量与定熵转化量之比。,工作叶轮 作用：将气体动能转化为机械能。 叶轮效率：在叶轮进气状态和膨胀比一定的条件下，气体对 叶轮的实际作功与定熵过程对叶轮作功之比。,排气壳 作用：收集废气，送入大气。 形状：渐扩形，使气体膨胀充分，降低叶轮背压。,涡轮的级： 一列与外壳相联的喷嘴环 一列与轴相联的叶轮,3. 涡轮的工作原理：,（1）叶轮进、出口速度三角形,叶轮旋转的线速度； 气体由喷嘴流出的绝对速度；分为 径向分速度 轴向分速度 气

4、体流入叶轮时的相对速度； 叶轮入口绝对速度的气流角； 叶轮入口相对速度的气流角； 气体在叶轮出口的绝对速度； 气体由叶轮流出时的相对速度； 叶轮出口绝对速度的气流角； 叶轮出口相对速度的气流角。,叶轮入口的轮周线速度，,叶轮出口等流量平均半径处的线速度， 其他符号的含义与轴流式涡轮相同。,（2）涡轮工作过程 的焓熵图,气体对涡轮作功的表达式,理想过程： 功涡轮入口滞止焓定熵过程叶轮出口静焓,实际过程：,反力度（反动度）：叶轮中的焓降/总焓降,轴流式涡轮，,径流式涡轮，,纯冲动式涡轮,（3）涡轮主要工作参数,1）定熵效率：实际过程气体对涡轮作功与理想的定熵过程 气体对涡轮作功的最大可用能量之比。,2）膨胀比：涡轮进口气体滞止压力与涡轮出口 气体静压力之比。,3）流量：单位时间内通过涡轮的气体质量。,折合流量：非设计工况下的相似流量与设计工况下的相似 流量之比。,相似流量：不同入口气体状态时，常用无量纲相似流量,4）涡轮转速：与压气机转速相等，统称涡轮增压器转速。,相似转速：,5）速比,为工作叶轮入口处的叶轮线速度。,轴流式：,、,径流式：,为假象燃气从进口状态不对外作功而定熵膨胀 到涡轮

5、出口压力所能达到的速度。,4涡轮特性曲线,(1) 流量特性曲线,阻塞：当转速一定时，相似流量随膨胀比的增大而增加， 直至达到流量最大值。若再继续增大膨胀比，涡 轮流量也不会再增加，这时的流量称阻塞流量。,喷嘴出口,（2）效率特性曲线：,在膨胀比一定的情况下，涡轮的定熵效率与速比之间的关系。,设计工况时，效率最高，偏离设计工况时，效率均下降。,轴流式涡轮高效率范围较宽，而径流式涡轮的较狭窄，而且 当速比超过一定数值后，涡轮效率急剧下降。,1.2.3涡轮增压器,1. 轴承在涡轮增压器上的布置形式,外支承 内支承 内外支承 悬臂支承,(1) 外支承：两个轴承位于转轴两端。,优点： a. 转子稳定性好； b. 压气机和涡轮之间空间位置较多，便于布置气体密封装置； c. 两端的轴承可分别采用单独的润滑系统，不易产生漏油和漏气现象； d. 轴径小，轴颈表面的切线速度小； e. 轴承寿命长。 f. 便于检修和更换轴承。,缺点： a. 涡轮增压器的结构复杂，质量、尺寸大，不紧凑； b. 压气机不能轴向进气，使其进口空气流场较难组织； c. 清洗涡轮增压器的工作轮较难； d.重量大，惯性矩大，瞬态特性不

6、好。,应用：多用于轴流式涡轮增压器。,(2) 内支承：两个轴承位于压气机和涡轮之间 。,优点： 压气机可以轴向进气，涡轮可以轴向排气，气流顺畅，流阻损失小； b. 涡轮增压器壳体零件简化，增压器体积小，紧凑， 转子重量轻，瞬态特性好； c. 两工作轮易于清洗。,缺点： a.两个工作轮之间的空间较小，较难安排油、气的密封装置； b.支承处轴径较粗，使其表面切线速度增加，摩擦损失大； c.涡轮端的轴承受到涡轮传入的热量较多，热负荷高； d.轴承跨距小，对转子动平衡的要求高； e.更换拆装较难,应用：中、小型涡轮增压器 。,(3)内外支承：两个轴承分别布置在转轴的一端和两工作轮之间 。,优点： a. 压气机可以轴向进气； b.涡轮端的密封容易安排； c.压气机清洗容易。,方案（c）,缺点： 压气机端轴颈的切线速度较高； 转子的稳定性较外支承的差； c. 润滑不及外支承的好 。,应用：较少 。,方案（d）,压气机不能轴向进气，其余与方案（c）类似。,(4) 悬臂支承：轴承位于压气机一侧 。,优点： a. 轴承工作温度低； b. 两个叶轮可做成一体，背对背，结构紧凑，质量和 尺寸小； c. 涡轮

7、盘可得到较好的冷却； d. 漏气损失小 。,缺点： a. 涡轮的热量容易传至压气机，使压气机效率降低； b. 转子的悬臂力矩大，稳定性不好； c. 压气机进口空气流场受到不利影响； d. 清洗两个工作轮较难 。,应用：很少 。,3 涡轮增压器的轴承,受力,转子部件的重力 气体对转子的作用力 转子不平衡质量引起的离心力 发动机振动带来的外载荷,分类,径向轴承 滚动轴承 滑动轴承 推力轴承（轴向）,滚动轴承,优点： a. 机械摩擦损失小，机械效率高； b. 低温起动性和加速性好； c. 润滑油消耗少。,缺点： 为适应涡轮增压器高转速的要求，轴承的材料和 加工精度要求很高； b. 为防止振动载荷，轴承支座必须安装减振装置； c. 结构复杂，价格较高，工作寿命较短。,应用：越来越少,滑动轴承,分类：流体静力轴承、 流体动力轴承,流体静力轴承工作原理：,流体动力轴承,工作原理：,a）静止状态 b）转动状态,滑动轴承优点：,a. 构造简单，价格便宜，使用寿命长； b. 可以用发动机润滑系统的润滑油工作； c. 对振动不敏感。,缺点： a. 机械摩擦损失较大，比滚动轴承大约高23倍； b. 消耗的润

8、滑油量较多。,应用： 径流式涡轮增压器的轴承以向心滑动轴承为主， 又分为多油楔轴承和浮动轴承。 近年来的径流式涡轮增压器几乎都采用浮动轴承。,振动问题：,高速、轻载情况下，轴在轴承的油层中会产生自振。,多油楔滑动轴承,优点：可以有效地克服油膜振动，抗振性好。,三油楔 b）四油楔,3轴承的润滑与冷却,润滑,(1) 滚动轴承,飞溅式：用于压比较低、转速较低的涡轮增压器 泵喷射式：用于增压比和转速较高的涡轮增压器,(2) 滑动轴承,压力润滑方式 润滑油的压力为0.250.4MPa,冷却,润滑油冷却,其他冷却措施,在涡轮壳和中间壳上设置水腔， 对压气机端轴承处的机壳进行气冷。,4涡轮增压器的密封与隔热,(1) 密封,气封：防止压气机的压缩空气和涡轮的燃气 进入润滑油腔。 油封：防止轴承处的润滑油漏入涡轮增压器 气流通道。,接触式密封：密封环,非接触式密封：迷宫式、甩油盘、挡油板,图1-52 密封环式密封结构,(2) 隔热,轴流式涡轮增压器的隔热措施： 在涡轮壳或中间壳内布置冷却水腔。 涡轮轴装有隔热保护套。 压气机叶轮背后设有隔热室。,径流式涡轮增压器的隔热措施： 中间壳的涡轮一侧留气室隔热，或同时兼有隔热板。 水冷中间壳。,1.3 增压技术发展里程的回眸与现状 1.3.1国外增压技术发展里程的回眸与现状,1.3.2我国增压技术发展里程的回眸与现状,图1-56 20GJ型增压器剖面图 A-压气机 B-涡轮,

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