徑流式渦輪的原理與設計PPT精選文檔

1、1第四章徑流式渦輪的原理與設計(1)渦輪增壓技術渦輪增壓技術2徑流式渦輪的原理與設計徑流式渦輪的原理與設計(1)n 徑流式渦輪的特點n 徑流式渦輪的熱力學過程n 渦輪蝸殼與噴嘴環(huán)n 渦輪葉輪3軸流渦輪介紹軸流渦輪介紹n渦輪一般分為軸流式渦輪、混流渦輪和徑流渦輪。n軸流式渦輪適用于大流量，以獲得較好的效率。在大型的船用柴油機或機車用柴油機上的渦輪增壓器一般采用軸流式渦輪。4徑流式渦輪的特點徑流式渦輪的特點n徑流式離心渦輪氣流流向是由中心向外緣流動。由于工作輪出口處的圓周速度很大，余速損失大，渦輪效率低，葉輪強度低，目前很少應用。-徑流渦輪介紹徑流渦輪介紹(1)(1)徑流式離心渦輪5徑流式渦輪的特

2、點徑流式渦輪的特點n在目前的車用發(fā)動機及其它功率不是很大的動力設備中渦輪增壓器主要采用徑流向心式渦輪。氣流流向是由輪緣流入中心，余速損失小，且在小流量下有較大的葉高，氣體的膨脹功大部分是通過焓降直接轉變?yōu)闄C械功，有較高的渦輪效率。-徑流渦輪介紹（徑流渦輪介紹（2 2）徑流式向心渦輪6徑流式渦輪的特點徑流式渦輪的特點渦輪部件n渦輪箱n噴嘴/導葉n葉輪-徑流渦輪介紹（徑流渦輪介紹（3 3）渦輪箱噴嘴葉輪7徑流式渦輪的特點徑流式渦輪的特點-徑流渦輪介紹（徑流渦輪介紹（4 4）n渦輪箱n單入口n雙入口8徑流式渦輪的特點徑流式渦輪的特點n小流量條件下（2.5 kg/s）效率比軸流式渦輪高n單級膨脹比大，

3、相同尺寸渦輪的功率較大n葉片數(shù)少，結構較簡單n葉輪堅固，許用轉速高-徑流渦輪優(yōu)點徑流渦輪優(yōu)點(1)(1)9徑流式渦輪的特點徑流式渦輪的特點n徑流式渦輪能在較寬廣的工作范圍內(nèi)保持高效率。n向心渦輪對于動葉的氣動要求較低，即使葉片的幾何形狀制造得不太精確，葉片表面的粗糙度較差，渦輪的效率也不會受到太大的影響。這使我們在制造葉輪時，有可能采用比較簡單的，高效率的工藝。此外，在運行中動葉表面的積垢也不會引起太大的問題。-徑流渦輪優(yōu)點徑流渦輪優(yōu)點(2)(2)10徑流式渦輪的特點徑流式渦輪的特點n渦輪輪盤全部與燃氣接觸，受熱面積大，轉子內(nèi)溫度梯度大，零件熱應力大。n徑流式渦輪用在脈沖增壓系統(tǒng)中，對發(fā)動機掃

4、氣有不良影響。因為掃氣時發(fā)動機排氣壓力波焓降較小，渦輪內(nèi)氣體受離心力作用，有反流傾向，使掃氣背壓升高。-徑流渦輪缺點徑流渦輪缺點(1)(1)11徑流式渦輪的特點徑流式渦輪的特點n隨著現(xiàn)代車用動力對動力性、經(jīng)濟性、排放特性等要求的不斷提高，渦輪增壓技術也不斷向高轉速、小型化、大容量方向發(fā)展，使得徑流渦輪的設計比轉速越來越高。然而高比轉速下徑流渦輪葉輪出口損失增加，從而導致渦輪效率下降。-徑流渦輪缺點徑流渦輪缺點(2)(2)12混流渦輪介紹混流渦輪介紹(1)n混流渦輪由于其葉輪結構能很好地適應氣流的轉折，因而其流場速度分布比徑流渦輪理想，使得混流渦輪在高比轉速下能保持高的渦輪效率。13混流渦輪介紹

5、混流渦輪介紹(2)n混流渦輪由于葉輪進口速度具有軸向分量，因此可以在保持徑向直葉片的同時得到正的葉輪進口角，使渦輪峰值效率點的u/c0低于傳統(tǒng)徑流渦輪的設計點值，這一點適應了現(xiàn)代車用渦輪增壓技術高壓比、高膨脹比、小型化的發(fā)展方向，并且可以更有效地利用發(fā)動機排氣能量。n目前已有混流渦輪在工程實際中得到良好應用的不少實例14本課程渦輪部分所講內(nèi)容本課程渦輪部分所講內(nèi)容n本課程將只講述徑流渦輪的原理與設計。n一來，目前車用渦輪增壓器中，混流渦輪還占多數(shù)。n二來，混流渦輪的流動過程和徑流渦輪比較相似。15徑流式渦輪的熱力學過程徑流式渦輪的熱力學過程n徑流式渦輪由渦殼、噴嘴環(huán)葉片或無葉渦殼、葉輪等組成。

6、具有一定壓力、溫度和速度的燃氣首先進入渦殼，由渦殼將燃氣引向噴嘴環(huán)葉片或無葉噴嘴環(huán)，使氣體膨脹加速，氣體以1的方向從噴嘴環(huán)流出，速度增大到c1，壓力和溫度分別降至p1和T1，氣體以相對速度w1進入圓周速度為u1旋轉葉輪。-流動過程流動過程(1)(1)16徑流式渦輪的熱力學過程徑流式渦輪的熱力學過程n氣體在葉輪內(nèi)繼續(xù)膨脹做功。氣體從葉輪內(nèi)流出時，其壓力降到p2，溫度降到T2。葉輪出口處氣流相對葉輪流動的速度為w2，其絕對速度為c2，圓周速度為u2。n由于氣體的能量在葉輪中大部分已轉變成葉輪功，因此c2顯然小于c1。為減小余速損失應盡可能使c2沿葉輪軸線方向流出，使2為90度-流動過程流動過程(2

7、)(2)17徑流式渦輪的熱力學過程徑流式渦輪的熱力學過程n在噴嘴環(huán)中，每千克氣體的絕熱焓降為：n在渦輪葉輪中氣體的絕熱焓降為：n整個渦輪級的氣體絕熱焓降為：-焓熵圖焓熵圖adTpadTnadTTcIIH1*1*adpadiadTTcIIH2121kkTTadTpadTTadppRTkkTTcIIH1*2*2*2*1118徑流式渦輪的熱力學過程徑流式渦輪的熱力學過程n在渦輪級內(nèi)，噴嘴環(huán)與葉輪之間的焓降分配以反力度表示，其定義為葉輪中絕熱焓降對級的絕熱焓降之比。n如果氣體的膨脹僅發(fā)生在噴嘴環(huán)中，葉輪前后的氣體壓力不變，葉輪中焓降為零，則為0，這樣的渦輪稱為沖擊式渦輪。如果氣體的膨脹既發(fā)生在噴嘴環(huán)中

8、又發(fā)生在渦輪葉輪中，則稱反應式渦輪。車用渦輪增壓器都采用反應式渦輪，其反力度在0.450.55之間。-反力度反力度TadiadHH19徑流式渦輪的熱力學過程徑流式渦輪的熱力學過程n如果沒有熱交換及其他能量損失，渦輪級在絕熱理想情況下膨脹，由T*狀態(tài)膨脹到2ad狀態(tài)的焓降，稱為可用焓降HTad，這表示1kg燃氣理論上可做的功。由于渦輪中存在各種損失及渦輪出口速度不為0，實際有效焓降hT小于可用焓降,兩者之比稱為渦輪的絕熱效率。-絕熱效率絕熱效率TadTadTTTadHhIIII2*2*222*2*2*cHhIIIITadTadTTTad20渦輪渦殼與噴嘴環(huán)渦輪渦殼與噴嘴環(huán)-無葉渦殼與有葉渦殼無葉

9、渦殼與有葉渦殼(1)(1)21渦輪渦殼與噴嘴環(huán)渦輪渦殼與噴嘴環(huán)-無葉渦殼與有葉渦殼無葉渦殼與有葉渦殼(2)(2)n無葉渦殼結構簡單，尺寸小。n對于小型車用渦輪增壓器來說，無葉渦殼可提高渦輪級效率。n無葉渦殼特性平坦，適合渦輪在變工況條件下工作。n無葉渦殼具有脈沖轉換器的作用。n無葉渦殼工作噪音小。n早期的有葉渦殼噴嘴葉片位置不可變，適應的流量范圍較窄，對于車用不是十分適合。n現(xiàn)在的有葉渦殼大多用在可調渦輪增壓器上，噴嘴葉片位置可變，它可使發(fā)動機與增壓器獲得更為良好的匹配。n可調渦輪增壓器需要更為細致及精確的控制系統(tǒng)。22渦輪渦殼與噴嘴環(huán)渦輪渦殼與噴嘴環(huán)-無葉渦殼的設計無葉渦殼的設計(1)(1)

10、n無葉渦殼設計較為復雜，無葉渦殼內(nèi)氣流具有三元性質，擬定精確計算時，存在著許多困難，為了便于實際簡化計算，特做如下假設：n流經(jīng)渦殼的氣體為理想氣體，無粘性。n在渦殼流道與葉輪進口之間的環(huán)形通道內(nèi)，氣流分布是均勻的。n在無葉渦殼流道內(nèi)氣體流動是穩(wěn)定的，并認為從渦殼進口到每個截面的氣體密度是不變的。23渦輪渦殼與噴嘴環(huán)渦輪渦殼與噴嘴環(huán)-無葉渦殼的設計無葉渦殼的設計(2)(2)n以左圖所示的圓形流道截面形狀的單流道無葉渦殼為例，推導渦殼的計算方法。n從無葉渦殼的入口截面A0到出口截面A1，氣體的流動應滿足連續(xù)性方程：n對不可壓縮流體11111000sincbdAc11110210sin4dbccdd

11、24渦輪渦殼與噴嘴環(huán)渦輪渦殼與噴嘴環(huán)-無葉渦殼的設計無葉渦殼的設計(3)(3)n對于渦殼流道的各截面，根據(jù)位能渦流等環(huán)量定律，有如下方程：111000cos2cosdcrcn對于不可壓流體，0很小，2cos11100cdrcn對于不可壓流體，上兩式可進一步寫為：1101110sin2ccdbdd101102cosccdr25渦輪渦殼與噴嘴環(huán)渦輪渦殼與噴嘴環(huán)-無葉渦殼的設計無葉渦殼的設計(4)(4)n根據(jù)無葉渦殼的幾何尺寸關系可得：22010dldrn由以上三式可知，無葉渦殼的外形尺寸主要取決于c0/c1。c0/c1被稱為加速系數(shù)。n通過渦輪的熱力計算，在一些參數(shù)如d1，b1/ d1，1和l/b

12、1確定之后，可以通過查一些圖表或計算來確定c0/c1。從而確定r0和d0。nc0/c1的確定。26渦輪渦殼與噴嘴環(huán)渦輪渦殼與噴嘴環(huán)-無葉渦殼的設計無葉渦殼的設計(5)(5)n對于除掉0-0截面之外的其它截面，如截面。該截面處氣體的流量M為:n所以截面處的連續(xù)性方程為：22 TMMn聯(lián)合等環(huán)量方程和其它方程，可以求解d的值。這樣所有截面的流道尺寸都可以確定。111121sin224dbcddc27渦輪渦殼與噴嘴環(huán)渦輪渦殼與噴嘴環(huán)-無葉渦殼的設計無葉渦殼的設計(6)(6)n以上簡化計算是針對不可壓流體而言的，對于可壓縮流體而言，還要對噴嘴環(huán)的出口氣流角1進行修正。n如果要考慮到氣體流動損失，渦殼出

13、口的實際氣流速度c1低于理論值c1t，須引入修正系數(shù)-速度系數(shù)。一般可取0.96至0.97。tcc1128渦輪渦殼與噴嘴環(huán)渦輪渦殼與噴嘴環(huán)-無葉渦殼的設計無葉渦殼的設計(7)(7)n考慮到實際情況，渦殼流道截面可能不是圓形的，渦殼流道的長度也不可能沿360度環(huán)形分布，渦殼的流道數(shù)也可能不止一個。這時候通過截面的流量為：n其中，為渦殼的部分進氣度，在0.9-1之間。為渦殼流道數(shù)，單流道渦殼為1，雙流道為221tan211111uucbrdAcM29渦輪渦殼與噴嘴環(huán)渦輪渦殼與噴嘴環(huán)-無葉渦殼的設計無葉渦殼的設計(8)(8)n如果把 代入上式，同時假設氣體密度沿流道不變，即=T，并假設速度系數(shù)沿流道

14、也沒有變化，則無葉渦殼的計算公式為：n上式將角與該截面處的結構參數(shù)聯(lián)系在一起。11rcrcuu111tan222brdAT30渦輪渦殼與噴嘴環(huán)渦輪渦殼與噴嘴環(huán)-無葉渦殼的設計無葉渦殼的設計(9)(9)n如左側所示的單流道梨形渦殼，要求確定截面處形狀。由渦輪熱力計算已知：n渦殼出口直徑d1=0.15米n渦殼出口寬度b1=0.021米n渦殼出口氣流角1=1920n流道中氣體密度T=0.70n渦殼出口氣體密度1=0.61n速度系數(shù)=0.9631渦輪渦殼與噴嘴環(huán)渦輪渦殼與噴嘴環(huán)-無葉渦殼的設計無葉渦殼的設計(10)(10)n選定無葉渦殼的一些結構特征參數(shù)，如加速段長度和無葉渦殼出口寬度之比(0.4)，

15、渦殼結構角s(25度)，結構角交點半徑re(0.075米)。則：4244433332222111rdArdArdArdArdA32渦輪渦殼與噴嘴環(huán)渦輪渦殼與噴嘴環(huán)-無葉渦殼的設計無葉渦殼的設計(11)(11)n對上頁所列積分表達式分別進行積分，并將積分結果帶入的表達式，即可得到渦殼特征尺寸與渦殼方位角的關系。33渦輪渦殼與噴嘴環(huán)渦輪渦殼與噴嘴環(huán)-無葉渦殼的設計無葉渦殼的設計(12)(12)n在確定了截面方位角和特征尺寸的關系后，就可以繪制出每一截面的剖面圖，用來制作鑄造渦殼的模具。34渦輪葉輪渦輪葉輪-比轉速的定義比轉速的定義n比轉速ns是表示幾何相似的渦輪，實現(xiàn)相似工作條件的一個參數(shù)，也是渦

16、輪設計的主要準則。渦輪比轉速的表達式為：n式中，HTad，渦輪級的絕熱焓降nQ2 渦輪出口體積流量nn 渦輪轉速4/32/12TadsHnQn kkTTTadppRTkkH1*2*1135渦輪葉輪渦輪葉輪-比轉速的推導比轉速的推導(1)(1)n通過渦輪的氣體體積流量Q2n渦輪級絕熱焓降n現(xiàn)在把渦輪與一個基型渦輪比較3222nDuDcDcAQ2222ssTadsTadDnDnHH2222DnucHTad3322sssDnnDQQ36渦輪葉輪渦輪葉輪-比轉速的推導比轉速的推導(2)(2)n令Q2s=1，HTads=1，聯(lián)立求解：nns和Ds也都是無量綱量。4/32/12TadsHnQn 2/124

17、/1QDHDTads37渦輪葉輪渦輪葉輪-速度比速度比u u1 1/c/cadad(1)(1)n如果渦輪級的絕熱焓降，以理論速度cad來表示，則有：n可以確定以ns和Ds表達的u1/cad的表達式，u1/cad決定著渦輪的效率。22adTadcH2601ssadDncu38渦輪葉輪渦輪葉輪-速度比速度比u u1 1/c/cadad(2)(2)n在徑流式渦輪中，在速度比u1/cad為0.6-0.7范圍內(nèi)渦輪效率最高。n在設計渦輪時，當渦輪的焓降確定以后，便可根據(jù)相似渦輪已有的實驗數(shù)據(jù)，選擇速比u1/cad，來確定渦輪的輪緣速度u1。速度比u1/cad與渦輪效率T的關系39渦輪葉輪渦輪葉輪-幾何相

18、似幾何相似n對于幾何上相似的渦輪，可以認為它的如下參數(shù)相等：渦輪進口葉片寬度與進口直徑比b1/D1，噴嘴環(huán)葉片出口角n，葉輪葉片進出口結構角b1,b2，葉輪和殼體之間的間隙與進口葉片寬度比，葉片節(jié)距與直徑比，以及相對粗糙度。因為渦輪的損失是這些參數(shù)的函數(shù)，所以在幾何相似的渦輪中，若ns和Ds相等，則渦輪的效率應當相等。40渦輪葉輪渦輪葉輪-氣體流經(jīng)葉輪通道時的能量轉換氣體流經(jīng)葉輪通道時的能量轉換(1)(1)n氣體流經(jīng)葉輪通道時發(fā)生能量轉換。氣體通過葉輪所完成的功，用歐拉動量矩方程直接求得：n從葉輪進出口速度三角形得：222111coscoscucuWTu11111coscoswuc22222c

19、oscoswuc41渦輪葉輪渦輪葉輪-氣體流經(jīng)葉輪通道時的能量轉換氣體流經(jīng)葉輪通道時的能量轉換(2)(2)n由上式可以得到：n對進出口速度三角形，應用余弦定理，可得：n代入上式可得：2122222111coscosuuwuwuWTu212121111cos2cuwwu222222222cos2cuwwu222222121222221uuwwccWTu42渦輪葉輪渦輪葉輪-哥氏力哥氏力(1)(1)n如左側的葉輪通道內(nèi)，取氣體微元分析，該微元所受的絕對加速度是相對加速度、牽連加速度與哥氏加速度的向量和。哥氏加速度k體現(xiàn)了徑流渦輪的特點：nw 微元氣體的相對速度n 葉輪等速旋轉的角速度 wK243渦

20、輪葉輪渦輪葉輪-哥氏力哥氏力(2)(2)n作用在葉輪流道中微元氣體質量dm上的哥氏力的圓周分力dFKu，徑向分力dFKr：nwr 相對速度的徑向分速度nwu 相對速度的圓周分速度dmwdFrKu2dmwdFuKr2n微元氣體質量dm中，哥氏力傳給葉輪的功率為:n又因為：n所以：KukudFdNdrrbdm2rdrwrbdNrK2444渦輪葉輪渦輪葉輪-哥氏力哥氏力(3)(3)n流經(jīng)渦輪葉輪的氣體質量流量為：n對功的微分方程從r1到r2積分，得：rTwrbM22221uuMNTKn對1千克氣體，哥氏力加給葉輪的功為：n由此可見，在徑流式向心渦輪中，哥氏力所產(chǎn)生的功，是由氣體傳給葉輪。2221uu

21、MNWTKK45渦輪葉輪渦輪葉輪-哥氏力哥氏力(4)(4)n如果渦輪葉片嚴格按照徑向排列，流道中各截面上的相對速度是順著半徑方向的，其進出口速度三角形有如下關系：n將上述兩式代入氣體流經(jīng)葉輪時所產(chǎn)生的葉輪功WTu的表達式。222222uwcn因為：n所以：n由此可見在上述特殊假設下，哥氏力是產(chǎn)生轉動力矩的唯一力。2221uuWTu212121uwc222222121222221uuwwcc46渦輪葉輪渦輪葉輪-氣體沿葉輪流道切向寬度的速度分布氣體沿葉輪流道切向寬度的速度分布(1)(1)n對具有徑向葉片的渦輪，沿通道切向寬度bu，氣體的速度分布是不均勻的。nw 葉片工作面氣流速度nw 葉片非工作

22、面氣流速度nbu 環(huán)流速度n由此可見，如果葉片數(shù)目太少，流道寬度太寬，則會產(chǎn)生倒流現(xiàn)象，這是不允許的。umbwwumbww 47n在葉輪進口處氣流的平均速度為：n同時：n式中zT，葉片數(shù)渦輪葉輪渦輪葉輪-氣體沿葉輪流道切向寬度的速度分布氣體沿葉輪流道切向寬度的速度分布(2)(2)n發(fā)生倒流情況的臨界條件是：n為防止倒流，最少葉片數(shù)zTmin應為：1rmcw TTuzuzrb11220211Trzuc11min2rTcuz48n若1=90時，則有：n所以，最少葉片數(shù)為：渦輪葉輪渦輪葉輪-氣體沿葉輪流道切向寬度的速度分布氣體沿葉輪流道切向寬度的速度分布(3)(3)n上述計算僅是一種近似估算，渦輪葉

23、片數(shù)不可太少也不可太多。太多會增大摩擦損失，并使葉輪重量增加，降低渦輪增壓器的瞬態(tài)響應性。111tan1rcu1mintan2Tz49渦輪葉輪渦輪葉輪-渦輪葉輪進口參數(shù)分析渦輪葉輪進口參數(shù)分析(1)(1)n氣體進入渦輪的速度與氣體從噴嘴環(huán)出口的速度是一致的。因此，氣流絕對速度的方向角與噴嘴環(huán)出口氣流角1相同。葉片結構角b1與進口相對速度氣流角1的差值為沖角i，對于直葉片葉輪，i在-12至+5之間較好。負沖角的絕對值較大，是因為哥氏力可以抑制葉片工作面上的附面層的發(fā)展，使工作面上的氣流更不容易脫離。50渦輪葉輪渦輪葉輪-渦輪葉輪進口參數(shù)分析渦輪葉輪進口參數(shù)分析(2)(2)n進口絕對速度c1為：n

24、進口相對速度w1為：n絕對速度的徑向分速度：1111sini90sinuc11111sinsinuw11111sinsini90sinucrn由于葉片的厚度，實際的徑向速度cr1大于上式的計算值。n其中，1為收縮系數(shù)。nzT 葉片數(shù)nT 葉片厚度111rrcc111DzDTT51渦輪葉輪渦輪葉輪-渦輪葉輪進口參數(shù)分析渦輪葉輪進口參數(shù)分析(3)(3)n葉輪進口處的氣體壓力：nn，噴嘴環(huán)中的膨脹比nTpp*11*111kkTnadnRTHkknHnad為噴嘴環(huán)中的絕熱焓降n葉輪進口溫度：n進口氣體密度：2212cHnadRHkkTTnadT2*11111RTp52渦輪葉輪渦輪葉輪-渦輪葉輪出口參數(shù)分析渦輪葉輪出口參數(shù)分析(1)(1)n氣體流經(jīng)葉輪時，葉輪進口壓力由p1膨脹到出口壓力p2，因有損失，葉輪出口的實際相對速度w2小于理論值w2t：n由渦輪的焓熵圖可得：nHiad，葉輪中的絕熱焓降nhn，噴嘴環(huán)中的實