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涡轮增压技术第四章径流式涡轮的原理与设计(1)1

径流式涡轮的原理与设计(1)径流式涡轮的特点n径流式涡轮的热力学过程n涡轮蜗壳与喷嘴环n涡轮叶轮n2

轴流涡轮介绍涡轮一般分为轴流式涡轮、混流涡轮和径流涡轮。nn轴流式涡轮适用于大流量，以获得较好的效率。在大型的船用柴油机或机车用柴油机上的涡轮增压器一般采用轴流式涡轮。3

径流式涡轮的特点---径流涡轮介绍(1)径流式离心涡轮气流流向是由中心向外缘流动。由于工作轮出口处的圆周速度很大，余速损失大，涡轮效率低，叶轮强度低，目前很少应用。n径流式离心涡轮4

径流式涡轮的特点---径流涡轮介绍（2）在目前的车用发动机及其它功率不是很大的动力设备中涡轮增压器主要采用径流向心式涡轮。气流流向是由轮缘流入中心，余速损失小，且在小流量下有较大的叶高，气体的膨胀功大部分是通过焓降直接转变为机械功，有较高的涡轮效率。n径流式向心涡轮5

径流式涡轮的特点---径流涡轮介绍（3）涡轮箱涡轮部件涡轮箱n喷嘴叶轮喷嘴/导叶n叶轮n6

径流式涡轮的特点---径流涡轮介绍（4）涡轮箱n单入口n双入口n7

径流式涡轮的特点---径流涡轮优点(1)小流量条件下（2.5kg/s）效率比轴流式涡轮高n单级膨胀比大，相同尺寸涡轮的功率较大n叶片数少，结构较简单叶轮坚固，许用转速高nn8

径流式涡轮的特点---径流涡轮优点(2)径流式涡轮能在较宽广的工作范围内保持高效率。nn向心涡轮对于动叶的气动要求较低，即使叶片的几何形状制造得不太精确，叶片表面的粗糙度较差，涡轮的效率也不会受到太大的影响。这使我们在制造叶轮时，有可能采用比较简单的，高效率的工艺。此外，在运行中动叶表面的积垢也不会引起太大的问题。9

径流式涡轮的特点---径流涡轮缺点(1)涡轮轮盘全部与燃气接触，受热面积大，转子内温度梯度大，零件热应力大。n径流式涡轮用在脉冲增压系统中，对发动机扫气有不良影响。因为扫气时发动机排气压力波焓降较小，涡轮内气体受离心力作用，有反流倾向，使扫气背压升高。n10

径流式涡轮的特点---径流涡轮缺点(2)随着现代车用动力对动力性、经济性、排放n特性等要求的不断提高，涡轮增压技术也不断向高转速、小型化、大容量方向发展，使得径流涡轮的设计比转速越来越高。然而高比转速下径流涡轮叶轮出口损失增加，从而导致涡轮效率下降。11

混流涡轮介绍(1)混流涡轮由于其叶轮结构能很好地适应气流的转折，因而其流场速度分布比径流涡轮理想，使得混流涡轮在高比转速下能保持高的涡轮效率。n12

混流涡轮介绍(2)混流涡轮由于叶轮进口速度具有轴向分量，因此可以在保持径向直叶片的同时得到正的n叶轮进口角，使涡轮峰值效率点的u/c低于传0统径流涡轮的设计点值，这一点适应了现代车用涡轮增压技术高压比、高膨胀比、小型化的发展方向，并且可以更有效地利用发动机排气能量。目前已有混流涡轮在工程实际中得到良好应用的不少实例n13

本课程涡轮部分所讲内容本课程将只讲述径流涡轮的原理与设计。nn一来，目前车用涡轮增压器中，混流涡轮还占多数。二来，混流涡轮的流动过程和径流涡轮比较相似。n14

径流式涡轮的热力学过程---流动过程(1)径流式涡轮由涡壳、喷嘴n环叶片或无叶涡壳、叶轮等组成。具有一定压力、温度和速度的燃气首先进入涡壳，由涡壳将燃气引向喷嘴环叶片或无叶喷嘴环，使气体膨胀加速，气体以α的方向从喷嘴环流1出，速度增大到c，压力1和温度分别降至p和T，1气体以相对速度w进入圆11周速度为u旋转叶轮。115

径流式涡轮的热力学过程---流动过程(2)气体在叶轮内继续膨胀做功。气体从叶轮内流出时，n其压力降到p，温度降到T。叶轮出口处气流相对22叶轮流动的速度为w，其2绝对速度为c，圆周速度为u。22由于气体的能量在叶轮中大部分已转变成叶轮功，因此c显然小于c。为减n21小余速损失应尽可能使c2沿叶轮轴线方向流出，使α为90度216

径流式涡轮的热力学过程---焓熵图在喷嘴环中，每千克气体的绝热焓降为：n在涡轮叶轮中气体的绝热焓降为：整个涡轮级的气体绝热焓降为：nn17

径流式涡轮的热力学过程---反力度在涡轮级内，喷嘴环与叶轮之间的焓降分配以反力度ρ表示，其定义为叶轮中绝热焓降对级的绝热焓降之比。n如果气体的膨胀仅发生在喷嘴环中，叶轮前后的气体压力不变，叶轮中焓降为零，则ρ为0，这样的涡轮称为冲击式涡轮。如果气体的膨胀既发生在喷嘴环中又发生在涡轮叶轮中，则称反应式涡轮。车用涡轮增压器都采用反应式涡轮，其反力度在0.45~0.55之间。n18

径流式涡轮的热力学过程---绝热效率如果没有热交换及其他能量损失，涡轮级在绝热理想情况下膨胀，由T状态膨胀到2状态n*ad的焓降，称为可用焓降H，这表示1kg燃气理论上可做的功。由于涡轮中存在各种损失及涡轮