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內燃機渦輪增壓器的廢氣渦輪和壓氣葉輪的形狀為什麼不同?

2018年04月08日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 26 ℃ 次

【loversonly的回答(22票)】:

題圖裡面是個高級貨,使用球軸承,能夠提高軸承效率,改善低速響應。

以前做過一陣子車用增壓器壓縮機葉輪設計,簡單說一下葉輪設計。

車用增壓器離心葉輪設計是個很困難的工作,因為受到加工方式的限制,葉片只能扭,不能彎,也沒有3D的設計方法,需要在性能,加工性,應力等方面權衡。

拿離心壓縮機葉輪為例(因為有很多年不做了,可能會有不少錯誤,拋磚引玉):

  1. 葉輪進口根部直徑:由設計點的流量和應力決定
  2. 葉輪進口直徑:設計點流量,最高進氣相對馬赫數最低
  3. 葉輪進口角度:設計點的流量,壓縮機的喘振和阻塞邊界
  4. 葉根和葉頂型線:控制氣流分離
  5. 出口直徑:壓縮機的壓縮能力
  6. 葉片數:做功能力,稠度,
  7. 葉片厚度:自振頻率
  8. 葉片出口後彎角:應力
  9. 葉片形狀(beta和gama角,不記得是不是這個名字了):氣流分離,葉片載荷的分佈

先對以上參數進行2維計算和優化,生成3維模型,再進行CFD/FEA計算,分析氣流的分離,葉片的載荷,輪子的應力等,然後再返回2維修改參數,週而復始。

所以根據發動機性能的不同,一般一種葉輪直徑,也會有多種性能的輪子設計可供選擇。有的傾向高壓比,有的傾向低速效率等。

軸流式的壓縮機和渦輪都有,但是軸流式單極的壓縮能力有限,所以內燃機上的壓縮機都是離心式的;軸流渦輪的話,只在大型船用機上才使用,因為車用的增壓器尺寸較小,雖然軸流的效率高,但使用軸流佈置必須從轉子靠近中間體的進氣,會使得燃氣的熱量更多的傳遞到中間體,造成潤滑油結焦問題。所以車用增壓器都是徑流式設計。

向心和離心的問題:壓縮機和渦輪機的葉輪設計,其實就是在旋轉坐標系下設計管道。

作為壓縮機,氣流在槽道(葉片與葉片之間形成的通道)中相對葉輪的速度應該是降低的,將動能轉換成壓力能,如果把槽道想像成一個管子,那麼這個管子應該是擴張的。

渦輪相反,氣體膨脹,氣流相對速度升高,槽道應該是收縮的。

那麼只有向心才能設計出收縮的管道,離心才能設計出擴張的管道

水輪機因為工質不能膨脹,所以設計的原理完全不同。

這方面我非常生疏了,在這賣弄一下,歡迎專家指導。

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@刈木

軸流渦輪的流道截面應該也是收縮的。我找到一個講義

渦輪工作原理及特性

裡面也說到「工作輪葉珊通道也呈收斂形」。22頁給出的渦輪和壓縮機的對比也說明這個問題。

因為在向心渦輪中,不像軸流渦輪,葉片的厚度變化是很小的;因為拔模的原因,大徑處的葉片角必須是徑向的,所以只能通過向心的方式獲得收縮的流道,而無法通過離心的方式獲得收縮的流道。

【刈木的回答(7票)】:

首先明確渦輪增壓器的工作原理:

(圖來自百度百科詞條「渦輪增壓原理」)(圖來自百度百科詞條「渦輪增壓原理」)

內燃機廢氣依然具有較高的溫度和壓力且具有一定的動能,進入渦輪後膨脹做功,推動渦輪旋轉,由此帶動壓氣機葉片旋轉,壓氣機將空氣燃油混合氣更多地壓入內燃機氣缸,以此獲得更強的動力輸出。

基於此可以回答問題:

1. 為什麼渦輪不能做成離心式?

渦輪可以是軸流式,也可以是向心式。向心式和離心式相反,氣流從遠離轉軸的入口處進入,從靠近轉軸的出口流出。渦輪是做功部件,應該考慮的是如何從高溫高壓氣體中吸收更多的能量;想像一下,離轉軸越遠氣體的旋轉速度越高,向心式的設計使得這部分因為越來越靠近轉軸而減少的氣體動能也轉化為渦輪動能。因此向心式渦輪設計確實可以獲得更多的輪周功。相反,離心式則可以用在壓氣機上,因為離心式的設計可以把氣流「甩」出去(對氣流做更多地功)而獲得更好的增壓效果。

2. 題主給出的圖中渦輪其實就是向心式的葉片。

仔細看右邊最上面那個葉片,氣流正是垂直轉軸進入,最後沿著軸向方向流出。事實上,多數渦輪增壓器就是採用向心式渦輪+離心式壓氣機的形式,因為這種構型可以獲得更高的能量利用率,有更高的轉速,性能響應也更快。

關於壓氣機葉片和渦輪葉片的彎度差異, @吳狀說明得很詳細啦。

標籤:-流體力學 -發動機 -內燃機 -渦輪增壓器


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