柴油機渦輪增壓技術

概論1.1名詞解釋1.增壓壓力2.增壓比3.增壓度1.1.1反映增壓程度方面

1.定壓增壓2.脈沖增壓1.1.2反映渦輪進口氣流壓力穩定程度和能量利用程度方面1.單級渦輪增壓2.二級渦輪增壓1.1.3反映增壓器級數多少方面

1.慣性增壓2.氣波增壓1.1.4反映驅動壓機能量形式方面

3.機械增壓4.機械增壓5.復合增壓1.2渦輪增壓器

1.離心式壓氣機結構1.2.1離心式壓氣機

2.離心式壓氣機工作原理壓氣機的主要性能參數(1-11)（1-12）3.離心式壓氣機的特性圖1-21壓氣機的性能曲線及其繪制方法轉速一定時，曲線的特點

1)在某一流量下，壓比和效率有最大值;2)流量減小到某一值時，發生喘振;3)流量增大到某一數值時，出現阻塞。壓氣機的喘振

定義：當流量減少到某一數值時，壓氣機中的氣流發生強烈的低頻脈動，引起葉片振動，產生很大噪聲，稱之為喘振。喘振成因分析：1)導風輪入口處：a)流量等于設計流量－不喘振b)流量大于設計流量－不喘振c)流量小于設計流量－喘振

2)葉片擴壓器入口處

a)流量等于設計流量－不喘振b)流量大于設計流量－不喘振c)流量小于設計流量－喘振

按氣體在渦輪中流動的方向分類：（1）軸流式：燃氣沿近似與葉輪軸平行的方向流過渦輪。特點：體積大，流量范圍寬，在大流量范圍內效率較高；應用：大型渦輪增壓器。（2）徑流式:燃氣流動方向是近似沿徑向由葉輪輪緣向中心流動，出口處轉為軸向。特點：單級膨脹比大，結構緊湊，體積小，小流量范圍效率高，葉輪強度好，轉速高；應用：中、小型渦輪增壓器。（3）混流式:燃氣沿與渦輪軸傾斜的錐面流過葉輪。特點：特性介于軸流式和徑流式之間；應用：越來越多。1.2.2渦輪1.渦輪的分類按燃氣在渦輪中的焓降分類：（1）沖擊式:燃氣的壓力和溫度在噴嘴中全部轉化為動能，依靠燃氣動能在葉片通道中轉彎產生的離心力對葉輪形成的沖擊力矩推動葉輪作功。特點：葉輪中燃氣不膨脹，葉輪前后氣體壓力不變，焓降為零；（2）反力式:燃氣的一部分能量在噴嘴中轉化為動能，另一部分在葉輪通道中繼續膨脹轉化為動能的同時依靠氣流與葉片相對速度增加所產生的反作用力推動渦輪作功。特點：氣流速度低，葉片彎曲程度小，損失小，效率高；應用：廣泛，尤其是高壓比渦輪。（1）軸流式渦輪的結構蝸殼：蝸殼按進氣方向分類：軸向進氣徑向進氣切向進氣蝸殼按進口數分類：單進口多進口特殊結構：軸承支承和潤滑油腔；冷卻水夾層。2渦輪的結構（2）徑流式渦輪的結構蝸殼作用：將廢氣以較小的流動損失均勻分布到噴嘴環入口。蝸殼效率：蝸殼進氣狀態和膨脹比一定的條件下，壓力能轉化為動能的實際轉化量與定熵轉化量之比。噴嘴環作用：使廢氣膨脹加速并按規定方向進入葉輪。噴嘴環效率：進氣狀態和膨脹比一定的條件下，壓力能轉化為動能的實際轉化量與定熵轉化量之比。工作葉輪作用：將氣體動能轉化為機械能。葉輪效率：在葉輪進氣狀態和膨脹比一定的條件下，氣體對葉輪的實際作功與定熵過程對葉輪作功之比。排氣殼作用：收集廢氣，送入大氣。形狀：漸擴形，使氣體膨脹充分，降低葉輪背壓。渦輪的級：一列與外殼相聯的噴嘴環

一列與軸相聯的葉輪3.渦輪的工作原理：（1）葉輪進、出口速度三角形

－葉輪旋轉的線速度；

－氣體由噴嘴流出的絕對速度；分為徑向分速度軸向分速度－氣體流入葉輪時的相對速度；－葉輪入口絕對速度的氣流角；－葉輪入口相對速度的氣流角；－氣體在葉輪出口的絕對速度；－氣體由葉輪流出時的相對速度；－葉輪出口絕對速度的氣流角；－葉輪出口相對速度的氣流角。－葉輪入口的輪周線速度，－葉輪出口等流量平均半徑處的線速度，其他符號的含義與軸流式渦輪相同。

（2）渦輪工作過程的焓熵圖氣體對渦輪作功的表達式理想過程：

功＝渦輪入口滯止焓－定熵過程葉輪出口靜焓實際過程：反力度（反動度）：葉輪中的焓降/總焓降軸流式渦輪，徑流式渦輪，純沖動式渦輪（3）渦輪主要工作參數1）定熵效率：實際過程氣體對渦輪作功與理想的定熵過程氣體對渦輪作功的最大可用能量之比。2）膨脹比：渦輪進口氣體滯止壓力與渦輪出口氣體靜壓力之比。3）流量：單位時間內通過渦輪的氣體質量。折合流量：非設計工況下的相似流量與設計工況下的相似流量之比。相似流量：不同入口氣體狀態時，常用無量綱相似流量4）渦輪轉速：與壓氣機轉速相等，統稱渦輪增壓器轉速。相似轉速：

5）速比為工作葉輪入口處的葉輪線速度。軸流式：

、徑流式：

為假象燃氣從進口狀態不對外作功而定熵膨脹到渦輪出口壓力所能達到的速度。4．渦輪特性曲線(1)

流量特性曲線

阻塞：當轉速一定時，相似流量隨膨脹比的增大而增加，直至達到流量最大值。若再繼續增大膨脹比，渦輪流量也不會再增加，這時的流量稱阻塞流量。★噴嘴出口

（2）效率特性曲線：在膨脹比一定的情況下，渦輪的定熵效率與速比之間的關系。設計工況時，效率最高，偏離設計工況時，效率均下降。軸流式渦輪高效率范圍較寬，而徑流式渦輪的較狹窄，而且當速比超過一定數值后，渦輪效率急劇下降。1.2.3渦輪增壓器1.軸承在渦輪增壓器上的布置形式

外支承內支承內外支承懸臂支承

(1)外支承：兩個軸承位于轉軸兩端。優點：a.轉子穩定性好；b.壓氣機和渦輪之間空間位置較多，便于布置氣體密封裝置；c.兩端的軸承可分別采用單獨的潤滑系統，不易產生漏油和漏氣現象；d.軸徑小，軸頸表面的切線速度小；e.軸承壽命長。f.便于檢修和更換軸承。缺點：

a.渦輪增壓器的結構復雜，質量、尺寸大，不緊湊；b.壓氣機不能軸向進氣，使其進口空氣流場較難組織；c.清洗渦輪增壓器的工作輪較難；d.重量大，慣性矩大，瞬態特性不好。應用：多用于軸流式渦輪增壓器。(2)內支承：兩個軸承位于壓氣機和渦輪之間。優點：壓氣機可以軸向進氣，渦輪可以軸向排氣，氣流順暢，流阻損失小；b.渦輪增壓器殼體零件簡化，增壓器體積小，緊湊，轉子重量輕，瞬態特性好；c.兩工作輪易于清洗。

缺點：

a.兩個工作輪之間的空間較小，較難安排油、氣的密封裝置；b.支承處軸徑較粗，使其表面切線速度增加，摩擦損失大；c.渦輪端的軸承受到渦輪傳入的熱量較多，熱負荷高；d.軸承跨距小，對轉子動平衡的要求高；e.更換拆裝較難

應用：中、小型渦輪增壓器

。(3)內外支承：兩個軸承分別布置在轉軸的一端和兩工作輪之間。優點：a.壓氣機可以軸向進氣；b.渦輪端的密封容易安排；c.壓氣機清洗容易。方案（c）缺點：

壓氣機端軸頸的切線速度較高；轉子的穩定性較外支承的差；c.潤滑不及外支承的好。應用：較少

。方案（d）壓氣機不能軸向進氣，其余與方案（c）類似。

(4)懸臂支承：軸承位于壓氣機一側。優點：a.軸承工作溫度低；b.兩個葉輪可做成一體，背對背，結構緊湊，質量和尺寸小；c.渦輪盤可得到較好的冷卻；d.漏氣損失小。缺點：

a.渦輪的熱量容易傳至壓氣機，使壓氣機效率降低；b.轉子的懸臂力矩大，穩定性不好；c.壓氣機進口空氣流場受到不利影響；d.清洗兩個工作輪較難。應用：很少

。3渦輪增壓器的軸承受力

轉子部件的重力氣體對轉子的作用力轉子不平衡質量引起的離心力發動機振動帶來的外載荷分類徑向軸承滾動軸承滑動軸承推力軸承（軸向）滾動軸承

優點：a.機械摩擦損失小，機械效率高；b.低溫起動性和加速性好；c.潤滑油消耗少。缺點：為適應渦輪增壓器高轉速的要求，軸承的材料和加工精度要求很高；b.為防止振動載荷，軸承支座必須安裝減振裝置；c.結構復雜，價格較高，工作壽命較短。應用：越來越少滑動軸承

分類：流體靜力軸承、流體動力軸承流體靜力軸承工作原理：

流體動力軸承

工作原理：a）靜止狀態b）轉動狀態滑動軸承優點：a.構造簡單，價格便宜，使用壽命長；b.可以用發動機潤滑系統的潤滑油工作；c.對振動不敏感。缺點：a.機械摩擦損失較大，比滾動軸承大約高2～3倍；b.消耗的潤滑油量較多。應用：徑流式渦輪增壓器的軸承以向心滑動軸承為主，又分為多油楔軸承和浮動軸承。近年來的徑流式渦輪增壓器幾乎都采用浮動軸承。振動問題：

高速、輕載情況下，軸在軸承的油層中會產生自振。多油楔滑動軸承

優點：可以有效地克服油膜振動，抗振性好。三油楔b）四油楔3．軸承的潤滑與冷卻潤滑

(1)滾動軸承飛濺式：用于壓比較低、轉速較低的渦輪增壓器泵噴射式：用于增壓比和轉速較高的渦輪增壓器(2)滑動軸承壓力潤滑方式潤滑油的壓力為0.25～0.4MPa冷卻

潤滑油冷卻其他冷卻措施在渦輪殼和中間殼上設置水腔，對壓氣機端軸承處的機殼進行氣冷。4．渦輪增壓器的密封與隔熱(1)密封氣封：防止壓氣機的壓縮空氣和渦輪的燃氣進入潤滑油腔。油封：防止軸承處的潤滑油漏入渦輪增壓器氣流通道。接觸式密封：密封環

非接觸式密封：迷宮