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1、第四章第三章径流式涡轮的原理与设计(2)涡轮增压技术涡轮增压技术1径流式涡轮的原理与设计径流式涡轮的原理与设计(2)n 涡轮效率与各主要参数之间的关系n 径流式涡轮特性n 径流式涡轮的热力计算2涡轮效率与各主要参数涡轮效率与各主要参数n气体流经涡轮叶轮时，在轮周上所做的功WTu，与涡轮级可用焓降HTad之比，定义为涡轮的轮缘效率u。n轮缘效率只考虑喷嘴环、叶轮中的能量损失和余速损失。-轮缘效率轮缘效率(1)(1)n所以，轮缘效率的表达式又可以写成：n如果定义为相对损失系数。n则轮缘效率的表达式又可写成：3涡轮效率与各主要参数涡轮效率与各主要参数n如果针对各项损失，单独做出分析，则不容易得出某些
2、参数对轮缘效率总的影响。对轮缘效率写出总的关系式：-轮缘效率轮缘效率(2)(2)n可以看出影响轮缘效率的主要因素有四个：喷嘴环速度系数，涡轮进口速度比u1/c1，反力度，轮径比D2/D1。4涡轮效率与各主要参数涡轮效率与各主要参数n喷嘴环速度系数对轮缘效率u影响较大，几乎与2成比例。所以在生产加工过程中，对喷嘴环的表面光洁度要求高，对叶轮通道表面的光洁度要求可以低一些。n从左图还可以看出来，存在着最佳速度比u1/c1，此时轮缘效率最高，可以求解得出。（通常取0.9至0.95。）-轮缘效率轮缘效率(3)(3)5涡轮效率与各主要参数涡轮效率与各主要参数n反力度是径流涡轮的主要参数，反力度的变化将引
3、起各种损失的变化。如反力度减小，则喷嘴环内损失增加，叶轮内损失减小。在选择值时，不仅要考虑到轮缘效率，还要考虑到避免在叶轮通道内出现扩压流动的情况，也即在选择时，必须保证出口相对速度w2大于进口相对速度w1。可以通过求解方程求出最小值和最佳的值。-轮缘效率轮缘效率(4)(4)6涡轮效率与各主要参数涡轮效率与各主要参数n涡轮轮径比的选择也对轮缘效率有较大影响，小的轮径比会使叶轮流道中的损失增加，甚至出现扩压流动；但大的轮径比则会减少哥氏力所做的功。一般径流涡轮的轮径比D2/D1，通常在0.72至0.86的范围内取值。-轮缘效率轮缘效率(5)(5)7涡轮效率与各主要参数涡轮效率与各主要参数n涡轮绝
4、热效率Tad的定义是涡轮的实际有效焓降hT与可用焓降HTad之比。n涡轮绝热效率Tad比轮缘效率u多考虑了叶轮与壳体间隙中漏气损失和叶轮的轮盘摩擦损失。车用增压器涡轮绝热效率取值在0.75至0.85的范围内。-涡轮绝热效率涡轮绝热效率8涡轮效率与各主要参数涡轮效率与各主要参数n除了前述各项损失外，还有一部分涡轮功消耗在轴承摩擦损失上，称其为机械损失功WTM，通常用机械效率来计算，即：n因此涡轮的有效效率为：nTM的大致范围是0.90至0.95，T的大致范围是0.72至0.76。-涡轮有效效率涡轮有效效率9径流式涡轮特性径流式涡轮特性n涡轮的设计如同压气机一样，是选定在某一工作状态下进行的，涡轮
5、的这一工作状态，通常称之为设计工况，但是车用涡轮增压器通常处在变工况条件下工作。n所谓涡轮特性，是指在变工况条件下，涡轮的通流能力和涡轮效率的变化情况，前者称之为涡轮流量特性，后者称为涡轮的效率特性。-定义定义10径流式涡轮特性径流式涡轮特性n涡轮的流量特性通常用相似流量 和相似转速 作为绘制涡轮流量特性的参数，这些参数是涡轮工作的相似准则，它们只是马赫数M的函数-涡轮流量特性涡轮流量特性(1)(1)n而根据能量方程又有：n所以11径流式涡轮特性径流式涡轮特性n从上页可以看出，相似流量在某一确定的涡轮中，仅是马赫数M1的函数。同样可以证明，相似转速也仅与轮缘马赫数Mu和喷嘴环出口马赫数M1有关
6、。-涡轮流量特性涡轮流量特性(2)(2)nMu，涡轮轮缘马赫数12径流式涡轮特性径流式涡轮特性n无论涡轮进口参数如何变化，只要保持气流在涡轮中流动相似，则流动损失也必相似。n对某个给定的相似转速，流量随膨胀比的增大而增大，直到最大值。此时如果再增大膨胀比，流量也不再增加，这表明喷嘴环或叶轮发生了堵塞。-涡轮流量特性涡轮流量特性(3)(3)13径流式涡轮特性径流式涡轮特性n目前径流式涡轮增压器的涡轮流量特性，在进行产品介绍时，一般均提供若干个喷嘴环截面An的流量特性，如左所示。n每一条线都代表某一喷嘴环截面下，不同转速下的流量特性线的包络线。-涡轮流量特性涡轮流量特性(4)(4)14径流式涡轮特
7、性径流式涡轮特性n涡轮效率特性，是标志变工况条件下涡轮能量损失变化的情况。涡轮效率Tad为纵坐标，速度比u1/cad为横坐标。-涡轮效率特性涡轮效率特性(1)(1)15径流式涡轮特性径流式涡轮特性n一般情况下，涡轮在设计工况时，各种能量损失最小，效率最高，在非设计工况下，各项损失都有较大的变化。n当涡轮工况变化时，喷嘴环中的损失稍有变化，但是叶轮中损失变化较大。这是因为u1/cad偏离设计值后，速度三角形改变，叶轮进口产生撞击损失。-涡轮效率特性涡轮效率特性(2)(2)16-压气机无因次参数和涡轮相似参数的不同压气机无因次参数和涡轮相似参数的不同n压气机的无因次参数分母的压力和温度是试验大气条件的压力和温度。n涡轮相似参数分母的压力和温度是涡轮进口的总压和总温。17谢谢18