内燃机涡轮增压器的废气涡轮和压气叶轮的形状为什么不同?

额,我离心压气机和向心透平都设计过,这也是我的一部分研究方向。

先挨着回答问题,并科普一些其他答主错误的认识吧

1为什么做成离心压气机而不是轴流。

原因有以下几个:

a离心压气机压比大,如上所示的叶轮机械欧拉公式。离心压气机出口的U2大于U1,而轴流U2≈U1。所以离心压气机做功能力更强,单级离心压气机做功抵好几级轴流。

b离心压气机更加稳定。压气机中有一种叫失速的现象,出现之后压气机失去做功能力。轴流式压气机更容易出现。汽车发动机就需要良好的变工况适应能力。

因此如果不是为了轴流压气机的大流量,我们一般都选离心压气机。

基本设计过程如 @Rolnaersen 所说的:一维设计-二维同流设计-CFD和FEM确认

一般原则也和他说的差不多:最高进气相对马赫数最低。

但是目前加工技术已经进步了很多,叶片可以做得非常复杂,并非不能弯,而且一般会采用后弯式叶轮(也有叫后向式):

除了后弯以外,还会采用一定的倾斜角

2为什么要选择向心涡轮:车用涡轮增压器不能占据太多尺寸。

和前面离心压气机一样,向心透平的出功能力最大,单级向心透平可以抵多级轴流透平(只是效率略微低一点)

轴流压气机+轴流涡轮:燃气轮机和航空发动机

离心压气机+轴流涡轮:小型航空发动机或舰船燃机

离心压气机+向心涡轮:最节省空间

除了向心透平还有离心透平,显然占的空间:离心压气机+离心透平>离心压气机+向心透平

至于题主说的什么冲击式涡轮:如上图中的标注,涡轮进口叶片几乎是直立的

这是由结构强度决定的,和拔模关系不大

涡轮的工作温度更高,材料由于蠕变强度更低,所以设计时为了尽量减小应力,采用0°进口几何角,所以你看起来叶片就像冲击式的(注意是看起来)。。。

设计向心透平时就是先根据进口几何角为0,再加上一定的负攻角确定进口气流角

而设计离心压气机时我们是先确定出口气流角,再根据滑移因子确定出口几何角

其他方面科普:

1如Rolnaersen所说的,压气机流道一般是扩张的,涡轮流道一般是收缩的,这没有问题。

这都是相对坐标系下伯努利方程决定的(简单的可以把h理解为压力p的表征):

对于轴流式压气机和涡轮来说进出口U1=U2,为了提高压力h2>h1,则W2<W1,根据连续性方程A2>A1,所以是收缩的流道。但我想要指出的是:

向心式照样可以做成压气机,离心式照样可以做成透平;向心式照样可以是收缩流道,离心式照样可以是扩张流道。

只要保证h2-U2^2/2>h1-U1^2/2(h2和h1是自己设计时确定),h2>h1(压气机),U2<U1(向心),那么此时就是流道收缩的向心压气机。显然前面几个不等式可以同时成立。

所以涡轮做成收缩流道和向心没有关系。现在的叶轮都是五轴加工得到的,因为不是铸造的。选用离心向心的问题和收缩扩张没有关系

2关于冲动式和反动式的问题

冲动式定义是气流在转子内不膨胀,内能不转化为动能。只靠动能冲击叶轮对外输出功。

冲动式汽轮机_百度百科

不是说叶片做成了进口为0°所以它是冲击式叶轮。不过一般涡轮增压内的涡轮确实一般是冲击式的,这是碰巧了。

因为涡轮增压器实在是受到体积限制。如果做成反动式叶轮,气流在叶轮内膨胀,所需要的空间就更大一些。而在内径处,想要那么多的空间是比较难的。所以我们让气流在喷嘴内就膨胀了,叶轮内基本不膨胀。

其他方面他的回答是没有问题的。

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:Aeroergy

【知乎日报】千万用户的选择,做朋友圈里的新鲜事分享大牛。
点击下载

此问题还有 8 个回答,查看全部。
延伸阅读:
ECU 设计开发到底难在哪里?为什么会导致目前由博世、电装、西门子等公司垄断供应的情况?
汽车发动机的调校到底指的是什么?