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？
内燃机涡轮增压器之所以废气涡轮和压气叶轮的形状设计大相径庭，这背后是两种截然不同的工作原理和目的在驱动着它们各自的优化。简单来说，就像一个人需要用嘴吃饭，但需要用脚走路一样，它们承担的任务不同，所以形态自然也就各异。
咱们先从废气涡轮这头开始聊。它的核心使命是捕捉内燃机排放出来的高温、高压、低速且具有脉动特性的废气能量，并将其转化为旋转的动能。这些废气，从汽缸里喷出来时，就像是一次次的爆发，带着巨大的冲击力，但速度并不是特别均匀，而且温度非常高，对材料的耐受性提出了严峻考验。
为了有效抓住这些“脾气暴躁”的废气，废气涡轮的叶片设计通常比较宽大、厚重，而且呈弧形或勺状。你可以想象一下，就像一个设计精巧的捕风器，需要尽可能地“抓住”流过的每一股空气。
叶片角度： 废气涡轮的叶片角度往往会比较小，也就是叶片与涡轮轴的夹角较大。这样做的好处是，当高速废气以一定的角度冲过来时，能更有效地将动量传递给叶片，让涡轮旋转起来。如果叶片角度太大，就像风帆角度不对一样，风吹上去反而会产生反作用力。
叶片形状和数量： 叶片的设计还会考虑到废气的流动特性。为了在高负荷工况下（例如车辆加速时）提供足够的动力，叶片会设计得比较厚实，能够承受住高温和高压的冲击。叶片数量也不会太多，因为废气本身流速和流量的变化会影响效率，过多的叶片反而可能增加阻力。
材料的特殊性： 更关键的是，废气涡轮工作在高达7001000°C甚至更高的温度环境中。因此，它必须采用耐高温的特殊合金，比如镍基高温合金（如Inconel系列）。这些材料的强度在高温下能保持稳定，不会因为热胀冷缩而变形损坏。叶片的形状设计也需要考虑到这些材料的加工特性和热膨胀系数。
形状的“粗犷”： 整体而言，废气涡轮的外形会显得比压气叶轮更“粗犷”一些，它的设计更侧重于承受极端环境和最大化能量捕获效率，而不是追求极致的空气动力学光滑度。
说完了废气涡轮，我们再来看看压气叶轮（也叫压气机叶轮）。它的任务就完全不同了：它需要吸收来自废气涡轮的旋转能量，然后高速旋转，将低温、低压的空气（通常来自空气滤清器）压缩，并以更高的压力、更高的温度输送到发动机的进气歧管。
压气叶轮面对的是相对“温顺”的空气，但它的工作目标是高效地增加空气的密度。这就要求它在短时间内尽可能多地吸入空气，并将其“挤压”出去。
叶片形状和数量： 压气叶轮的叶片通常非常纤薄、锐利，而且数量更多。你可以想象成一个高速旋转的扇叶，或者更像一个高速飞转的旋翼。
吸气优化： 叶片的前缘（迎流面）设计得非常尖锐，以减少空气进入时的阻力，并引导空气平稳地吸入。
压缩效率： 叶片后缘则会有一个特定的角度，将空气向外推，通过离心力的作用实现压缩。叶片表面会设计成特殊的曲面，以在叶轮旋转时产生更强的径向速度分量，从而将空气加速并压缩。
数量优势： 更多的叶片意味着在单位时间内能接触并加速更多的空气分子，从而提高进气量和压缩效率。
材料和结构： 虽然压气叶轮的工作温度远低于废气涡轮，但它需要承受极高的转速（有时能达到十几万甚至二十万转/分钟）。这意味着它面临巨大的离心力。因此，压气叶轮通常采用铝合金（如锻造铝合金）或更先进的钛合金等轻质高强度材料。叶片的薄而锐利的形状，配合更精密的制造工艺，是为了在保证强度的前提下减小惯量，提升响应速度，并且尽可能减少气流损失。
“精致”的外观： 相比废气涡轮，压气叶轮的设计更追求气动效率和轻量化。它的叶片表面会经过精密的抛光和空气动力学优化，以最小化气流阻力和涡流，确保空气能够高效地被压缩和输送。
总结一下，它们的形状差异源于各自的核心职责：
废气涡轮：捕捉高温高压脉动废气能量，需要耐高温、强韧且能有效“抓取”废气能量的叶片，所以更显厚重、弧度较大。
压气叶轮：高效压缩低温低压空气，需要轻质高强度、气动效率高且能快速加速空气的叶片，所以更显纤薄、锐利、数量多。
正是这种针对性的设计，才使得涡轮增压器能够高效地利用废气能量，为发动机提供额外的进气压力，从而提升动力和燃油经济性。这两种叶轮的设计，如同两位各司其职的运动员，一个负责承受严酷环境并抓住机会，另一个则负责精准发力并将能量传递出去，共同协作，才能让内燃机焕发新的活力。
咱们先从废气涡轮这头开始聊。它的核心使命是捕捉内燃机排放出来的高温、高压、低速且具有脉动特性的废气能量，并将其转化为旋转的动能。这些废气，从汽缸里喷出来时，就像是一次次的爆发，带着巨大的冲击力，但速度并不是特别均匀，而且温度非常高，对材料的耐受性提出了严峻考验。
为了有效抓住这些“脾气暴躁”的废气，废气涡轮的叶片设计通常比较宽大、厚重，而且呈弧形或勺状。你可以想象一下，就像一个设计精巧的捕风器，需要尽可能地“抓住”流过的每一股空气。
叶片角度： 废气涡轮的叶片角度往往会比较小，也就是叶片与涡轮轴的夹角较大。这样做的好处是，当高速废气以一定的角度冲过来时，能更有效地将动量传递给叶片，让涡轮旋转起来。如果叶片角度太大，就像风帆角度不对一样，风吹上去反而会产生反作用力。
叶片形状和数量： 叶片的设计还会考虑到废气的流动特性。为了在高负荷工况下（例如车辆加速时）提供足够的动力，叶片会设计得比较厚实，能够承受住高温和高压的冲击。叶片数量也不会太多，因为废气本身流速和流量的变化会影响效率，过多的叶片反而可能增加阻力。
材料的特殊性： 更关键的是，废气涡轮工作在高达7001000°C甚至更高的温度环境中。因此，它必须采用耐高温的特殊合金，比如镍基高温合金（如Inconel系列）。这些材料的强度在高温下能保持稳定，不会因为热胀冷缩而变形损坏。叶片的形状设计也需要考虑到这些材料的加工特性和热膨胀系数。
形状的“粗犷”： 整体而言，废气涡轮的外形会显得比压气叶轮更“粗犷”一些，它的设计更侧重于承受极端环境和最大化能量捕获效率，而不是追求极致的空气动力学光滑度。
说完了废气涡轮，我们再来看看压气叶轮（也叫压气机叶轮）。它的任务就完全不同了：它需要吸收来自废气涡轮的旋转能量，然后高速旋转，将低温、低压的空气（通常来自空气滤清器）压缩，并以更高的压力、更高的温度输送到发动机的进气歧管。
压气叶轮面对的是相对“温顺”的空气，但它的工作目标是高效地增加空气的密度。这就要求它在短时间内尽可能多地吸入空气，并将其“挤压”出去。
叶片形状和数量： 压气叶轮的叶片通常非常纤薄、锐利，而且数量更多。你可以想象成一个高速旋转的扇叶，或者更像一个高速飞转的旋翼。
吸气优化： 叶片的前缘（迎流面）设计得非常尖锐，以减少空气进入时的阻力，并引导空气平稳地吸入。
压缩效率： 叶片后缘则会有一个特定的角度，将空气向外推，通过离心力的作用实现压缩。叶片表面会设计成特殊的曲面，以在叶轮旋转时产生更强的径向速度分量，从而将空气加速并压缩。
数量优势： 更多的叶片意味着在单位时间内能接触并加速更多的空气分子，从而提高进气量和压缩效率。
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“精致”的外观： 相比废气涡轮，压气叶轮的设计更追求气动效率和轻量化。它的叶片表面会经过精密的抛光和空气动力学优化，以最小化气流阻力和涡流，确保空气能够高效地被压缩和输送。
总结一下，它们的形状差异源于各自的核心职责：
废气涡轮：捕捉高温高压脉动废气能量，需要耐高温、强韧且能有效“抓取”废气能量的叶片，所以更显厚重、弧度较大。
压气叶轮：高效压缩低温低压空气，需要轻质高强度、气动效率高且能快速加速空气的叶片，所以更显纤薄、锐利、数量多。
正是这种针对性的设计，才使得涡轮增压器能够高效地利用废气能量，为发动机提供额外的进气压力，从而提升动力和燃油经济性。这两种叶轮的设计，如同两位各司其职的运动员，一个负责承受严酷环境并抓住机会，另一个则负责精准发力并将能量传递出去，共同协作，才能让内燃机焕发新的活力。
网友意见
题图里面是个高级货，使用球轴承，能够提高轴承效率，改善低速响应。
以前做过一阵子车用增压器压缩机叶轮设计，简单说一下叶轮设计。
车用增压器离心叶轮设计是个很困难的工作，因为受到加工方式的限制，叶片只能扭，不能弯，也没有3D的设计方法，需要在性能，加工性，应力等方面权衡。
拿离心压缩机叶轮为例（因为有很多年不做了，可能会有不少错误，抛砖引玉）：
- 叶轮进口根部直径：由设计点的流量和应力决定，还要考虑锁紧螺母尺寸，动平衡去除材料的余量；
- 叶轮进口直径：设计点流量，最高进气相对马赫数最低
- 叶轮进口角度：设计点的流量速度三角形，压缩机的喘振和阻塞边界
- 叶根和叶顶型线：控制气流分离
- 出口直径：压缩机的压缩能力和工作范围
- 叶片数：滑移系数（做功能力），稠度（堵塞流量）
- 叶片厚度：模态
- 叶片出口后弯角：应力，效率，压比
- 叶片形状（beta和包角，不记得是不是这个名字了）：气流分离，叶片载荷的分布
先对以上参数进行2维计算和优化，生成3维模型，再进行CFD/FEA计算，分析气流的分离，叶片的载荷，轮子的应力等，然后再返回2维修改参数，周而复始。 所以根据发动机性能的不同，一般一种叶轮直径，也会有多种性能的轮子设计可供选择。有的倾向高压比，有的倾向低速效率等。
轴流式的压缩机和涡轮都有，但是轴流式单极的压缩能力有限，所以内燃机上的压缩机都是离心式的；轴流涡轮的话，只在大型船用机上才使用，因为车用的增压器尺寸较小，虽然轴流的效率高，但使用轴流布置必须从转子靠近中间体的进气，会使得燃气的热量更多的传递到中间体，造成润滑油结焦问题。所以车用增压器都是径流式设计。
向心和离心的问题：压缩机和涡轮机的叶轮设计，其实就是在旋转坐标系下设计管道。 作为压缩机，气流在槽道（叶片与叶片之间形成的通道）中相对叶轮的速度应该是降低的，将动能转换成压力能，如果把槽道想象成一个管子，那么这个管子应该是扩张的。 涡轮相反，气体膨胀，气流相对速度升高，槽道应该是收缩的。 那么只有向心才能设计出收缩的管道，离心才能设计出扩张的管道。 水轮机因为工质不能膨胀，所以设计的原理完全不同。
这方面我非常生疏了，在这卖弄一下，欢迎专家指导。
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- @刈木 轴流涡轮的流道截面应该也是收缩的。我找到一个讲义 涡轮工作原理及特性 里面也说到“工作轮叶珊通道也呈收敛形”。22页给出的涡轮和压缩机的对比也说明这个问题。
因为在向心涡轮中，不象轴流涡轮，叶片的厚度变化是很小的；因为拔模的原因，大径处的叶片角必须是径向的，所以只能通过向心的方式获得收缩的流道，而无法通过离心的方式获得收缩的流道。
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