问题

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?

回答
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。

网友意见

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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):

  1. 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;
  2. 叶轮进口直径:设计点流量,最高进气相对马赫数最低
  3. 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
  4. 叶根和叶顶型线:控制气流分离
  5. 出口直径:压缩机的压缩能力和工作范围
  6. 叶片数:滑移系数(做功能力),稠度(堵塞流量)
  7. 叶片厚度:模态
  8. 叶片出口后弯角:应力,效率,压比
  9. 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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