可变喷嘴涡轮增压器教学教材.ppt
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1、可变喷嘴涡轮增压器可变喷嘴涡轮增压器第第1 1节涡轮增压器组成结构节涡轮增压器组成结构第第2 2节可变喷嘴涡轮增压器节可变喷嘴涡轮增压器(VNT)(VNT)2022/12/11李江 动力工程 2013222007废气涡轮增压器主要是利用发动机排出的废气驱动涡轮,同时带动同轴的压气机高速旋转,压缩空气并将其送入进气歧管,从而增大进气密度。近年来,涡轮增压器在车用柴油机上应用已越来越普遍,其最大的特点是可大大改善发动机的燃油经济性,提高动力性,在一定程度上改善排放性。2022/12/11李江 动力工程 2013222007图1-1径流式涡轮增压器结构及工作原理2022/12/11李江 动力工程 2
2、013222007u涡轮增压器主要由压气机和涡轮两大部分组成涡轮增压器主要由压气机和涡轮两大部分组成u压气机主要由压气机主要由压气机工作轮(叶轮)、扩压器、压气机蜗壳组成。u涡轮主要由进排气壳、喷嘴环、工作轮组成。涡轮主要由进排气壳、喷嘴环、工作轮组成。u此外还有转轴、轴承、密封与隔热装置等此外还有转轴、轴承、密封与隔热装置等2022/12/11李江 动力工程 20132220072022/12/11李江 动力工程 20132220072022/12/11李江 动力工程 2013222007全全浮浮动动轴轴承承截截面面示示意意图图2022/12/11李江 动力工程 2013222007图1-2
3、 离心式压气机结构示意图1进气道 2压气机叶轮 3压气机蜗壳 4扩压器图1-3 变截面蜗壳2022/12/11李江 动力工程 2013222007压气机蜗壳按流道沿圆周变化与否,可分为变截面蜗壳和等截面蜗壳。变截面蜗壳的截面面积沿圆周方向逐渐变大,符合越接近出口收集的空气越多这一规律。因此,流动损失小,效率高。其最大的特点是外形尺寸小,对缩小涡轮增压器的尺寸有利,其结构形式如图1-3所示。等截面蜗壳的流道截面是不变化的,其流动损失大,效率低,目前已很少使用。2022/12/11李江 动力工程 2013222007图1-4 压气机叶轮的结构形式a)开式 b)半开式 c)闭式 d)星形2022/1
4、2/11李江 动力工程 2013222007压气机叶轮是压气机中唯一对空气做功的部件,它将在同一转轴上涡轮提供的机械能转变为空气的压力能和动能,压气机叶轮分为导风轮和工作叶轮两部分。中小型涡轮增压器将两者铸造成一体,大型涡轮增压器则是将两者装配在一起。导风轮是叶轮入口的轴向部分,叶片入口向旋转方向前倾,直径越大处前倾越多,其作用是使气流以尽量小的撞击进入叶轮。根据叶轮轮盘的结构形式不同,压气机叶轮可分为开式、半开式、闭式、星形等形式。开式叶轮没有轮盘,流动损失大,叶轮效率低,且叶片刚性差,易振动。闭式叶轮既有轮盘又有轮盖,流道封闭,流动损失小,叶轮效率高,但结构复杂,制造困难。2022/12/
5、11李江 动力工程 2013222007半开式叶轮只有轮盘,没有轮盖,其性能介于开式和闭式之间。但其结构较简单,制造方便,且强度和刚度都较高,在涡轮增压器中应用广泛。星形叶轮是在半开式叶轮的轮盘边缘叶片之间挖去一块,减轻了叶轮质量,从而减小了叶轮应力,并保持一定的刚度,因此能承受很高的转速,多在小型涡轮增压器中应用。按叶片的长短,压气机叶轮还可分为全长叶片叶轮和长短叶片叶轮。全长叶片叶轮进口流动损失小,效率高,但对于小直径叶轮,进口处气流阻塞较为严重。因此,小型涡轮增压器中多采用长短叶片叶轮,图1-4是几种典型的压气机结构。2022/12/11李江 动力工程 2013222007根据叶片沿径网
6、的弯曲形式,压气机叶轮又可分为前弯叶片叶轮、后弯叶片叶轮和径向叶片叶轮等。前弯叶片叶轮的叶片沿径向向旋转方向弯曲,这种叶轮对空气的做功能力最大,但其做功主要是增加了空气的动能,对压力能却提高较少,这就要求空气的动能更多地要在扩压器和蜗壳中转化为压力能。因为扩压器和蜗壳的效率比叶轮低,因此导致压气机整体效率降低,故涡轮增压器中不采用这种叶轮。径向叶片叶轮的叶片径向分布,不弯曲。2022/12/11李江 动力工程 2013222007径向叶片叶轮的叶片径向分布,不弯曲。这种叶轮的压气机效率比前弯叶片高,比后弯叶片的低,由于其强度和刚度最好,能承受较高的圆周速度,从而在增压比较低的涡轮增压器中得到较
7、多应用。后弯叶片叶轮的叶片沿逆旋转方向弯曲,虽然它的作功能力小,但空气压力的提高大部分是在叶轮内完成的。这种叶轮由于压气效率高,应用也较多。前倾后弯式叶轮(也称后掠式叶轮),如下图所示,其叶片沿径向后弯的同时还向旋转方向前倾,这种叶轮不仅压气机效率高,而且高效率范围宽广,近年来在车用柴油机涡轮增压器上受到了重视和应用。2022/12/11李江 动力工程 2013222007前倾后弯式叶轮2022/12/11李江 动力工程 2013222007扩压器的作用是将从压气机叶轮出口流出的高速空气进一步减速增压,以实现动能向压力能的转变。扩压器的效率是动能实际转化为压力能的转化量和没有任何流动损失的定墒
8、过程动能转化为压力能的转化量之比。扩压器效率的高低对压气机的整体效率有重要的影响,按结构形式的不同,可将扩压器分为无叶扩压器和叶片扩压器两种。2022/12/11李江 动力工程 2013222007 无叶扩压器实际上是一个环形通道。气流在扩压器中的轨迹近似是一对数螺旋线。即气流流动的痕迹在任意直径处与切线的夹角基本不变。正因为如此,空气的流动路线长,从而损耗大,效率低,扩压器出口容量小,在出口具有相同容量的条件下,效率要比叶片扩压器低。但无叶扩压器的流量范围宽,结构简单,易于制造,在经常变工况运行的小型涡轮增压器上使用广泛2022/12/11李江 动力工程 2013222007u叶片扩压器是在
9、环形通道上加上若干导向叶片,使气流沿叶片通道流动。叶片扩压器根据叶片形状不同又可分为平板形叶片扩压器和机翼形叶片扩压器。由于气流的流动路线短,流动损失小,故效率高。由于叶片构造角沿径向增大,使气流的流通面积迅速增大,因此扩压能力大。但当流量偏离设计工况,叶片入口气流角不等于叶片构造角时,将产生撞击损失,使效率急剧下降。在工况范围变化不大的大中型涡轮增压器上,常采用无叶扩压器和叶片扩压器的组合形式。气流先经过无叶扩压器,再进入叶片扩压器,气流的动能主要在叶片扩压器中转变为压力能2022/12/11李江 动力工程 2013222007叶叶片片扩扩压压器器2022/12/11李江 动力工程 2013
10、2220072022/12/11李江 动力工程 2013222007u压气机蜗壳压气机蜗壳压气机蜗壳的作用是收集从扩压器出来的空气,并将其引导到发动机的进气歧管。由于从扩压器出风口出来的空气仍然具有较大速度,而蜗壳可将其动能进一步转化为压力能。因此,压气机蜗壳也具有扩压效果。2022/12/11李江 动力工程 2013222007压气机蜗壳按流道沿圆周变化与否,可分为变截面蜗壳和等截面蜗壳。变截面蜗壳的截面面积沿圆周方向逐渐变大,符合越接近出口收集的空气越多这一规律。因此,流动损失小,效率高。其最大的特点是外形尺寸小,对缩小涡轮增压器的尺寸有利,其结构形式如图1-6所示。等截面蜗壳的流道截面是
11、不变化的,其流动损失大,效率低,目前已很少使用图16 变截面蜗壳2022/12/11李江 动力工程 2013222007涡轮按燃气流过涡轮叶轮的流动方向,可将涡轮分为轴流式、径流式和混流式三类。在轴流式涡轮中,废气沿近似与叶轮轴平行的方向流过涡轮。轴流式涡轮体积大,流量范围宽,在大流量范围中有较高的效率。因此,在大型涡轮增器上被广泛采用。2022/12/11李江 动力工程 2013222007在径流式涡轮中,废气的流动方向是近似沿径向由叶轮边缘向中心流动,在叶轮出口处转为轴向流出。径流式涡轮有较大的单级膨胀比,因此结构紧凑、体积小、质量轻,在小流量范围涡轮效率较高,且叶轮强度好,能承受很高的转
12、速,在中小型涡轮增压器上得到广泛应用,其结构形式如下图所示。2022/12/11李江 动力工程 2013222007径流式涡轮示意图2022/12/11李江 动力工程 2013222007进气壳(蜗壳)的作用,是把发动机排出的具有一定能量的废气,以尽量小的流动损失和尽量均匀分布引导到涡轮喷嘴环的入口。径流式向心涡轮的进气壳一般与排气壳连在一起,进气道设置在喷嘴环径向的周围,距离进气口越远,流通截面越小,使得流量沿圆周均匀地分布。由于进气流动损失小,因此多采用切向进气方式。2022/12/11李江 动力工程 2013222007u喷嘴环u喷嘴环又称导向器,流通截面呈渐缩形,其作用是使具有一定压力
13、和温度的废气膨胀加速并按规定的方向进入工作叶轮,喷嘴环可分为叶片角度可变与固定两种形式。有叶喷嘴环结构示意图2022/12/11李江 动力工程 2013222007u近年来,车用增压柴油机的性能不断改善,平均有近年来,车用增压柴油机的性能不断改善,平均有效压力大幅度提高,但普遍存在着低速转矩不足,效压力大幅度提高,但普遍存在着低速转矩不足,加速性差,加速冒烟,冷起动困难等缺陷。随着增加速性差,加速冒烟,冷起动困难等缺陷。随着增压压比的提高,低工况进气不足的问题尤显突出;压压比的提高,低工况进气不足的问题尤显突出;加速性和排放更加恶化,同时涡轮增压器本身的性加速性和排放更加恶化,同时涡轮增压器本
14、身的性能及可靠性也制约着涡轮增压技术的发展。这些问能及可靠性也制约着涡轮增压技术的发展。这些问题的出现,主要是由于柴油机与增压器的工作方式题的出现,主要是由于柴油机与增压器的工作方式不同,二者难以良好的匹配。不同,二者难以良好的匹配。2022/12/11李江 动力工程 2013222007u 而可变喷嘴技术可以有效解决前述问题。u可变喷嘴环叶片可以绕着各自的轴心共同旋转,随着喷嘴环叶片角度的改变,涡轮机最小流通截面积以及排气进入涡轮的角度和速度都将发生变化,从而改变了涡轮机的转速和压气机出口端的增压压力。2022/12/11李江 动力工程 2013222007u发动机低速运转时,喷嘴环截面积减
15、小,涡轮速度上升,增压压力增加,保证了低转速时的增压压力和进气量;发动机高速运转时,喷嘴环截面积增大,涡轮转速下降,防止增压器超速发动机加速时,为了提高增压器的响应速度,可减小喷嘴环截面积,提高增压器转速,从而提高增压压力和进气量,满足瞬态工作时的进气要求。2022/12/11李江 动力工程 20132220072022/12/11李江 动力工程 2013222007u喷嘴环由许多绕着各自枢轴转动的喷嘴环叶片喷嘴环由许多绕着各自枢轴转动的喷嘴环叶片组成,喷嘴环叶片之间的通道决定着排气流通组成,喷嘴环叶片之间的通道决定着排气流通截面积的大小。喷嘴环叶片均匀地排成环状并截面积的大小。喷嘴环叶片均匀
16、地排成环状并与齿轮相连,齿轮受到喷嘴控制环的控制,当与齿轮相连,齿轮受到喷嘴控制环的控制,当执行机构的拉杆来回移动时,喷嘴控制环往复执行机构的拉杆来回移动时,喷嘴控制环往复摆动,通过啮合的齿轮,使得各喷嘴环叶片改摆动,通过啮合的齿轮,使得各喷嘴环叶片改变角度,从而实现改变喷嘴环出口截面积的目变角度,从而实现改变喷嘴环出口截面积的目的。的。2022/12/11李江 动力工程 2013222007u采用采用 VNT VNT 后可以有效地满足增压器与柴油机的匹配后可以有效地满足增压器与柴油机的匹配要求,从而显著地改善柴油机的性能,下图所示为采要求,从而显著地改善柴油机的性能,下图所示为采用用 VNT
17、 VNT 与采用普通增压器之间的发动机性能比较与采用普通增压器之间的发动机性能比较2022/12/11李江 动力工程 2013222007西欧轿车及轻型车用涡轮增压发动机生产状况2022/12/11李江 动力工程 2013222007大连理工郭鹏江等人以右图的柴油机为实验设备实验得到匹配VNT增压器和带旁通阀增压器的柴油机外特性性能对比。发动机技术参数2022/12/11李江 动力工程 2013222007两种增压器外特性对比两种增压器外特性排放对比两种增压器外特性压后压力对比2022/12/11李江 动力工程 2013222007从上述3图可以看出VNT增压器增加了低速区域的扭矩;改善了低速
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