发电机涡轮增压器的工作原理及作用

涡轮机叶轮经常在900℃高温的排气冲击下工作，并承受巨大的离心力作用，所以采用镍基耐热合金钢和陶瓷材料制造。用重量轻并且耐热的陶瓷材料可使涡轮机叶轮的重量大约减轻2/3，涡轮增压加速滞后的问题也在很大程度上得到改善。

喷管叶片用耐热和抗腐蚀的合金钢铸造或机械加工成形。

蜗壳用耐热合金铸铁铸造，内表面应该光洁，以减少气体流动损失。

③转子 涡轮机叶轮、压气机叶轮和密封套等零件安装在增压器轴上，构成涡轮增压器转子。转子以超过10×10⁴r/min、最高可达20×10⁴r/min的高速旋转，因此，转子的平衡是非常重要的。

增压器轴在工作中承受弯曲和扭转交变应力，一般用韧性好、强度高的合金钢40Cr或18CrNiWA制造。

④增压器轴承 增压器轴承的结构是保证涡轮增压器可靠性的关键因素之一。浮动轴承实际上是套在轴上的圆环。圆环与轴以及圆环与轴承座之间都有间隙，形成双层油膜。圆环浮在轴与轴承座之间。一般内层间隙为0.05mm左右，外层间隙大约0.1mm。轴承壁厚约3～4.5mm，用锡铅青铜合金制造，轴承表面镀一层厚度约为0.005～0.008mm的铅锡合金或金属铟。在增压器工作时，轴承在轴与轴承座中间转动。

（2）离心式压气机工作特性

1）压气机中空气状态的变化

空气流经压气机通道时，压力p、速度c、温度T的变化趋势如图4所示。

在进气道入口，空气从环境状态进入，压力、速度、温度分别为p₀、c₀、T₀。由于进气道为渐减缩形的通道，少部分压力能转化为动能。因此在进气道中，空气压力略有降低，速度略有升高。由于压力降低，温度随之降低。在进气道出口，亦即叶轮入口，空气的压力、速度、温度分别为p₁、c₁、T₁。

在压气机叶轮中，叶轮对空气做了功，使空气的压力、温度和速度都升高。在叶轮出口，亦即扩压器入口，空气的压力、速度、温度分别为p₂、_c2、T₂。

在扩压器中，由于扩压器流通面积渐扩，使气体的部分动能转化为压力能。因此，空气的速度降低，压力升高，温度亦随压力的升高而升高。

在压气机蜗壳中，仍有部分动能进一步转化为压力能，使空气的速度进一步降低，压力和温度升高。在蜗壳出口，亦即整个压气机出口，空气的压力、速度、温度分别为p_b、c_b、T_b。

2）离心式压气机的主要参数

离心式压气机的主要参数是：增压比π、空气流量G_b、压气机转速n_b、压气机绝热效率％。

①增压比π。增压比π，是压气机出口压力p_b和进口压力p₀之比，即πb＝p_b/p₀。增压比主要是在工作轮和扩压器中获得的。由于工作轮受到材料强度的限制，限制了工作轮叶轮边缘的最大圆周速度，也就限制了空气动能的增加。在离心式压气机中，空气的增压比π的范围一般为1.4～3.5，个别的可达到5左右。

②空气流量G_b单位时间内流经压气机的气体重量或体积称为压气机的空气流量。重量流量以G_b（kg/s）表示，容积流量以V₀（L/s）表示。在增压柴油机中，增压器的空气流量G_b的值取决于柴油机的空气消耗量。

③压气机转速 压气机工作轮每分钟的转速称为压气机转速。由于压气机与涡轮机同轴，所以也是涡轮的转速，也称增压器的转速。n_b每分钟可达几万到几十万转。

④压气机绝热效率％压气机的绝热效率等于压气机中空气的绝热压缩功W_ad与压气机实际做的总功W₀之比，即η_b＝W_ad/W₀。压气机对压缩空气做功时还要克服流动阻力、摩擦阻力等，同时还伴随着气体的流动损失、传热损失等，所以它做的总功总是大于加给空气的压缩功。η_b 一般为0.75～0.85左右。绝热效率η_b表征实际压气机与理想状况的接近程度，意味着消耗的实际功有多大比例变为真正有用的压缩功，同时，值也表示了压气机结构和流通部分的完整程度。

3）压气机的特性曲线

压气机的特性曲线是指在转速不变时，压气机的增压比π_b及绝热效率η_b与空气流量G_b间的关系，如图5所示，它由试验求得。对于不同的转速，有各自的一条增压比-流量曲线。

等转速运行线，通常称为增压特性线。它的变化特点是随空气流量G_b的增加，增压比π。开始是增加的，当G_b增加至某一值时，π_b达到最大值。然后，进一步增加G_b时，π_b反而逐渐降低。故增压特性曲线形似马鞍，这种变化特点是由于压气机中气体流动引起的。现以径向叶片的工作轮为例加以说明，见图6，当压气机轴向进气时，在没有流动损失的情况下，压气机消耗的功全部用来压缩空气，因此，当转速为常数时，增压比与流量的关系是一条平行于横坐标的直线a-a。

但是压气机的实际流动过程是具有损失的。损失可以分为两类，即摩擦损失和撞击损失。摩擦损失包括空气与壁面的摩擦、空气内部的相互摩擦以及可能产生的波阻损失。这些损失都随流过压气机的气流速度而变化，也就是随空气流量变化，且随流量的增大而增大。如果不计撞击损失，压气机消耗的功用来压缩空气和克服摩擦损失，则随着流量的增加，摩擦损失增加，增压比π_b总是减小的，如b-b曲线所示。

在实际流量等于压气机的设计流量G_pb时，空气进入压气机叶轮的进口和叶片扩压器进口时几乎没有撞击损失，对应图6中的D点。显然在偏离设计流量时，气流的方向和叶片构造角不一致，即产生一定的冲角，使气流撞击叶片边缘而引起损耗。偏离设计流量越大，撞击损耗也越大。因此考虑了压气机的全部流量损失后，在转速为常数时，π_b随G_b变化的关系曲线就如C-D-C线所示。这正是增压特性线似马鞍形变化的原因。

当转速为常数时，绝热效率η_b随流量G_b变化的情况大致与增压特性变化特点相似。在设计流量时，％达到最大值。但在各种转速下的最高效率是不同的，通常在设计转速和设计流量时，才是最高的。当偏离设计转速和设计流量时，不论是大于还是小于设计值，都会使总的流动损失增加，增压比降低，压缩功减小，导致效率η_b下降。

压气机的转速变化，对增压特性的影响也较大。转速变化，流量和增压比都随着发生改变，但流量随转速的改变不如增压比随转速的改变大。高转速对应着高增压比和较大的流量，低转速对应着低增压比和较小的流量。

绘制压气机的特性曲线时，常以等效率的形式直接画在增压比的曲线上，如图2.41所示。这时，可在效率曲线上做出等效率的水平截线，然后将水平截线与对应于各转速的各效率曲线的交点投到增压比曲线上，并将它们连接起来，即得到一系列的等效率曲线，其中有的是封闭的。这样的特性曲线也称为压气机的综合特性。

4）离心式压气机的喘振

在压气机特性曲线（图5）上有一条喘振线，又称为稳定工作边界线。压气机在喘振线右侧工作时，其工作基本上是稳定的；而在喘振线左侧工作时，则工作不稳定。每一条等转速下的增压特性曲线上，当流量减小至某一数值时，压气机会出现不稳定工作状态，即出现喘振。出现喘振时的工作点叫喘振点，其对应的流量叫喘振流量。喘振线就是各转速下喘振点的连线。压气机喘振时，压气机中的空气流产生强烈的振荡，引起叶片的强烈振动，并产生很大噪声，压气机出口压力显著下降，并伴随着很大的波动。压气机喘振是有害的，它不仅达不到预期的压力升高，而且会损坏压气机的元件，因此不允许压气机出现喘振。

5）通用特性曲线

上述压气机特性曲线中的参数，都是在试验时的外界环境为大气状况下测得的。当大气状况变化时，压气机特性曲线就随着变化。因此，压气机运转只有在吸气的进口条件符合原来绘制曲线的大气条件时，这一特性才能应用。可是实际运转压气机的进口条件变化较大，不可能做出许许多多适应运转要求的在各种进口条件下的特性曲线来。显然这种特性曲线就很难在实际中应用。为了实用，常引进相对的折合参数概念，就是把试验测得的上述参数，根据气流动力相似理论，换算成标准大气状况下的参数值。只要增压器的结构几何相似，气流在压气机内的运动相似及气流在对应点上的动力相似，即气流的惯性、摩擦、可压缩性相似，便可直接应用通用特性。

标准大气压为101.325kPa，标准大气温度为293K，换算后的流量称为折合流量G_b-n_p。换算后的转速，称为折合转速n_b-n_p。

式中 p₀，T₀——分别是试验测量时的大气压，kPa和温度，K。

至于增压比π_b和绝热效率η_b是无因次参数，仍保持不变，由此绘出的特性曲线称为通用特性曲线（图7）。