运动相似是指对应点上速度之比为一常数;或者说,在对应点上,流体质点流过对应 距离所需的时间之比为-常数。 没流过4和l2所需的时间分别为41和t1,运动相似时 相应的速度比和加速度比也是常数,即 3.动力招似 动力和似指的是作用在对应点上的合力之比为一常数。这当然也适用于整个物体。因 此,动力相似时 f-=…=常数 设N、N:处流体质点的质量分别为m、m,作用力分别为P2、P,加速度分别为 a1及a2,根据牛顿定律,动力桕似时, L: 常数 移项后得 P2常 数 (1-51a) 令 =Ne,称为牛顿数 所以,要得到动力相似,必须要求牛顿数相等,即Ne1=Ne2。但要得到完全的动力 相似是很困难的。因此在处理问题时,可以抓住主要矛盾,忽略次要因素,使问题简化 下面讨论三种情况。 (了)粘性引起的摩擦力起主要作用时 根据摩擦力公式(1-6),有 又根据(1-51)式得 1= =p3 :p11
所以,当粕性引起的摩擦力起主要作用时,要得到动力相似,必须要求两个流动的雷 诺数Re相等 (2)弹性力起主要作用时 汁及弹性力的作用是出于对流体压缩性影响的考虑。流休的压缩性是用来说明流体受 压后体积变化的性质,它可用压缩系数阝表示。该系数是表示压力变化1公厅/厘米2时体 积!的棉对变化,即 d 有时,也用弹性系数E来衡量压缩性的大小,E是β的倒数,即 流体被压绪后,其质量P应该是不变的、因此 dd(pl)=pdy+v dp= 0 即 pdy=-yd 代入公式(153),得 因为音速 故 E=p 流体的弹性力P与弹性系数E及受压面积成正比 根据公式(1-51a)可得 a212.1 常数 所以在弹性力起主要作用情况下,要得到动力相似,则应满足M数相等的条件,即 (3)重力起主要作用时 由于重力是质量与重力加速度的乘积,可将 代入公式(1-51a).得 常数
即 gl- gl2 ci c2 常数 或 g=Fr=常数 式中Fr是福鲁德数。所以,在重力起主要作用时,要得到动力相似,必须要求两流动的 福鲁德数相等,即Fr1=Frte 在研究压气机和涡轮机中气体流动的相似问题时,一般可略去重力作用,这时主要影 响因素是气体的压缩性和粘性。这时相似流动的准则是马赫数M和雷诺数Re在高速流动 的气流中,气体的粘性影响一般是次要因素。实验证明,当一般Re>(1.5~2.0)×10° 时,气体粘性的影响可以忽略不计。这时如马赫数M相同,就可以足够准确地认为气流是 动力相似
第二章涡轮增压器的构造及其发展 §2-1涡轮增压器的分类 柴油机采用废气涡轮增压是提高柴油机的功率、改善经济性、减小机器单位马力体积 和降低单位马力重量的最有效措施之一。目前,大多数船用柴油机都釆用废气涡轮增压。 涡轮增压器主要由压气机和涡轮机两大部件组成。涡轮机利用柴油机排出废气的部分能量 转变成机械功。压气机利用涡轮机输出的机械功,把空气的压力提高。然后把增压空气输 送至柴油机的气缸内,以达到增压的目的。 现有的涡轮增压器,一般都采用离心式压气机,故可根据采用涡轮机型式的不同,把 涡轮增压器分为两大类:轴流式涡轮增压器和径流式涡轮增压器。 涡轮机按其工作原理和结构特点可以分为多种型式。 1.按照气流运动的特点可分为 1)轴流式涡轮机气体在其中大致是沿着平行于工作轮旋转轴的方向运动。 (2)径流式涡轮机气体在其中大致是沿着垂直于工作轮转轴的方向运动。当气体沿 旋转轴中心向工作轮缘方向运动时,称为离心式涡轮机;当气体由工作轮外缘向转轴中心 方向运动时,则称为向心式涡轮机。因为在相同的条件下,径流向心式涡轮机比离心式涡 轮机的效率较高,且能发出较大的功率,所以,在径流式涡轮增压器中,一般都采用径流 向心涡轮机。径流向心涡轮机还可以按其工作轮叶片形状分为:具有径向叶片的向心涡 机(它在径流式涡轮增压器中得到广泛采用)具有弯曲叶片的向心涡轮机 2.按涡轮机的作用原理可分为 1)冲动式涡轮机 (2)反动式涡轮机 当气体作用在工作轮叶片上的力仅仅是由于气流在工作叶片通道中转弯而产生离心力 的冲击作用时,这种涡轮机称为冲动式涡轮机。当气体作用在工作轮叶片上的力,不仅仅 是由于气流在工作叶片通道中转弯所产生离心力的冲击作用,而且还由于相对速度增加所 引起的反作用力时,则称其为反动式涡轮机。 3.按涡轮机的级数分为 (1)单级轴流式涡轮机; (2)多级轴流式涡轮机 在轴流式涡轮机中,一列喷嘴叶片和其后的一列工作叶片组成涡轮机的-级。现代单 级涡轮机在高效率下可完成的等熵功为25000-30000公斤米/公斤。日前多数涡轮增压器 的涡轮等熵功均在上述范围内,故多采用单级涡轮机。但柴油机进行超高增压时,涡轮机 的等摘功可能超出上述范围,为了保证获得足够高的效率,可采用两级铀流式涡轮机,国 外已有实例
此外,还可以根据柴油机的增压系统不同,把涡轮机分为 (1)定压式涡轮机涡轮机进口前的气体压力不随时间变化,即不受柴油机排气阀 开、关的影响。这时可以把柴油机多个缸的排气管连接在一根总管中,其容积较大,使气 体压力保持不变(实际上有小的波动)。此种型式不能利用柴油机排气的脉冲能量、但涡 轮机的效率较高。一般在柴油机进行高增压时可采用 (2)变压式(脉冲)涡轮机涡轮机进口前的气体压力随时间而变化,即随柴油机 排气阀开、关的时间而变化。在结构上变压式与定压式涡轮并无差别。但变压式涡轮的通 流截面积设计和脉冲引起的振动问题,应给予必要的考虑。目前在作柴油机的低、中增压 设计时,广泛采用脉冲涡轮,有时还在高增压设计中采用,以改善柴油机低负荷时的性 能。但脉冲涡轮的效率较低 般柴油机进行废气涡轮增压可分为低增压、中增压、高增压和超高增压四种。它是 根据压气机的增压比x进行区分的。πc是压气机出口空气压力P和进口空气压力p(即 为环境压力)的玭值,即 按增压比πc值又可分为: xc<1.7时,称为低增压 1.7<π<2.5时,称为中增压 2.5<π<4.0时,称为高增压s rc>4,0时,称为超高增压。 上述增压比的分界不是固定不变的,将随技术的发展而变化。而且在各国和不同的厂 家对增压比的分界也可能是各不相同的。 §2-2轴流式涡轮增压器的构造 图2-1是装有轴流式涡轮增压器的增压柴油机外形图。从图上可以看出,在增压柴油 机的轮廓尺寸和重量方面,涡轮增压器都只占很小的比例。但配上涡轮增压器后,却可使 柴油机功率增加很多,一般增加功率50%~200%,甚至更多。而且柴油机的比油耗也显 著下降。每台增压柴油机一般配一台或两台涡轮增压器,有的配有四台或更多的涡轮增压 器,可侬具体情况而定。 图2-2是轴流式涡轮增压器的零件图。从图上可以看到轴流式涡轮增压器的一般结构。 现以40GP为例介绍轴流式涡轮增压器的构造。40GP轴流式涡轮增压器是无动力 机厂生产的。它的主要技术参数为:额定增压比=2.73;额定流量Gc=2,31公秒;额 定转速nn=29000鞭/分,最高转速为31900转/分y涡轮机进口额定温度Txm650℃C,最高 温度为700℃C,压气机的等熵效率ncs=0.82;机器约重190公斤。 为了适应不同柴油机的增压要求,40GP涡轮增压器有四种变型产品:40GP-1, 40GP-2,40GP-3,40GP-4。其增压比π分别为1.43、2.5、1,4、2.45,流量分别为 1.1、1.35、1.02、1.95公斤/秒。可供400~800马力(未增压时)的柴油机进行增压之用 图2-3是40GP涡轮增压器的纵剖面图。涡轮增压器要由涡轮机和压气机两大部件