第四节 涡轮机的基本原理

　　机械传动式增压器要消耗发动机的部分功率，例如，要使增压压力达到0.15 ～0.2MPa，增压器要消耗发动机有攻功率的12～20%左右，相应增加了燃料的消耗量。为了避免这部分功率的损失，利用发动机的废气能量驱动涡轮来带动离心式压气机。

　　在涡轮机中热能转变为机械能。涡轮机也属于叶片式机械，它的气流速度和工作轮周围速度都很高，从发动机气缸中排出的废气进入涡轮机中，势能首先转变为动能，然后再转变为输出轴上的机械功。
　　按气流在涡轮内流动方向，涡轮机可分为轴流式涡轮和径流式涡轮，如上图左边是轴流式，右边径流式涡轮机简图。装在轴上的圆盘上有工作叶片，在工作叶片前面装有构成涡轮机喷嘴环的固定叶片，喷嘴环固定在壳体上。 
　　在轴流式涡轮机中如上图左，燃气沿涡轮的轴向进入喷嘴环，然后也是轴向地流过工作轮叶片。轴流式涡轮机分为单级式和多级式。单级式涡轮机只有一套工作叶片和喷嘴环，多级式则有两套以上的工作叶片和喷嘴环。轴流式涡轮机的优点在大流量时才能现实出来，因此在大型涡轮增压器中广泛采用轴流式涡轮机。 
　　在径流式涡轮机中如上图右，燃气先进入工作轮四周的外壳中，然后镜导向叶片径向地流入工作轮叶片；转弯90°后气体才沿轴向流出涡轮机，它和离心式压气机相似，但气流方向相反。因为气流流动方向是由外缘向中心的，所以径流式涡轮机也称向心式涡轮机。径流式涡轮机是单级的，通常在小型涡轮增压器中采用，其特点是尺寸小、转速高、流量小。近来，大流量高压比的径流式涡轮机亦获得发展，并开始在大功率高强化柴油机增压器上使用。
　　根据废气能量在涡轮机中转变成机械功的形式不同，涡轮机分为冲击式和反击式两种。

　　冲击式涡轮机的喷嘴环叶片和工作轮叶片形状如动画所示。其特点是：喷嘴环叶片中的通道是收敛的，工作轮的叶片形状是对称的，而且叶片之间的通道截面是不变。
　　高温废气经过收敛形的喷嘴环通道时发生膨胀，压力降低而速度升高，高速气流沿喷嘴环通道弯曲形状扭转一个角度后旋出，冲到涡轮叶片上。由于高速气体流过工作轮叶片凸凹两面的速度不同，即凸面的速度大干凹面的速度，因此其压力也不一样，凸面的正力小于凹面的压力，由此压力所产生的圆周力使工作转旋转。 
　　由此可见，在冲击式涡轮中，涡轮的机械功之由于能量两次转变的结果。首先，气体在导向器叶片内膨胀把热能转变为动能，然后在工作轮叶片上气体动能又部分地转变成后轮的机械功，膨胀过程在喷嘴环中终止，喷嘴环后的压力和涡轮机出口压力基本相等，气体在工作叶片中膨胀，因此沿叶片间通道长度上的相对速度基本上保持不变。 
　　反击式涡轮机的叶片形状如动画所示。其特点是喷嘴环叶片和工作叶轮叶片均制成收敛形的通道，气体膨胀过程不仅在喷嘴环中进行，而且也在工作叶片中进行。气流流经工作轮叶片的通道时，由于截面逐渐减少使气体压力进一步降低，而气流速度进一步增加，高速气体流出通道时便产生对工作叶片的反作用力，此力在圆周方向上的力推动工作轮旋转。
　　因此在反击式涡轮机中，作用在工作轮叶片上的圆周力的产生，不仅是由于气体流过工作轮叶片叶产生的压力差(如冲击式涡轮一样)，而且还由于气体在工作轮叶片中高速流出时所产生的反作用力的结果。 
　　反击式叶片的效率比冲击式叶片的高，反击式涡轮机利用发动机排出的废气能量的过程比较顺利而有效。此外，在反击式涡轮中，工况变化时对效率的影响小。 
　　轴流式涡轮可以是冲击式的，也可以是反击式的，而向心式涡轮机只能是反击式的，这是因为在气体从外缘径向流动时，必须克服离心力场的作用。