氣啟動(dòng)馬達(dá)渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)研究

陳明健

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司,山西太原030006）

目前，在工程車輛、煤礦車輛上，廣泛采用渦輪式氣啟動(dòng)馬達(dá)（以下簡(jiǎn)稱氣馬達(dá)）啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。氣馬達(dá)的渦輪有兩種結(jié)構(gòu)：一種是氣流在葉輪內(nèi)沿軸向流動(dòng)，稱為軸流式渦輪，國(guó)外的氣馬達(dá)品牌如TDI、Jetstream和Pow-R-Quik都采用此種類型渦輪；一種是氣流在葉輪內(nèi)沿徑向流動(dòng)，稱為徑流式渦輪，Ingersoll Rand品牌氣馬達(dá)是徑流式渦輪的典型代表。國(guó)內(nèi)制造渦輪式氣馬達(dá)的主要有上海毅聯(lián)和煙臺(tái)中翔等，皆采用軸流式設(shè)計(jì)。

1 軸流式氣馬達(dá)渦輪的結(jié)構(gòu)與工作原理

軸流式氣馬達(dá)的渦輪典型結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]，采用2級(jí)渦輪設(shè)計(jì)，由2個(gè)定子和2個(gè)轉(zhuǎn)子組成氣道。工作原理是：壓縮氣體從進(jìn)氣口1流入渦輪機(jī)內(nèi)腔，在內(nèi)腔中壓縮氣體進(jìn)行初次膨脹，將自身的內(nèi)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，膨脹后的氣體從進(jìn)氣噴嘴環(huán)2的進(jìn)口流入，在噴嘴環(huán)流道中壓縮氣體進(jìn)行二次膨脹，然后經(jīng)過(guò)二次膨脹加速后的氣體沖擊一級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子3，將自身的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為一級(jí)渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)能。然后氣體經(jīng)過(guò)導(dǎo)流器4后壓力不變，速度大小不變，速度方向改變，方向改變后的氣體再次做功，沖擊二級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子5，之后尾氣從渦輪機(jī)出口流出。氣流流道示意圖如圖2所示[2]。

2 徑流式氣馬達(dá)渦輪的結(jié)構(gòu)與工作原理

徑流式氣馬達(dá)渦輪典型結(jié)構(gòu)如圖3所示，由2個(gè)定子與一個(gè)轉(zhuǎn)子組成氣道，在轉(zhuǎn)子的兩側(cè)分別排布兩級(jí)渦輪，充分利用氣體能量。

圖1 軸流式氣馬達(dá)渦輪結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 軸流式氣馬達(dá)渦輪氣道示意圖

徑流式渦輪馬達(dá)工作原理為：壓縮氣體從進(jìn)氣口1流入渦輪機(jī)內(nèi)腔,而后內(nèi)腔中壓縮氣體進(jìn)行初次膨脹，將自身的內(nèi)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，膨脹后的氣體從進(jìn)氣噴嘴環(huán)2的進(jìn)口流入，在噴嘴環(huán)的流道中二次膨脹加速，然后經(jīng)過(guò)二次膨脹加速后的氣體沖擊一級(jí)渦輪葉列3，將自身的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為一級(jí)渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)能。然后氣體經(jīng)過(guò)導(dǎo)流葉列4后壓力不變，速度大小不變，速度方向改變，方向改變后的氣體再次做功，沖擊二級(jí)渦輪葉列5，之后尾氣從徑向或軸向流出。

氣流流道示意圖如圖4所示。

3 混流式氣馬達(dá)渦輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 徑流式氣馬達(dá)渦輪結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 徑流式氣馬達(dá)渦輪氣道示意圖

本文介紹一種多級(jí)混流式渦輪，其結(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示。

其工作原理為：壓縮氣體從進(jìn)氣口1流入渦輪機(jī)內(nèi)腔,而后內(nèi)腔中壓縮氣體進(jìn)行初次膨脹，將自身的內(nèi)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，膨脹后的氣體從進(jìn)氣噴嘴環(huán)2的進(jìn)口流入，在噴嘴環(huán)的流道中二次膨脹加速，然后經(jīng)過(guò)二次膨脹加速后的氣體沖擊一級(jí)渦輪葉列3，將自身的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為一級(jí)渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)能。然后氣體經(jīng)過(guò)導(dǎo)流葉列4后，流動(dòng)方向由軸向變?yōu)閺较颍瑫r(shí)壓力、速度不變，速度方向改變，方向改變后的氣體再次做功，沖擊二級(jí)渦輪葉列5。然后氣體經(jīng)過(guò)導(dǎo)流葉列6后，其壓力、速度不變，速度方向改變，方向改變后的氣體再次沖擊三級(jí)渦輪葉列7做功，之后尾氣從軸向出口流出。

渦輪裝置具體結(jié)構(gòu)如圖6所示，由一個(gè)導(dǎo)流器、1個(gè)轉(zhuǎn)子、1個(gè)定子組成，轉(zhuǎn)子上分布2圈渦輪葉列，定子上分布2圈導(dǎo)流葉列，其轉(zhuǎn)子采用鋁合金材質(zhì)，輸出軸與轉(zhuǎn)子采用過(guò)盈配合。

4 試驗(yàn)分析

圖5 混流式氣馬達(dá)渦輪結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)所設(shè)計(jì)的渦輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能參數(shù)測(cè)試，在進(jìn)氣壓力為0.3～0.8 MPa時(shí)，單位功率耗氣量為20～22(L/s)/kW，與類似尺寸（渦輪外徑大小相當(dāng)）的徑流式渦輪單位功率耗氣量相當(dāng)，比類似尺寸的軸流式渦輪單位功率耗氣量小30%～40%。

圖6 混流式氣馬達(dá)動(dòng)力總成剖視圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的新型氣馬達(dá)采用了多級(jí)混流式渦輪，其單位功率耗氣量大于徑流式渦輪，但小于軸流式渦輪。此種渦輪結(jié)構(gòu)緊湊，可應(yīng)用在小功率、小尺寸氣馬達(dá)上，以增加設(shè)計(jì)的靈活性。