气启动马达涡轮机结构研究

陈明健

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司,山西太原030006）

目前，在工程车辆、煤矿车辆上，广泛采用涡轮式气启动马达（以下简称气马达）启动发动机。气马达的涡轮有两种结构：一种是气流在叶轮内沿轴向流动，称为轴流式涡轮，国外的气马达品牌如TDI、Jetstream和Pow-R-Quik都采用此种类型涡轮；一种是气流在叶轮内沿径向流动，称为径流式涡轮，Ingersoll Rand品牌气马达是径流式涡轮的典型代表。国内制造涡轮式气马达的主要有上海毅联和烟台中翔等，皆采用轴流式设计。

1 轴流式气马达涡轮的结构与工作原理

轴流式气马达的涡轮典型结构如图1所示[1]，采用2级涡轮设计，由2个定子和2个转子组成气道。工作原理是：压缩气体从进气口1流入涡轮机内腔，在内腔中压缩气体进行初次膨胀，将自身的内能转换为动能，膨胀后的气体从进气喷嘴环2的进口流入，在喷嘴环流道中压缩气体进行二次膨胀，然后经过二次膨胀加速后的气体冲击一级涡轮转子3，将自身的动能转化为一级涡轮的转动能。然后气体经过导流器4后压力不变，速度大小不变，速度方向改变，方向改变后的气体再次做功，冲击二级涡轮转子5，之后尾气从涡轮机出口流出。气流流道示意图如图2所示[2]。

2 径流式气马达涡轮的结构与工作原理

径流式气马达涡轮典型结构如图3所示，由2个定子与一个转子组成气道，在转子的两侧分别排布两级涡轮，充分利用气体能量。

图1 轴流式气马达涡轮结构示意图

图2 轴流式气马达涡轮气道示意图

径流式涡轮马达工作原理为：压缩气体从进气口1流入涡轮机内腔,而后内腔中压缩气体进行初次膨胀，将自身的内能转换为动能，膨胀后的气体从进气喷嘴环2的进口流入，在喷嘴环的流道中二次膨胀加速，然后经过二次膨胀加速后的气体冲击一级涡轮叶列3，将自身的动能转化为一级涡轮的转动能。然后气体经过导流叶列4后压力不变，速度大小不变，速度方向改变，方向改变后的气体再次做功，冲击二级涡轮叶列5，之后尾气从径向或轴向流出。

气流流道示意图如图4所示。

3 混流式气马达涡轮的结构设计

图3 径流式气马达涡轮结构示意图

图4 径流式气马达涡轮气道示意图

本文介绍一种多级混流式涡轮，其结构如图5、图6所示。

其工作原理为：压缩气体从进气口1流入涡轮机内腔,而后内腔中压缩气体进行初次膨胀，将自身的内能转换为动能，膨胀后的气体从进气喷嘴环2的进口流入，在喷嘴环的流道中二次膨胀加速，然后经过二次膨胀加速后的气体冲击一级涡轮叶列3，将自身的动能转化为一级涡轮的转动能。然后气体经过导流叶列4后，流动方向由轴向变为径向，同时压力、速度不变，速度方向改变，方向改变后的气体再次做功，冲击二级涡轮叶列5。然后气体经过导流叶列6后，其压力、速度不变，速度方向改变，方向改变后的气体再次冲击三级涡轮叶列7做功，之后尾气从轴向出口流出。

涡轮装置具体结构如图6所示，由一个导流器、1个转子、1个定子组成，转子上分布2圈涡轮叶列，定子上分布2圈导流叶列，其转子采用铝合金材质，输出轴与转子采用过盈配合。

4 试验分析

图5 混流式气马达涡轮结构示意图

对所设计的涡轮结构进行了性能参数测试，在进气压力为0.3～0.8 MPa时，单位功率耗气量为20～22(L/s)/kW，与类似尺寸（涡轮外径大小相当）的径流式涡轮单位功率耗气量相当，比类似尺寸的轴流式涡轮单位功率耗气量小30%～40%。

图6 混流式气马达动力总成剖视图

5 结束语

本文介绍的新型气马达采用了多级混流式涡轮，其单位功率耗气量大于径流式涡轮，但小于轴流式涡轮。此种涡轮结构紧凑，可应用在小功率、小尺寸气马达上，以增加设计的灵活性。