Почему выхлопные газы текут внутрь через радиальный турбонагнетатель?

Это должно бороться с центробежной силой, а не использовать ее.

На самом деле, верно обратное. Показанная схема на самом деле помогает извлекать энергию, возможно, вопреки интуиции. Типичным примером такого устройства является турбина Фрэнсиса.

Высокая скорость потока плюс высокая входная тангенциальная скорость, подаваемая на выход с низкой скоростью потока/низкой тангенциальной скоростью, создадут максимальную разницу энергии для извлечения. И это описывает внутренний поток.

Есть несколько способов взглянуть на это. Во-первых, посмотреть на выходную скорость жидкости. В компрессоре нормально, если жидкость имеет некоторую остаточную скорость, поскольку она преобразуется в статическое давление при замедлении по закону Бернулли. Для турбины скорость на выходе должна быть как можно ниже, поскольку кинетическая энергия потока выхлопных газов является «потерянной впустую» энергией. Поэтому имеет смысл разместить выход на внутреннем радиусе турбины, где радиальная составляющая скорости наименьшая.

Другой способ взглянуть на это — давление. Центробежная сила создает градиент давления на турбине в радиальном направлении. Когда «пакет» воздуха движется внутрь, его давление становится ниже. Под сохранением энергии это должно означать, что она тратит работу на свое окружение. Турбина извлекает эту работу из пакета воздуха, движущегося внутри.

Другое интуитивное объяснение заключается в том, что фигурист делает пируэт, втягивая руки (или скучающий офисный работник на вращающемся стуле). При сохранении углового момента их угловая скорость увеличивается. Пакет воздуха «хотел бы» увеличить свою угловую скорость, но это удерживается турбиной, вращающейся с фиксированной скоростью. Таким образом, воздушный поток должен замедляться при движении внутрь, в результате чего он оказывает давление на лопатку турбины перед собой.

Выбор между осевым, центробежным или смешанным потоком осуществляется в зависимости от условий потока, при этом высокий расход и низкий перепад давления предпочтительнее осевой конструкции, а более низкий расход или более высокий перепад давления предпочтительнее радиальной установки, как показано на рисунке. Более компактная конструкция означает меньшее количество ступеней турбины или компрессора, что приводит к более высокому перепаду давления на одной ступени. Таким образом, радиальная установка является предпочтительной.

Кажется нелогичным организовать поток так, как это было сделано в турбонагнетателях, но такое расположение является лучшим компромиссом для использования кинетической энергии выхлопных газов поршневого двигателя.

Цели дизайна

• Компактный размер
• небольшое противодавление
• простота конструкции (стоимость строительства и обслуживания)
• способность использовать «традиционные» материалы и технологии изготовления.

Корпус турбины выполнен таким образом, что он уменьшается в размерах по мере того, как он окружает турбинное колесо. Таким образом, выхлопные газы, проходящие через камеру, в конечном итоге (на самом деле довольно быстро) заканчиваются и выталкиваются в выхлопное отверстие следующими импульсами выхлопа.

Таким образом, выхлопным газам не нужно преодолевать или бороться с центробежными силами, поскольку корпус обеспечивает путь, который направляет газы.

Эта компоновка, в отличие от реверсивного потока, позволяет получить более простой и менее критичный профиль колеса турбины и гораздо более высокую эффективность во всем диапазоне расхода (iirc я пытаюсь найти ссылку). По сравнению с осевой турбиной эта конструкция менее эффективна, но он также настолько проще и компактнее, что намного перевешивает меньшую эффективность.