废气涡轮增压器结构设计

中文题目：废气涡轮增压器结构设计夕卜文题目： Exhaust turbocharger stricture design毕业设计（论文）共67页（其中:外文文献及译文麵页）图纸共工张完成口期2010年6 M答辩口期201（）年6月摘要涡轮增压器能在发动机排最不变的情况下,提高其动力性能，降低用气卅放，最初主 要用于柴汕发动机。最近，汽汕发动机也越來越多地女装涡轮增爪器，Turbo即涡轮增 压,简称T,量早时候由瑞典的萨博(SAAB)汽车公司应用于汽*领域。现在很多人都 知道了,涡轮增爪简称TURBO.如果在轿/尾部看到TURBO或者T,即表明该勺采用的 发动机是涡轮增压发动机.这些汽的发动机I作,是靠燃料在发动机气缸内燃烧作功, 从而对外输出功率，在发动机扌菲量一足的情况卜，若想提高发动机的输出功率，最冇效的 方法就是多提供燃料燃烧。然而,向气缸内多提供燃料容易做到,但要提供足够誠的空气 以支持燃料完全燃烧，黨传统的发动机进气系统是很难完成的。关键字：涡轮增压：气缸内燃烧：燃料AbstractTurbochargers can improve enginespower performance and reduce exhaust emissions without changing lheir capacity.They were mainly used in diesel enginesfirstly Turbo, namely the turbocharging, is called T, most early time (SAAB) the Car company applies by Sweden s Sabo in the automobile domain Many people have known now, the turbocharging is called TURBO, if saw in the passenger vehicle rear part TURBO or T, namely indicated this vehicle uses the engine is the turbocharging engine These automobiles engine work, is makes the merit depending on the fuel in the engine cylinder internal combustion, thus foreign output. In engine capacity certain situation, it wants to raise engines oulput, the most eftective method provides the fuel burning much. However, provides the fuel to the air cylinder in easily to do, but must provide lhe enough quantity the air to support lhe fuel to bum completely, is very ditticuh lo complete depending on the traditional engine air intake systcm.Key words: Turbo; Air cylinder internal combustion; FuelII目录1.废气涡轮增压概述I1.1废气涡轮增压器的背景11.2废气涡轮增压器产业的技术发展21.3废气涡轮增压器原理32废气涡轮増压器压气机结构设计62.1压气机的结构62.1.1进气道62.1.2压气机叶轮62.1.3扩压器72.1.4压气机蜗壳72.2压气机的主要工作参数82.2.1设计的原始数据82.3离心式压气机的结构设计92.3.1进气道92.3.2导风轮的初步设计102.3.3叶轮（工作轮）的初步设计122.3.4扩压器的初步设计152.3.5其他参数设计计算162.3.6 4初步设计进行校核163废气涡轮结构设计183废气涡轮结构183.2工作轮结构设计193.3相关参数设计20331设计的原始数据203.3.2废气在单级涡轮内的膨胀过程及效率204废气涡轮增压器主轴轴承以及其它装置的研究244废气涡轮增压器主轴244.2废气涡轮增压器主轴轴欣244.3废气涡轮增压器主轴轴承的润滑和冷却系统254.4废气涡轮増压器密封和隔热系统265经济性分析276.总结28致谢29参考文献30错误！未定义书签。错误！未定义书签。附录A译文附录B外文文献辽宁工程技术大学毕业设计（论文）1废气涡轮增压概述1.1废气涡轮增压器的背景说到涡轮增压技术,它己经有100多年历史r .在1905年Alfred Buchi博士就 申请了第一款涡轮增压器的专利动力驱动的轴向增压器。到T 1961年,小轿车 开始试探性地安装増压器,但因为瞬间产生的I 人爪力和热暈，使安装后效果M不理 想。而来自于北欧瑞典的Saab萨博公司则是第-家把涡轮增压器应用到汽车产品上 的汽车制造商,1977年问世的Saab萨博99汽车，便汽车发动机在应用涡轮殖压技 术上,真正开始走向成熟，它的到来同时宜告了汽车产业一个新时代的诞生。涡轮增 压技术改打讨1培犬小决定功率“的传统概念目前,己被世人公认为内燃机技术的发展 方向之一，迄今仍保持著方兴未艾的发展势头。涡轮增压是一项新技术，几十年的发展历 史冇力地农明，涡轮增丿I、是提高发动机功率和改善经济竹的赧冇效搭施.也是发动机强化 的必然途径，它（2成为”前内燃机发展的屯要方向.涡轮增儿是使柴汕机动力装进降低成 木、缩小体积、减轻重量最成功的方法。实践证明，对于安装尺寸受限制的应用（如船舶、 机车、F乍等）上是最受欢迎的,涡轮增压在降低比油耗、减少噪声以及高原性能等方面胜 过非增压发动机.60年代増压技术在中速柴油机上得到普遍应用,使强化指标有了很大提高;70 年代的右汕危机,又促使经济性指标（包扌舌降低燃汕耗率和使用劣质燃油）得到很大改善: 80年代各倒对环境污染的限制更为严格,制眾了极为苛刻的环保法规,迫便柴汕机制超丿 商各门寻找对策以谋生存.新开发的柴油机必须在诸多方血能体现出优越性.否则就无法 适未來剧烈的市场汩讥 纵观我国中速机的现状，应该说c初步n备了研究、设计和生 产体爲 但就总体水平而m 强化度不高,部分关键部件的可靠性尚待进一步提高，自动 化程度低，减振降噪,描施尚未实际应用（但高速机上已有应用）,排放研究还处于议论阶 段：整机的系列化和零部件的通用化程度较低：部分零部件如高爪汕泵和喷汕器的偶件、 调速器、轴瓦和活塞环等的制造工艺落后,质曲较差,JlffllS标较高机型的这些零部件仍 依赖进口，这些薄弱环节也限制了自行开发机型强度的提高。埒压技术由于在节能、提高功率及满足环保等方血具冇无可比拟的优点而被众多 柴油机所采用，而且发展越來越迅速。从发展趋势來看,增压程度越來越高,现在故大平 均有效压力已超过3.0MPa这样高的平均冇效压力，使得高增压柴油机出现了机械负荷和 热负荷严重、低I况性能和瞬态特性变差等突出的问题，因此对增压系统提出J越来越高辽ri.程技术人学华业设计（论文）袭楚涵:废气涡轮增压器结构设计的要求：要具冇良好的全工况性能，上要是冇利于改善低工况性能;较高的排气能量利用 率:气缸扫气顺利；冇;仙I放物低；瞬态特竹:好；易于实现系列化主产;涡轮尽量釆用单 进口。为了满足这兆要求,人们研发了多种增系统,尤其是为了改善高增压柴油机的低 匚况性能，国内外研究人员通过各种途径做了大量的工作，并取得了较显著的成绩。1.2废气涡轮增压器产业的技术发展我国吴仲华先住创立的叶轮机械三元流理论，随看计算机技术的迅速发展得到了 广泛的应用。H前采用准二维设计方法设计离心式压气机打径流涡轮己经很普遍。因全于 元流方法可以更准确、更全血地描述叶轮内部流场,利用它对乞种损失模型与叶轮内部流 场的深人研处（2经取得很人成绩.现C成为涡轮增丿1、器叶轮役il的基木力法。我国近年也 开始进行空气动力学计算、只元流场分析、叶轮及叶型设计、强度分析及性能预测等等。 就设计方法而言，卜一步的发展一是取决于理论卜的突破，二是计算机技术的发展。我国 的增儿器I.业的设计与制造技术正处在“发展中“状态，而西方国家L1经达到了“发达”状念 今犬的涡轮增爪器的结构U经相T紧凑、合理、完善，材料性能的提奇对涡轮增H、器性能、 成木的员献是相J人的。可喜的是近年来高新技术材料应用研究进展很快，对增爪器的发 展起右曲沌要的作用TiAl合金作为一种新型的高温材料，帘度小（约3.7-3. 9g/cm只冇 線基高温合金7&!3.3g/cm的份乙一斤右）、高温强度及抗氧化性好，用尸涡轮增H；器町 以人幅度降低比转动惯帚，提奇比瞬态响应性。采用奇频感应快速熔化浇铸I艺铸适涡轮 叶轮L1经成功,采用粉末冶金成型方法也（2制成涡轮毛胚另外值得屯视的是，压气机进 气端b滤清器结合採丿1腳电滤消、进气预旋等抿施提高滤淸效果仃拓宽爪气机流站范叽总的说来，经过儿卜年的发展，涡轮增压器的产品基本结构趋向一致，但小型化 9运用新技术优化结构却方兴未艾.社会发展对发动机提出J越來越高的要求,比必然对 涡轮增&器提出相应的要求。由于制造工艺水、i的提髙，使流量范围更r、效率更高、结 构更复杂的涡轮增H、.器制造成木降低，人批量牛产成为可能。血新的发明创适有使涡轮增 爪器产品结构简单化的倾向。就巾个滤消器、增压器、中冷器及进扌n气管道来说,分别提 高他们的效率是帀期的设计师们的I作，今夭再要人褐度提高其效率是不可能的,而将他 们的和”接口进行优化，将他们作为一个整体、一个系统来考虑却是人仃可为的。这就是 涡轮增川器系统”的意义。关国Honeywell.国KKK公司（现在的BorgWarncr公司）等在 这个方血作了人第的I作，取得了很好的效果。如增爪器的涡轮光打发动机排气管做成一 体，压气机的出口与中冷器进口合二为一,简化了结构、减少了气体流动损失,同时利用 计算机技术研究分析气体在它们中的流动状态，尽毎减少各种损失，改进设计，优化密体辽ri.程技术人学华业设计（论文）系统结构，使z右，局合理、紧凑，重量轻，总效率最高，涡轮增压器经历了基木型、増 H冲气控制旁通放气、町变几何或可变戴血、电了控制涡轮增爪器等阶段.涡轮增爪器的 结构相对越来越复杂,但适用范围越來越宽、效率越來越高瑞士 ABB公山的轴流式涡 轮增H、.器VTR. 4E总效率达75%0 11木的涡轮增爪器在小型化方血处于世界领先地位，如 三菱公词、石川册播磨公词均有压气机叶轮克徉为小34mm的小型增压留用J伸托勺或汽 汕机，11 Borg Warner .J于2001卅出涡轮HVch帕Imm的kP31涡轮增儿器.这是 、*今界最小的系列化增压器产品。在结构可靠性方血，以Borg Warner公司增爪器见氏， 他们保持了德国KKK公司传统,注霓实效,如K27压气机后弯叶轮的设il与应用。80年 代初期，前倾后弯丿k气机叶轮刚刚投放市场,此铸迢匸艺较枝杂，制适成本较高，疲劳寿 命较低。为了既保证可靠性又保证真效净、降低成木，KKK采取后弯加一叶尖圆弧而非前 倾的设计，实践i正明效果R好。在涡轮增压器轴承结构方血，甲先是采用滚动轴承，然 后发展到滑动轴承、全浮动轴承。浮动轴承的优点很明显:尺寸小、结构简单、磨损小、效 率离，虽然使用要求较清沽的润滑汕、对润滑汕H、力要求较奇（需要 定的压力以形成汕膜 打一眾的汕量以冷却高速旋转产牛的热量）为了克服浮动轴承系统润滑存在向爪气机端漏 汕、对润滑汕要求高等缺点，效率更高几无需润滑油系统的空气轴承,正吸引潜人们进行 深人的研究，预il不久会冇新的产品问HL W外，由于汽汕机涡轮增压温度很高，轴承系 统仅靠汕冷却不能满足要求，带冇水冷却套的轴承体U经推向市场.1.3废气涡轮增压器原理涡轮增压器实际上是一种空气汗缩机，通过丿k缩空I來增加进气量。它是利用发 动机扑出的废工惯性冲力來推动涡轮宰内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮H；送 由空气滤清器管道送來的空气,便之增爪进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速 度9涡轮转速也同步增快,叶轮就压缩更多的空气进入气缸,空气的压力和密度增大 可以燃烧更多的燃料，相应増加燃料量和调報发动机的转速，就可以増加发动机的输 出功率了发动机按瑞压方式可分为四类:不用专门增压装置的则I、，包18惯性增压、动力增 压、谐波增压等：机械增丿h,即利川机械传动的增爪器进行增丿k；发动机废气能量驱 动增压器,分废气涡轮增压和气波增压两种;复合增圧,即同时采用两种形式的增压,涡轮增氐利用发动机排出的废气能帘驱动涡轮，再由涡轮带动离心式压气机的方案。K匸作原理如图l.l所示:辽ri.程技术人学华业设计（论文）袭楚涵：废气涡轮增压器结构设计Figure I I （urbo exhausi system works发动机排出的具冇800-1000K髙温和一定压力的废气经HI气管（图中红色管路）进入涡轮讥里的喷嘴环，由于喷嘴环通过的血枳是逐渐收缩的。因而废气的斥力和温度卞降 速度提臥 便它的动能增加。高速的废气气流按一泄的方向冲击涡轮.便涡轮髙速运转。废气的压力、温度和連度越高涡轮转的就越快。过涡轮的废气域后通入人气。因为涡轮 和离心式爪气机叶轮同装在同一转了轴上.所以两者同速旋转n这样就将经过空气滤清器 的空气吸入压气机壳.离速旋转的压气机叶轮把空气甩向叶轮外給使其速度和压力 八进入扩爪器 扩爪器的形状为进口小出口人因此气流的流速|；降、压力升离,再通过 断血由小到人的环形丿k气机査使空气的比力继续提高，这些爪缩的空气经进气管进入汽 缸）存涡轮增系统中.涡轮增爪器和发动机无仟何机械传动连接废飞涡轮増爪器星通 过空气和废气的流动与内燃机耦合门行调热其转速打内燃机的转速没冇联系并利用 了排气能量.优点较多,因而获得广泛应用。气体在整个流道内的压力、温度和速度的变 化情况如图12所示辽i I程技术人学毕业设计（论文）!*Of M 扩p-WHk力T温皮c速皮图1.2压气机内气动参数的变化Figure 1.2 Compressor Aerodynamic parameter changes within废气涡轮增压器用的压气机多数采用匕述离心式，它的出口压力可达l4O-3OOKPa,次 至可达500KPau,5套楚涵:废气涡轮增H、器給构设计2废气涡轮增压器压气机结构设计2.1压气机的结构离心式压气机结构由进气道、叶轮,扩压器和压气机蜗壳等部件组成。2.1.1进气道进气道的作用是将外界空气导向附（机叶轮。为降低流动损失，其通道为渐缩形进气 道可分为轴向进气道和径向进I道两种基本形式：轴向进气道，气流沿转子轴向不转弯进 人压气机,其结构简单、流动损失小。中、小型涡轮增压器多采用这种结构：径向进气道 的气流开始是沿径向进人进气道,然后转为轴向进人出气机叶轮此流动损失较大一敵仅在 轴承外置的人型涡轮增汗器或空气滤清器等装宜的空问布誉受限时.才采用这种形儿 2.1.2压气机叶轮爪气机叶轮是尿气机中唯一对空气作功的部件,它将涡轮提供的机械能转变为空气的 爪力能和动能口压气机叶轮分为导风轮和作叶轮两部分.中、小型涡轮增压器两者做成一 体，人型涡轮増压器则是将两者装配在一起，导风轮是叶轮人口的轴向部分，叶片人口向 诞转方向前倾,闫径越大处前倾越多，其作用是使气流以尽制:小的撞击进人叶轮.根据叶 轮轮盘的结构形式，压气机叶轮可分为开式、半开式、闭式、星形等形式。开式叶轮没冇 轮盘，流动损失人，叶轮效率低H叶片刚性差，易振动口闭式叶轮既冇轮盘又冇轮盖. 流道封闭,流动损失小，叶轮效率高;但结构复杂.制造困难半开式叶轮只有轮盘,没冇 轮盖，1计I能介于开式和闭式Z间。但乩结构较简也 制造方便，11强度和刚度都较高， 在祸轮增压器中应用广泛，星形叶轮是在半开式叶轮的轮盘边缘叶片之间挖去一块，减轻 了叶轮质量,从而减小了叶轮应力,并保持一迩的刚度,因此能承受很高的转速,多在小 型涡轮增吐器中应用按叶片的K知，爪用L叶轮还可分为全长叶片叶轮和K知.叶片叶轮。 全长叶片叶轮进口流动损失小，效率高，但对于小H径叶轮，进口处气流阻塞较为严重。 因此，小型涡轮增压器中多采用长短叶片叶轮。.根据叶片沿径网的弯曲形式，压气机叶轮又可分为前弯叶片叶轮、后弯叶片叶轮和径 向叶片叶轮等，前弯叶片叶轮的叶片沿径向向旋转方向弯曲这种叶轮对空气的作功能力 最大，隹I其作功主要是增加了空气的动能,对压力能却提髙较少,这就要求空气的动能更 篡地要在扩压器和纲壳中转化为爪力能。因为扩扭器和須壳的效率比叶轮低,因此压气机 效率低，涡轮増压器中不采用这种叶轮口。轻向叶片叶轮的叶片径向分布,不弯曲这种叶轮的压气机效率比前弯叶片就高，比7辽丫 I程技术大学毕业设计（论文）后弯叶片的低由于苴强度和刚度最好，能承受较高的圆周速度，从而在此前增压比较低的 涡轮增丿k器中得到较多应用。后弯叶片叶轮的逆旋转方向弯曲，皿然它的作功能力小,但 空气压力的提高大部分是在叶轮巾完成的。这种叶轮由于压气机效率高,应用也较多前 倾后弯式叶轮（也称后掠式叶轮），其叶片沿禅向后弯的同时还向旋转方向前倾，这种叶轮 不仅几气机效率高，而且高效率范围宽户,近年來在布用柴汕机涡轮增爪器上受到了収视 和应用。2.1.3扩压器扩压器的作用是将压气机叶轮出口高速空气的动能转变为压力能。扩压器的效率是动 繫际转化为压力能的转化童和没冇任何混动损失的定境过程动能转化为丿I、力能的转化 量Z比，扩丿k器效率对压气机效率冇重要的影响按扩丿k器中冇无叶片，可分为无叶扩缶器 和叶片扩压器。无叶扩B器是一环彤通道i流在扩压器中近似汨対数螺旋线的轨迹漩功.即气流流动 迹线在任意宜径处9切向的夹角幕木不变。由十这一特点气流的流动路线流动损失人， 效率低,书压器出口流通面积小.扩压能力低,在同样的扩压能力下,扩压器出口直径较大 但无叶扩压器流址范怅宽,结构简单,制造方便.在经常处于变:r况运行的小型祸轮增压 粘上得到广泛应用。叶片扩压器是在环形通道匕加冇若干导向叶片.使气流沿叶片通道流动，由于气流的流 动路线短，流动损失小,故效率高。民叶片构造角沿径向增人,使气流的流通血枳迅速增 大,贡此扩能力人。尺寸小但出流毘偏离设计匸况，叶片人口气流角不等十叶片沟造角 时.将产牛撞击损失，使效率急剧卜降，在丁况范围变化不大的人、中刑涡轮增丿k器上，常 采用无叶扩爪器和叶片扩压器的组合形式。气流先经过无叶扩压器,再进人叶片扩压器. 代流的动能拦要在叶片扩压器中转变为压力能。叶片扩压St叶片的形式较多,图z6示出r 常用的三种貝中，平板形叶片和圆弧形叶片两种扩压器制造简单，但性能较差，在增压比 较低、系列化生产的涡轮增压郢中应用亵多机翼形叶片扩压器流动损失最小，压气机变丁 况性能相对较好,但制址较为复杂,多在增压比烫求较高的涡轮增压器中被采川，近年来 冇应用越來越多的趋势。2.1.4压气机蜗壳爪气机蜗心的作用是收集从扩用黯出来的空气将其引导到发动机的进气件，由于rik 器出来的空气仍冇较人的速度.在蜗充中还将进一步耙动能转化为丿h力能，I丿、I此，爪I机9辽F |液技术人学毕业设计（论文）戏楚涵：废气涡轮增爪器结构设计蜗蒐也冇一疋的扩作用。蜗壳效率是动能转化为丿k力能的实际转化玆和定嫡转化量Z 比。2.2压气机的主要工作参数2.2.1设计的原始数据设计选择4100巾柴汕机D=100 (mm) , S=118 (mm) , Vh =3.856 (L):发动机过量空气系数a = 1.7；容积系数,=0.9&扫气系数严1.02；?气过量空i系数似=7 7 = 1；压气机的1-1.作参数是增压比、效率、流址和转速。通常以增爪比为纵坐标，流量 为横坐标，转速为参变数，并以等效率线绘制压气机的特性曲线,从而可方便地看出乞种 匸况下，压气机各主要工作参数的相互关系。1) 增压比:增压比是压气机出口丿h力和进口爪力Z比，增爪比是压气机故1要的I作 指标.也是对压气机提出的基木要求。气机的增压比主要是在工作轮和扩压器中获得的。 离心式压气机工作压力的提高，主要靠离心力作用产生。离心力与工作轮外径处的圆周速 度的平方成正比,而且在理想情况卜，匸作轮能加给空气的最大功也与工作轮外径处的圆 周速度的平方成正比。因此,选用高强度的材料制ii I f轮.川以提働H周速度,进而提 高压气机的工作压力。2) 效率：效率是压气机的经济性指标，说明压气机设计制造的完善程度，具中最重要 的有多变效率和等炳效率。名变效率是指压气机的多变压缩功和压气机总功之比。等埔效 率是等埔压缩功和压气机消耗的总功之比。在涡轮增爪器中，爪气机的等埔效率一般为 0.700.85,个别的更高。由于多变压缩功人于等炳压缩功，故多变效率人于等埔效率， 一般等爛效率等于多变效率的0.970.99。3) 流曲：单位时间内流过压气机的气体乘绘或容积称为压气机的流曲。每一台圧气机 有一定的流童范例,可以用给定增压比下,Jt最大流量和绘小流童之比来表示。爪气机的 流暈范I决述了它适用的柴汕机功率范佛流星范FR愈宽，则孔适用的柴汕机功率范帼愈 大。4) 转速：圧气机I.作轮每分钟的转数称为压气机的转速.因为压气机I作轮和涡轮I 作轮装在同一根转轴上，所以压气机的转速就是涡轮的转速.也是涡轮增爪器的转速。初步设计的主要参数如卜I空气流量Gc=O.35kg/s；增压比=2.9：#辽F |液技术人学毕业设计（论文）环境M力po=1.033Mpa；环境温度To=293K；压头系数咅=0.722.3离心式压气机的结构设计綾心式压气机的主要几何尺寸，包括进气轮毂肓径，轮缘貢径，叶轮直径，进出口速度,进气口流动角的-昨参数，2.3.1进气道辺气道是把工体引入!1、气机。它是气机流程的第一部分，对压气机的工作有直接的 影响.叶轮进口冇轴向进气,正预旋和负预旋3种情况,本设计采用轴向进气道。气体沿 着和转轴平行的方向进入丿（机。轴向进气具有进气均匀、流动阻力损失小和給构简单尊 优点，因此应尽可能采用此种型式。但通常当轴承布置为内支承结构或内外支承结构（压（ 机叶轮为悬臂支承）时，才能采用轴向进气道，因此，在小型涡轮增压器上得到广泛的应用。一般对进气道的要求是：（1）进气均匀,便气流均匀地充满匸作轮的每个叶片通道。（2）流动阻力损失小，进气道的流动损失对压气机的效率有显著的影响,因为这流 动损失导致-I作轮进口的气流温度增加，所以压缩功也就按比例增加，从ifu降低压气机 的效率。（3）结构应尽可能简单和紧凑。（4）要便于消咅和清除杂质。图21轴向进气道的结构Figure 2l【he structure of (he axial inlet 根据设计参数进行热力计算:进气方向等嫡斥缩功 G=亠“nTkI 工h为空气绝热指数,1.39：尺一为空气工体常数，R =22.4 :11辽F |液技术人学毕业设计（论文）茨楚涵:废气涡轮増压器结构设计Tcl环境温度To=293K：2.3.2导风轮的初步设计气体从进气道流出后，进入旋转的导风轮。它是丿k气机L作轮进口的叶片扭转部分. 由于导风轮的叶片适型比较父杂，为了加L制适方便，在名数怙况下，导风轮和叶轮是分 开制适的。但在一些小型涡轮增压器上,常把导风轮和叶轮做成一体,把叶轮进口部分的 叶片做成扭曲的形状。木次设计也采用将导风轮和叶轮做成一体的结构。导凤伦的叶片型线上要冇圆邨、椭I员I和抛物线等三种型线。近来较多采用抛物线型线, 因为用抛物线构成的型血冇卜列优点：能使气流以较低的流动损失半顺地从周向转到轴 向：导风轮叶片n冇良好的强度特性；叶型加方法比较简单。抛物线型的叶片有平血抛 物线叶片和風柱抛物线叶片两种。丽者是用F血上的抛物线去构成叶片型血，后者是用岡 柱面上的抛物线去构成叶片型面，这两种抛物线型的导风轮见冇差别不人的气体动力性 能。木设计对导风轮的叶片型线采用平血抛物线.图2-2导凤轮的叶型Figure 2-2 Wind round guide blade#辽F |液技术人学毕业设计（论文）#辽F |液技术人学毕业设计（论文）导风轮的结构设计计算1.工作轮外径处圆周速度u2=,JgLa/Hc 2=336.68 m/s2.导风轮进口前轴向气体速度Cia=84.l7m/sT,=289.5K取久=025“2久=03导风轮进口前气休温度4. 进气道的多变指数旺= 1.37 1.39ni=1.38#辽1程技术夬学毕业设计（论文）5. 导风轮进口前气体用力px = 1.033 x 0.957 =0.989MPa6. 导风轮进口前气体比雨7 导风轮进口前截血积F=M&7沪8.导风轮叶片数JI作轮相同Zr =14 片9 导风轮堵塞系数选取r, =0.910.导风轮进口后气流轴向速度c.7 =乩CUl =93.52m/sII.轮径比12.轮径比选取（0.2-0.35）DIO / D2 =0.31选取（050.7）DIW I D2= 0.713.伦径比DJD严= 0.54114. I作轮外径=7d? 叫=73373r/min15压气机转速16.轮毂n径/10 = 27.1 Smni17 导风轮进口外径% = D?如D.h = 613SmniII彊处涵：废气涡轮增压器结构设计18. 导风轮进口平均直径Dlm=DD）九=47.43枷19. 导风轮进口外径周速ulH =nLu1 uXH = 235.7m/s 220. 导风轮进U平均fl代处周速%=许“2 /=182.l4m/s21. 轮毂处周速厂虧25=10437nVs22. 导风轮进口外径处相对速度亦=曲+如2如=253.5&毗23.马赫数呗=；亦 % =0.8524.导风轮进口气流角c 9UXH件 =22。25 粤风轮进口气流角c 90g =%九严27。26.导风轮进口气流角c 91“久=42。2.3.3叶轮（工作轮）的初步设计压气机的匸作轮由导风轮和叶轮组成。L作轮是压气机的主要工作元件。涡轮机输给 压气机的机械能，就是通过工作轮传递给空气的，因此工作轮出口的气体压力和温度显著 增加，同时气流速度也显许提高，按照构造型式不同,把I竹轮分为三类:闭式,半开式和 开式。辽i丨程技术人学毕业设计（论文）图23星形工作轮Figure 2-3 working round star目前,如图23在小型涡轮增压器中,还常采用种星形的I.作轮。它是介于半开式 和开式叶轮之间的一种型式.为了减少叶轮的重量,在叶轮的轮盘外缘对称地公掉一部分, 从血减小了叶轮的应力。因此它能承受很高的转速，町在小型涡轮增爪器中应川以获得较 高的増压压力。斥气机匸作轮按叶片型式分也有三种:后弯叶片的叶轮,径向叶片叶轮和前弯叶片的叶 轮。木设计采用具有径向叶片的星形工作轮，这种作轮的主要优点是强度和刚性好，允 许较恋的圆周速度，叶伦传递给宇气的能輦较人，能获得较高的增爪爪力.同时制适也较 简便。但它的效率稍低,这左要因为：叶片一血敞丿I，増加了与机売间空气的摩擦阻力损 失：叶片通道内气流速度场较不均匀，增加J流动阻力，叶轮出口的气流绝对速度较高， 使扩压器中的流动损失增加.庚心式压气机的结构为轴向进气，径向排气。无单独导风轮.工作轮釆用半开式径 向叶片 JE气机工作轮套在铭铝钢制造的转子轴上,用螺帕同紧，I d轮采用实心（；村 ZL401切削，无叶扩压器，蜗壳流通断血为圆形。工作轮的结构设计计算1工作轮叶片数Z, =10 + 0.750/2 = 14片2.功率系数心丄如1I 丿“ =0.8313辽宁I程技术大学毕业设计（论文）渡楚湍h废气涡轮增爪器结构设计3匸作轮出口气流轴向分速 c貯叫C2k = 27&24in/s4. I】作轮出口阻塞系数选取r2 =0.965. I作轮出口气体比贰 给定初值/2 = 1.80/w?6. 工作轮出口气流径向分速C/CgC2r = 84.17iyi/sG7. 工作轮出口叶片宽度* = nDy C r % = 8.7呦& i.作轮出口气流速度 c2=7c2,2+cjC2 =297.2 Im/59. 气流角c“2 = （trcta a2 = 16.710. 丁.作轮摩擦系数选取（0.0250.07）a = 0.05為=7 +22 J100511工作轮出口气流温度T2 =3476K12. I作轮多变效率 选取（0.850.93）如】3.指数廿亡网14工作轮出口气体压力p2 = 1 ISmpa15. 验算I作轮出口气体比重#辽宁I程技术大学毕业设计（论文）/2 = 228kg / m2.3.4扩压器的初步设计在叶轮出口应冇一个装置能够把叶轮出口的气体速度冇效地降低卜來，使气体动能转 化势能，这就需要在叶轮出口安装扩压器实现，扩压器冇两种形式；一种是冇叶扩压器， 一种足无叶扩儿器。在结构上无叶扩爪器所H、仃的一个突出符点是没彳卩 血积疗在，因 此在扩圧器内不可能出现堵赛流动现線，因此木次设计采用无叶扩斥器。扩压器的结构设计计算I. 马赫数U u=7=M,2=0912. 轮径比23. 无叶扩压器出口直径选取（无叶扩压器邈D2 =l(X).8w/n4 无叶扩压器出口气流速度5.无叶扩1KSSHI口气流温度C产C3 = 258.44m/5-D、37,=7： + 5 _57= 357.6K20106无叶扩爪器K度l = （D.-D2）/27.无叶扩川器多变效率 选取（0.60.8）加=7 nx心 k/ = 6.6mm亠= 2.5 心_9.无叶扩压器出口气流tk力Pi = Pt(丁 1心p.9mpa10. 无叶扩压郢出口气体比重y严葺儿=2.38 Kl3无叶扩压器出口宽度选取15辽宁I程技术大学毕业设计（论文）袭处涵：废气涡轮増压器结构设计b3 =b2 +(O 2)mm b3 = 10.7mm12.无叶扩压器出口气流径向分速C5r = 43.42w/5#辽宁I程技术大学毕业设计（论文）#辽宁I程技术大学毕业设计（论文）13. 无叶扩汗器出口气流周向分C = Jc；_c； Cg = 254.8m/ $14. 无叶扩压器出口气流角度5=9.6。#辽宁I程技术大学毕业设计（论文）#辽宁I程技术大学毕业设计（论文）2.3.5其他参数设计计算压气机的其他参数设计1.蜗壳出口气流速度 选取Cc=40m/s2.蜗応出口气休温度Tc=T. + C；C； T = 390/C20103.4.指数七化二宀“87)化= 3.4w4 -1 n4 - 1 k - In4 -1Pc = 2J9mpa蜗壳出口气体压力4=片5.6.T、蜗心出口气体比収 /c=-xl04 yc = 2.3kg Im RTc蜗壳出口面积耳=乜一叫=32.772Cc/c7.肿(机出口滞止气流温度讥+蔬 心390就压气机出口滞止气流压力耳=PcP=279m2.3.6对初步设计进行校核通过对离心式Fk气机的初步优化设计后.还带要对本设计进行下校核，看看设计的 是否符合设计的要求，满足设计出给的参数，1. 校核增压比 n厂空n( =2.7校核等墻压缩功#辽i I卅技术大学华业设计（论文）75%辽i I卅技术大学华业设计（论文）3. 校核爪头系数4. 校核压气机效率Lcs =7943.67檢/n5 压气机消耗功率0.746GANc =35.5br75%辽宇工程技术大学毕业设计（论 I3废气涡轮结构设计炭（涡轮可分为轴流式和径流式两类,在轴流式涡轮中，废气沿涡轮旋转轴线方向流 动。当流量较大时,它的效率较高它适用于大呈的废气涡轮增压器。在径流式涡轮中,废 I沿刚仑旋转轴线相垂H的平面径向流动.在流呈较小时它的效率较高，制适又较猗 跟,适用打小流赧的废气涡轮增爪器。这里主要讨论工作轮的设计,3.1废气涡轮结构典型的废i涡轮增压器结构如图所示，基木构造是把涡轮和爪气机装在同一轴上，并 由轴承、売体等组成.压气机叶轮是用铝合金制作的精密铸件.叶片的形状通过应用流线 解析、FEM技术等设计而成,近来离心式废气涡轮增压器叶轮都采用后弯式,扩压器用无 叶型，以适应汽车宽广流杲范用。涡轮叶轮用耐热性高的银或钻合金材料，应用梢密铸造 法報体铸谥。任由涡轮止向涡轮叶轮流入的部分人影装冇喷嘴.丨1询，一般采川、冇喷嘴 竹能的蝎壳,即所谓无喷嘴的涡轮壳。设冇轴承,油道的中间光和涡轮秃间的汕寸机构都 很車实，这兆部分的堵盖、环等是由各分公诃分别独门设计的叫1 一隔热板：2涡轮：3, 12密拥环：4一涡轮壳：5推力轴承：60型密封圈：7膜片弹逐8密刘左：9-Ik气机：10转轴：II-Ik气机叶轮：13-lk气机后孟板：一中间壳：15 k坏:16浮动轴承图3-1涡轮增压器结构图Figure 3-1 lurbocharger Chart径流式向右涡轮在形状匕很像离心式压气机.但气流的流动方向与压气机相反,在一 定程度匕可以把径流式向心涡轮的I作过程看成离心式汗气机的逆过程。径流式向心涡轮的进气壳，般打推5连在起进气道设置在喷嘴环径向的周用， 离进口越远，流通截血越小.以使流呆沿圆周均匀地分布。由于切向进气流动损失小.因 此多采川切向进气形式按通 叫分为m通迫、贾通道和三通道二和口常压增压便用单通 道.脉冲增儿多用双通道或二通道，但以双通道为多，双通道乂有執0全周进气和180。 分隔迪气两种。180。分隔开的双通道进气是一种传统的结构形式，卩I这种结构使涡轮叶轮 始终处于半周进V的不均匀状态.彩响T涡轮效率口因此 近來年360。个周进做用较为 普遍，进气道的截血形伏如同压气机蜗応 也分为圆形、梨形、矩形、梯形等形状,梨形 蜗壳径向尺寸较大,但效率高,在小型涡轮增压器上应用较多为了减小气体的余速损失, 提為淀轮效率，涡轮排气壳为一扩压段扩压段的形状与尺寸由叶轮出口的叶轮直径和轮 载宜径决定，扩张角一般为8- 10%径流式向心涡轮的喷嘴环，抿据彳无喷嘴叶片分为无叶喷嘴环和冇叶喷嘴坏。无叶 喷嘴”宀涡伦讥做成-休构成尢叶蜗心无叶蜗心的径向截面向喷嘴出口逐渐缩小，両 人口贝I没冇明确的界限它不仅川负着一般蜗心的功能，同时还起石喷嘴环的作丿II。无叶 蜗壳曲特点是尺寸小，质量轻,结构简单.成木低在变】况工作时效率变化比较平坦，但 最高效率低一些.因此，无叶蜗壳用丁经常处于变I况条件F工作的车用爲轮增压器中更 为适宜但无叶蜗壳匹配不同的发动机时,要用不问iffl道尺寸的蜗売，与有叶喷嘴只需更换 喷嘴环甚至只更换喷嘴叶片相比，其适用范围较小。有叶喷嘴环由喷嘴叶片和环形底板形成径向收敛的通道。结构形式有幣体铸造式和 装配式两种。摊体铸逍式制适方便,成木低I作可羅;装配式通过不同的安装角可适应不 同流莘和功率的发动机的需要.局部损坏时nJ单独更换叶片但氏零件数H多，加及装 配费1时采用冇叶喷嘴只需更换喷嘴就吋得到适应不同发动机要求的变型产品.冇利于涡 轮增尿器的系列化，3.2工作轮结构设计I作轮是把从喷嘴环出來的高速废气的功能和H；力能转换成为机械功.從流式涡轮的 I.作叶片打轮盘做成一体叶片的形状采用抛物线形,I作轮采用星形。星形I作轮是为 J减轻审:量、减小工作轮转动惯量、提高强度改善加速性能。3.3相关参数设计3.3.1设计的原始数据设计选择4100型柴汕机D=IO() (mm) , S=118 (mm) ,=3.856 (L):发动机过时空气系数a=1.7：容积系数臥=0.98：存气系数,=1.02：T气过空I系数叭二n、q、=；3.3.2废气在单级涡轮内的膨胀过程及效率为了计算废工在巾级涡轮内的膨胀过程，常利用I-S图来分析废气在单级涡轮内的膨 胀过程I-S图绘出J废气的膨胀过程在图心点相、|于废气进入喷嘴环的状态，由十废I 进入喷嘴环时的速度I它的动能为孕。段 I辿入喷嘴坏时的状态用滞止参数表小/；(/； 点)，/；=CPT；,即 i; = cj；E图3-2废气在单级涡轮内的膨胀过程图Figure 3-2 Single-stage gas turbine in the process of the expansion plan辽宁1 程技术人学毕业设计（论文）涔废气的初始状态为P； 7；在单级涡轮中膨胀时，压力由p：降到p汀如果,废工在巾?轮中拟 t程进行序胀 苛图中”：一Q和I.D 住行。次二线段分 别表不废气在喷嘴环中和1/轮中的绝热膨胀过程，可以认为在过程中没冇流动损失及仃 外界没冇热最交换，此时废气的熔降是件一心宀 以H表示.即H=/；-/2arfa它表示在 m级涡轮中进行的膨胀功，迪.：为绝热膨胀功（或称m用熔降，即废气在单级涡轮中 所作功的般大值叫1）绝热膨胀功H它农示在单级涡轮中进行的膨胀功.即废气在单级涡轮中所能作功的报大值4/ =/ 2小的（咗）丁咗叫(31)(32)辽宁1 程技术人学毕业设计（论文）辽宁1 程技术人学毕业设计（论文）式中一为废气绝热指数,1.33；为废气I体常数，心=29.2：7；滞止温度,T,=313 （K）:恋一增压比，=1.84；1 33凹H =x 29.2x313(1.84 133 -1) = 5524.8 (J/kg)1.33-12) 、涡轮的驱动功率1(X)0x 皿（kW）(33)辽宁1 程技术人学毕业设计（论文）辽宁1 程技术人学毕业设计（论文）式屮 6为废（侮秒钟进入汹轮的流如 G,=I.3G ：G-单位时间内通过柴汕机的空气钛(3)Gt = 1.3x0.35 = 0.46 (Rg$)；Gr /1 ()0()0.46x5524.81000x 0.79 x 0.98 = 2(kw)：式中 几一涡轮増丿k器的机械效率，久取值范围0.95-0.99.取几=098；仍一为“效效率（涡轮效竹 涡轮轴匕的仃用功9废卞用的绝热熔賂Z比般取值范 111 0.75-0.80,取qT =0.79：nt 涡轮实际输出的冇效功率:辽r I程技术人学毕业设计(论文)殳堆涵：废气涡轮增压器结构设计3）涡轮的反作用度弃涡轮中常用反作用度。來农小废气的町用熔隆H在喷嘴环和L作轮Z间的分配比 例。反作用度Q足丨作轮中绝热焙附何9叫用焰降H的比他。H严pH p)HI人此.Q值的人小.说明废14丨竹忙内膨胀多刀八如果;畀1喷嘴环中完成.闻在1竹轮中不在膨胀此时，p=0.这种涡轮成为冲山式涡轮。它表不竹用在L 作叶片上的力.完全是由于气流运动方向的改变（因相对速度不变%二州），即是气流冲 击作用的結果.如果废气的熔降不匸个化喷嘴环中膨胀，而冇部分在工作轮内膨胀.则 0pl ,这种涡轮成为反竹川式涡伦。此时因气体相对加速度增加所产牛的竹川在I. 作叶片的力,可看作是气体从工作叶片流出时的反作用力。在近代的废气涡轮增JI、器中常采用反竹用式涡轮，值常在0.40-0.50 Z间，由于废 曲别化喷嘴环利I作轮中膨胀，以降低皿的绝对加速度q和川対加速度昭，从血减 少了流动损失，提高了涡轮的效率。皿(35)取 p=().44：H =(1-0.44)x5524.8 = 3093.88 (J/kg)；4）涡轮机的膨胀比晒问(36)式中p；_为涡轮机前的废气滞止压力.p；=79.5 （kPa）；2为气体背乩 2鸽十15倍的大气从力,p2 =1.5x98.8 = 148.26 （ kPa ）:148.26 _ 545）喷嘴环出口绝对速度6(37)辽r I程技术人学毕业设计(论文)辽r I程技术人学毕业设计(论文)0速度系数.-般径流式涡轮的取值范TI 0.94-0.97 Z间，取0=0.97；辽r I程技术人学毕业设计(论文)6 = 0.972 x 9.8(1 - 0.44) x 3093.88 = 178.7 (m/s)；(38)6) 喷嘴环出口Y体温度7；T严 T(K)式中7；为喷嘴环进口温度,7； =732 (K):禺一为废飞气体常数./?产29.2；17ft 7 27； =732 =718(K)；2x9.8x292 133-17) 喷嘴环出口气体压力内(39)式中 几一喷嘴环进口压力(涡轮进口燃气压力)，= pr =79.5 (kPa):p. =79.5x(l178.721 33 2x9.8x29.2x732 1.33-1133J 133 I喷嘴环出口气体收度z/ip, x IO4(310)9) I喷嘴环出口截而枳&2)(311)10)选择喷嘴环为6个，工作轮叶片也为6片,由此可以计算出大圆半径r龙厂6xFr(312)/6x F, _ (6x40V =V 3.14=9 (cm)辽r I程技术人学毕业设计(论文)袭楚涵:废气涡轮增J |器结构设计4废气涡轮增压器主轴轴承以及其它装置的研究4.1废气涡轮增压器主轴4轴rh 42CrMo钢制成，一端女装涡轮.另一端安装叶轮。其尺寸根据叶轮和涡轮的 尺寸而定。4.2废气涡轮增压器主轴轴承轴承对涡轮增压器丄作的叫靠性冇鱼人关系，它不但要保证以高速旋转的转子可靠地 工作而且还要使转子确定在准确的位置上。它承受着转子部件的重力、气休对转了的作用 力、转子不平衡质绘引起的离心力和发动机撮动带来的外我荷。涡轮增丿I、器I:的轴承冇径 向轴承和推力轴承，径向轴承又分为滚动轴承和滑动轴承过N采川滚动轴承的较多.现在采 用滑动轴承的较多，常用滚动轴承一般在外支承的轴承布邊方案中采用。这种轴承的匸要优点迪机械摩擦 损失小彳jR好的起动和加速性能.特別在人气温度较低时：能保证涡轮增H、器仃良好的起动 条件:由于机械摩擦牛热较少.使润滑汕的消耗较少;一般采用独立的门行循环的润滑系统. 可保寺涡轮增压辭的渭洁;不需要单独设置推力轴承但是滚动轴承有不容忽视的峡点:为 适应涡轮:噌压器岛转速的要求，轴承的材料和加工粘丿2婆求很高;为防止振动载荷，轴承支 座必须安装减振装置;目构造较复杂，价格较高，工作寿命较短.滑动轴用包拈向心滑动轴承和浮动轴承.向心滑动轴承：在涡轮增儿器屮，常用的 向心滔劝轴承分为篦汕模轴承和浮动轴承.滑动轴承构追简草价格便直.使用好命K, 可以用发动机润滑系统的润滑汕匕作，对抿动不敏感口如果润滑汕质量好转了-动平衡特度 高，我使用寿命相当于柴汕机的大修期限茯至更长。但它的缺点是:机械摩擦损失较大，比 滚动轴承大约高23倍消耗的润滑油量较多。滑动轴承的材料要求耐炳、导热常用锡宵铜 合金、高锡铝合金、卄铜镀锡等。滑动轴承的结构必须保证正常上作时形成液体摩擦轴 和轴承Z间有一定的间隙。这问隙的大小主要决定于转速。随转速增加,必须加大间隙. 以保证通过较大的润滑汕埔和保证轴承温度不致过一般转轴和轴承Z间的间隙等于轴 颈肖径的n .2% .5%、|轴颈静止时，由于转轴木身电力的作用，轴颈和轴承在最低一 点处按触，两边形成懊形的缝隙，勺轴颈按顺时针方向转动时，处I接触点右边间隙的润 滑汕右曆擦力作用F而引起运动，越按近轴颈的汕从运动速度越人，緊贴轴颈的油层与轴 侦的运动速度柑同.血附看在轴承上的汕以速度为零口曲轴颈带涪润滑汕通过最狭的间隙 时.汕彼挤在最狭部分啲产牛H一力在汕爪力竹用卜.轴颈便被抬起随君轴颈转速增加.油压辽F l卅技术大学华业设计（论文）力也增加,把轴颈和轴承完全隔开，在两者Z间的下方后部油膜最薄，滑动轴承的工佶条 fl収决于转速和载荷。在高速、轻载情况下,紬在轴承的油层中会产生自瓠而产生这种 振动的临界转速和振幅，决定于轴承和载荷的结构形式。在一定的结构及载荷卜，为达到 -定转速时,轴在轴承的汕层中便开始出现口振，即所谓油膜振动.随着转速的提高，振 幅也迅速增人,使涡轮增咖运转极不稳定,严币:时会破坏轴的正常匚作,适成報台增压 器损坏，I人I此，在高速祸轮增压器卜使用滑动轴承时,必须解决汕膜械动问题。朗浮动轴承又称浮动环，浮动轴承工作时,浮动环和轴颈、浮动环和釉承庄之间都冇一定 间15：汕均允满汕膜，轴承上冇孔使内外汕膜相通一燉浮动环外间隙为内间隙的2倍。曲转 轴旋转时,由于润滑汕的粘性而引超麟擦力,使浮动环转动，比转动的速度一般为转轴转 速的25%-30%.形成两层汕膜由于浮动环内外都冇间隙，可以