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废气涡轮增压器结构设计废气涡轮增压器结构设计 www.88doc88.com 中 文 题 目:废气涡轮增压器结构设计 外文题目:Exhaust turbocharger structure design 毕业设计(论文)共 67 页(其中:外文文献及译文36页) 图纸共3张 www.yanziedu.com www.88doc88.com 摘 要 涡轮增压器能在发动机排量不变的情况下,提高其动力性能,降低尾气排放,最初主要用于柴油发动机。最近,汽油发动机也越来越多地安装了涡轮增压器。Turbo,即涡轮增压,简称T,最早时候...

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废气涡轮增压器结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 www.88doc88.com 中 文 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目:废气涡轮增压器结构设计 外文题目:Exhaust turbocharger structure design 毕业设计(论文)共 67 页(其中:外文文献及译文36页) 图纸共3张 www.yanziedu.com www.88doc88.com 摘 要 涡轮增压器能在发动机排量不变的情况下,提高其动力性能,降低尾气排放,最初主要用于柴油发动机。最近,汽油发动机也越来越多地安装了涡轮增压器。Turbo,即涡轮增压,简称T,最早时候由瑞典的萨博(SAAB)汽车公司应用于汽车领域。现在很多人都知道了,涡轮增压简称TURBO,如果在轿车尾部看到TURBO或者T,即表明该车采用的发动机是涡轮增压发动机。这些汽车的发动机工作,是靠燃料在发动机气缸内燃烧作功,从而对外输出功率。在发动机排量一定的情况下,若想提高发动机的输出功率,最有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,但要提供足够量的空气以支持燃料完全燃烧,靠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 www.yanziedu.com www.88doc88.com Abstract Turbochargers can improve engines‟power performance and reduce exhaust emissions without changing their 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 automobile's engine work, is makes the merit depending on the fuel in the engine cylinder internal combustion, thus foreign output. In engine capacity certain situation, if wants to raise engine's output, the most effective method provides the fuel burning much. However, provides the fuel to the air cylinder in easily to do, but must provide the enough quantity the air to support the fuel to burn completely, is very difficult to complete depending on the traditional engine air intake system. Key words: Turbo; Air cylinder internal combustion; Fuel www.yanziedu.com www.88doc88.com 目录 1.废气涡轮增压概述 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 1.1废气涡轮增压器的背景????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 1.2废气涡轮增压器产业的技术发展 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2 1.3废气涡轮增压器原理 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 3 2废气涡轮增压器压气机结构设计 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6 2.1 压气机的结构 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6 2.1.1进气道 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6 2.1.2压气机叶轮 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6 2.1.3扩压器 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7 2.1.4压气机蜗壳 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7 2.2 压气机的主要工作参数???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8 2.2.1设计的原始数据 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8 2.3离心式压气机的结构设计 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9 2.3.1进气道 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9 2.3.2导风轮的初步设计 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????10 2.3.3叶轮,工作轮,的初步设计 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????12 2.3.4扩压器的初步设计 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????15 2.3.5其他参数设计计算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????16 2.3.6对初步设计进行校核 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????16 3废气涡轮结构设计 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????18 3.1废气涡轮结构 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????18 3.2工作轮结构设计 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????19 3.3相关参数设计 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????20 www.yanziedu.com www.88doc88.com 3.3.1设计的原始数据 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????20 3.3.2废气在单级涡轮内的膨胀过程及效率 ??????????????????????????????????????????????????????????20 4废气涡轮增压器主轴轴承以及其它装置的研究 ????????????????????????????????????????????????24 4.1废气涡轮增压器主轴 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????24 4.2废气涡轮增压器主轴轴承 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????24 4.3废气涡轮增压器主轴轴承的润滑和冷却系统 ?????????????????????????????????????????????????25 4.4废气涡轮增压器密封和隔热系统 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????26 5 经济性 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????27 6.总结 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????28 致谢 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29 参考文献 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????30 附录A译文 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 错误~未定义书签。31 附录B外文文献 ??????????????????????????????????????????????????????????????????? 错误~未定义书签。44 www.yanziedu.com www.88doc88.com 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,它已经有100多年历史了。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。到了1961年,小轿车开始试探性地安装增压器,但因为瞬间产生的巨大压力和热量,使安装后效果并不理想。而来自于北欧瑞典的Saab萨博公司则是第一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,使汽车发动机在应用涡轮增压技术上,真正开始走向成熟,它的到来同时宣告了汽车产业一个新时代的诞生。涡轮增压技术改写了“排量大小决定功率”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,迄今仍保持着方兴未艾的发展势头。涡轮增压是一项新技术,几十年的发展历史有力地表明,涡轮增压是提高发动机功率和改善经济性的最有效措施,也是发动机强化的必然途径,它已成为当前内燃机发展的重要方向。涡轮增压是使柴油机动力装置降低成本、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、卡车等)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年代增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年代的石油危机,又促使经济性指标(包括降低燃油耗率和使用劣质燃油)得到很大改善:80年代各国对环境污染的限制更为严格,制定了极为苛刻的环保法规,迫使柴油机制造厂商各自寻找对策以谋生存。新开发的柴油机必须在诸多方面能体现出优越性,否则就无法适应未来剧烈的市场竞争。纵观我国中速机的现状,应该说己初步具备了研究、设计和生产体系,但就总体水平而言,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,措施尚未实际应用(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;部分零部件如高压油泵和喷油器的偶件、调速器、轴瓦和活塞环等的制造工艺落后,质量较差,引进指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。 增压技术由于在节能、提高功率及满足环保等方面具有无可比拟的优点而被众多柴油机所采用,而且发展越来越迅速。从发展趋势来看,增压程度越来越高,现在最大平均有效压力已超过3.0MPa这样高的平均有效压力,使得高增压柴油机出现了机械负荷和热负荷严重、低工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了越来越高www.yanziedu.com www.88doc88.com 的要求:要具有良好的全工况性能,主要是有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;有害排放物低;瞬态特性好;易于实现系列化生产;涡轮尽量采用单进口。为了满足这些要求,人们研发了多种增压系统,尤其是为了改善高增压柴油机的低 【】1工况性能,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 我国吴仲华先生创立的叶轮机械三元流理论,随着计算机技术的迅速发展得到了广泛的应用。目前采用准二维设计方法设计离心式压气机与径流涡轮已经很普遍。因全于元流方法可以更准确、更全面地描述叶轮内部流场,利用它对各种损失模型与叶轮内部流场的深人研究已经取得很大成绩,现已成为涡轮增压器叶轮设计的基本方法。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,下一步的发展一是取决于理论上的突破,二是计算机技术的发展。我国的增压器工业的设计与制造技术正处在“发展中”状态,而西方国家已经达到了“发达”状态 今天的涡轮增压器的结构已经相当紧凑、合理、完善, 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 性能的提高对涡轮增压器性能、成本的贡献是相当大的。可喜的是近年来高新技术材料应用研究进展很快,对增压器的发展起着非常重要的作用TiAl合金作为一种新型的高温材料,密度小(约3.7-3. 9g/cm',只有镍基高温合金7.8-!3. 3g/cm`的二份之一左右)、高温强度及抗氧化性好,用于涡轮增压器可以大幅度降低其转动惯量,提高其瞬态响应性。采用高频感应快速熔化浇铸工艺铸造涡轮叶轮已经成功,采用粉末冶金成型方法也已制成涡轮毛胚 另外值得重视的是,压气机进气端与滤清器结合.采月]静电滤清、进气预旋等措施提高滤清效果与拓宽压气机流量范围. 总的说来,经过几十年的发展,涡轮增压器的产品基本结构趋向一致,但小型化与运用新技术优化结构却方兴未艾。社会发展对发动机提出了越来越高的要求,其必然对涡轮增压器提出相应的要求。由于制造工艺水平的提高,使流量范围更广、效率更高、结构更复杂的涡轮增压器制造成本降低,大批量生产成为可能。而新的发明创造有使涡轮增压器产品结构简单化的倾向。就单个滤清器、增压器、中冷器及进排气管道来说,分别提高他们的效率是早期的设计师们的工作,今天再要大幅度提高其效率是不可能的,而将他们的相互接口进行优化,将他们作为一个整体、一个系统来考虑却是大有可为的。这就是“涡轮增压器系统”的意义。美国Honcywell,德国KKK公司(现在的BorgWarner公司)等在这个方面作了大量的工作,取得了很好的效果。如增压器的涡轮壳与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,尽量减少各种损失,改进设计,优化整体www.yanziedu.com www.88doc88.com 系统结构,使之右,局合理、紧凑,重量轻,总效率最高。涡轮增压器经历了基本型、增压空气控制旁通放气、可变几何或可变截面、电子控制涡轮增压器等阶段,涡轮增压器的结构相对越来越复杂,但适用范围越来越宽、效率越来越高。瑞士ABB公司的轴流式涡轮增压器VTR.. 4E总效率达75%0日本的涡轮增压器在小型化方面处于世界领先地位,如三菱公司、石川岛播磨公司均有压气机叶轮直径为小34mm的小型增压器用于摩托车或汽油机,但Borg Warner公司于200。年推出了涡轮直径为帕lmm的kP31涡轮增压器,这是当今界最小的系列化增压器产品。在结构可靠性方面,以Borg Warner公司增压器见长,他们保持了德国KKK公司传统,注重实效,如K27压气机后弯叶轮的设计与应用。80年代初期,前倾后弯压气机叶轮刚刚投放市场,其铸造工艺较复杂,制造成本较高,疲劳寿命较低。为了既保证可靠性又保证其效率、降低成本,KKK采取后弯加一叶尖圆弧而非前倾的设计,实践证明效果良好。 在涡轮增压器轴承结构方面,早先是采用滚动轴承,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、效率高,虽然使用要求较清洁的润滑油、对润滑油压力要求较高(需要一定的压力以形成油膜与一定的油量以冷却高速旋转产生的热量)。为了克服浮动轴承系统润滑存在向压气机端漏油、对润滑油要求高等缺点,效率更高且无需润滑油系统的空气轴承,正吸引着人们进行深人的研究,预计不久会有新的产品问世。另外,由于汽油机涡轮增压温度很高,轴承系统仅靠油冷却不能满足要求。带有水冷却套的轴承体已经推向市场。 1.3 废气涡轮增压器原理 涡轮增压器实际上是一种空气压缩机,通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮,涡轮又带动同轴的叶轮,叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气,使之增压进入气缸。当发动机转速增快,废气排出速度与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,相应增加燃料量和调整发动机的转速,就可以增加发动机的输 [2]出功率了。 发动机按增压方式可分为四类:?不用专门增压装置的增压,包括惯性增压、动力增压、谐波增压等;?机械增压,即利用机械传动的增压器进行增压;?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;?复合增压,即同时采用两种形式的增压。 涡轮增压:利用发动机排出的废气能量驱动涡轮,再由涡轮带动离心式压气机的方案。其工作原理如图1.1所示: www.yanziedu.com www.88doc88.com 图1.1废气涡轮增压系统工作原理 Figure 1.1 turbo exhaust system works 发动机排出的具有800~1000K高温和一定压力的废气经排气管(图中红色管路)进入涡轮壳里的喷嘴环。由于喷嘴环通过的面积是逐渐收缩的。因而废气的压力和温度下降,速度提高,使它的动能增加。高速的废气气流按一定的方向冲击涡轮,使涡轮高速运转。废气的压力、温度和速度越高,涡轮转的就越快。过涡轮的废气最后通入大气。因为涡轮和离心式压气机叶轮固装在同一转子轴上,所以两者同速旋转。这样就将经过空气滤清器的空气吸入压气机壳,高速旋转的压气机叶轮把空气甩向叶轮外缘,使其速度和压力增加,并进入扩压器。扩压器的形状为进口小出口大,因此气流的流速下降、压力升高,再通过断面由小到大的环形压气机壳使空气的压力继续提高,这些压缩的空气经进气管进入汽缸。在涡轮增压系统中,涡轮增压器和发动机无任何机械传动连接,废气涡轮增压器是通过空气和废气的流动与内燃机耦合,自行调整,其转速与内燃机的转速没有联系,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1.2所示 www.yanziedu.com www.88doc88.com p-静压力 T-温度 c-速度 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上述离心式,它的出口压力可达140~300KPa,甚 [3] 至可达500KPa。 www.yanziedu.com www.88doc88.com 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压气机叶轮。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气道两种基本形式: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,然后转为轴向进人压气机叶轮其流动损失较大一般仅在轴承外置的大型涡轮增压器或空气滤清器等装置的空问布置受限时.才采用这种形式。 2.1.2 压气机叶轮 压气机叶轮是压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压力能和动能口压气机叶轮分为导风轮和工作叶轮两部分.中、小型涡轮增压器两者做成一体,大型涡轮增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,叶片人口向旋转方向前倾,直径越大处前倾越多,其作用是使气流以尽量小的撞击进人叶轮。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。开式叶轮没有轮盘,流动损失大,叶轮效率低,且叶片刚性差,易振动口闭式叶轮既有轮盘又有轮盖,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,没有轮盖,其性能介于开式和闭式之间。但其结构较简单,制造方便,且强度和刚度都较高,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,并保持一定的刚度,因此能承受很高的转速,多在小型涡轮增压器中应用 按叶片的长短,压气机叶轮还可分为全长叶片叶轮和长短叶片叶轮。全长叶片叶轮进口流动损失小,效率高,但对于小直径叶轮,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,但其作功主要是增加了空气的动能,对压力能却提高较少,这就要求空气的动能更多地要在扩压器和蜗壳中转化为压力能。因为扩扭器和蜗壳的效率比叶轮低,因此压气机效率低,涡轮增压器中不采用这种叶轮口。 径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www.yanziedu.com www.88doc88.com 后弯叶片的低由于其强度和刚度最好,能承受较高的圆周速度,从而在此前增压比较低的涡轮增压器中得到较多应用。后弯叶片叶轮的逆旋转方向弯曲,虽然它的作功能力小,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),其叶片沿径向后弯的同时还向旋转方向前倾,这种叶轮不仅压气机效率高,而且高效率范围宽户,近年来在布用柴油机涡轮增压器上受到了重视和应用。 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。扩压器的效率是动能实际转化为压力能的转化量和没有任何流动损失的定墒过程动能转化为压力能的转化量之比,扩压器效率对压气机效率有重要的影响按扩压器中有无叶片,可分为无叶扩压器和叶片扩压器。 无叶扩压器是一环形通道气流在扩压器中近似沿对数螺旋线的轨迹流动.即气流流动迹线在任意直径处与切向的夹角幕本不变。由十这一特点气流的流动路线r-.流动损失大,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量范匡宽,结构简单,制造方便,在经常处于变丁况运行的小型涡轮增压器上得到广泛应用。 叶片扩压器是在环形通道上加有若干导向叶片.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大,使气流的流通面积迅速增大,因此扩压能力大。尺寸小但当流量偏离设计工况,叶片人口气流角不等十叶片沟造角时.将产牛撞击损失,使效率急剧下降。在丁况范围变化不大的大、中刑涡轮增压器上,常采用无叶扩压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.气流的动能主要在叶片扩压器中转变为压力能。叶片扩压器叶片的形式较多,图z6示出r常用的三种其中,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器中应用较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,但制造较为复杂,多在增压比要求较高的涡轮增压器中被采川,近年来有应用越来越多的趋势。 2.1.4 压气机蜗壳 压气机蜗壳的作用是收集从扩压器出来的空气.将其引导到发动机的进气管,由于扩压器出来的空气仍有较大的速度,在蜗壳中还将进一步把动能转化为压力能,因此,压气机www.yanziedu.com www.88doc88.com 蜗壳也有一定的扩压作用。蜗壳效率是动能转化为压力能的实际转化量和定嫡转化量之比。 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型柴油机 D=100(mm),S=118(mm), =3.856(L); Vh 发动机过量空气系数=1.7; , 容积系数=0.98; ,v 扫气系数=1.02; ,s 扫气过量空气系数==1; ,,,vss 压气机的主要工作参数是增压比、效率、流量和转速。通常以增压比为纵坐标,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,从而可方便地看出各种工况下,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压力和进口压力之比。增压比是压气机最主要的工作指标,也是对压气机提出的基本要求。压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,而且在理想情况下,工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造工作轮,可以提高圆周速度,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。其中最重要的有多变效率和等熵效率。多变效率是指压气机的多变压缩功和压气机总功之比。等熵效率是等熵压缩功和压气机消耗的总功之比。在涡轮增压器中,压气机的等熵效率一般为0.70,0.85,个别的更高。由于多变压缩功大于等熵压缩功,故多变效率大于等熵效率。一般等熵效率等于多变效率的0.97,0.99。 3)流量:单位时间内流过压气机的气体重量或容积称为压气机的流量。每一台压气机有一定的流量范围,可以用给定增压比下,其最大流量和最小流量之比来表示。压气机的流量范围决定了它适用的柴油机功率范围。流量范围愈宽,则其适用的柴油机功率范围愈大。 4)转速:压气机工作轮每分钟的转数称为压气机的转速。因为压气机工作轮和涡轮工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,也是涡轮增压器的转速。 初步设计的主要参数如下:空气流量 G=0.35kg/s;增压比 n=2.9; Cc www.yanziedu.com www.88doc88.com 环境压力 p=1.033Mpa;环境温度 T=293K;压头系数 =0.72 H00C 2.3 离心式压气机的结构设计 离心式压气机的主要几何尺寸,包括进气轮毂直径,轮缘直径,叶轮直径,进出口速度,进气口流动角的一些参数。 2.3.1 进气道 进气道是把气体引入压气机。它是压气机流程的第一部分,对压气机的工作有直接的影响。叶轮进口有轴向进气,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压气机。轴向进气具有进气均匀、流动阻力损失小和结构简单等优点,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(压气机叶轮为悬臂支承)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,使气流均匀地充满工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工作轮进口的气流温度增加,所以压缩功也就按比例增加,从而降低了压气机的效率。 (3)结构应尽可能简单和紧凑。 (4)要便于消音和清除杂质。 图2-1 轴向进气道的结构 Figure 2-1 the structure of the axial inlet 根据设计参数进行热力计算: k1,k,,k等熵压缩功 =8328.47kg.m LRT1,,,,,cs0ck-1,, —为空气绝热指数,=1.39; kk RR—为空气气体常数,=22.4 ; www.yanziedu.com www.88doc88.com T—环境温度 T=293K; 00 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。它是压气机工作轮进口的叶片扭转部分。由于导风轮的叶片造型比较复杂,为了加工制造方便,在多数情况下,导风轮和叶轮是分开制造的。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。本次设计也采用将导风轮和叶轮做成一体的结构。 导风轮的叶片型线主要有圆弧、椭圆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面有下列优点:能使气流以较低的流动损失平顺地从周向转到轴向;导风轮叶片具有良好的强度特性;叶型加工方法比较简单。抛物线型的叶片有平面抛物线叶片和圆柱抛物线叶片两种。前者是用平面上的抛物线去构成叶片型面,后者是用圆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具有差别不大的气体动力性能。本设计对导风轮的叶片型线采用平面抛物线。 图2-2导风轮的叶型 Figure 2-2 Wind round guide blade 导风轮的结构设计计算 1. 工作轮外径处圆周速度 ugLH,/2csC u=336.68m/s 2 2(导风轮进口前轴向气体速度 ,C,0取Cu,0.251u12a C=84.17m/s la 3.导风轮进口前气体温度 2Ca1TT,,10 2010 T=289.5K1 4(进气道的多变指数 ,n1.37,1.39 1 n=1.38 1 www.yanziedu.com www.88doc88.com 5(导风轮进口前气体压力 n1n,11,,T1p,1.033,0.957,0.989MPapp,,,110 T0,, 6.导风轮进口前气体比重 p341kgm/,,1.53,,,1011RT1 7.导风轮进口前截面积 G2cF,27.18cm,F11 ,C11a 8(导风轮叶片数与工作轮相同 ,,14片H 9.导风轮堵塞系数选取 ,,0.91 10.导风轮进口后气流轴向速度 C'1a,C,93.52m/s,Ca11a ,1 11.轮径比 选取(0.2,0.35) D/D,0.31102 12.轮径比 选取(0.5,0.7) D/D,0.71H2 22,,,,DD10H1,,,,,DD,,,,22 D/D,0.541/DD,1m2m12 13.轮径比 2 14.工作轮外径 4F1,D222,,,,,,DDH101,,,,,,,, DD,,,,,,22,, D,87.68mm2 15.压气机转速 60u2 n,73373r/min,ncc ,D2 ,,D10DD, D,27.18mm,,10210 16. 轮毂直径 D2,, ,,D1HDD,D,61.38mm,,12H1H17.导风轮进口外径 D2,, www.yanziedu.com www.88doc88.com ,,D1mDD, D,47.43mm,,12m1m 18.导风轮进口平均直径 D2,, 19.导风轮进口外径周速 D1Hu,235.7m/suu,1H12H D2 20.导风轮进口平均直径处周速 D1mu,182.14m/suu,1m12m D2 D10u,104.37m/suu,10102 21(轮毂处周速 D2 22,, 22.导风轮进口外径处相对速度 ,Cu,,111HaH ,',253.58m/s1H ,,1HM,M,0.85,,,1H1H 23(马赫数 kgRT1 ,C1a ,,22:,,arctg1H1H 24.导风轮进口气流角 u1H ,C1a ,,27:,arctg,1m1m 25.导风轮进口气流角 u1m ,C1a,,42:,arctg,1010 26. 导风轮进口气流角 u10 2.3.3 叶轮(工作轮)的初步设计 压气机的工作轮由导风轮和叶轮组成。工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,同时气流速度也显著提高。按照构造型式不同,把工作轮分为三类:闭式,半开式和开式。 www.yanziedu.com www.88doc88.com 图2-3星形工作轮 Figure 2-3 working round star 目前,如图2-3在小型涡轮增压器中,还常采用一种星形的工作轮。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去掉一部分,从而减小了叶轮的应力。因此它能承受很高的转速,可在小型涡轮增压器中应用以获得较高的增压压力。 压气机工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。 本设计采用具有径向叶片的星形工作轮。这种工作轮的主要优点是强度和刚性好,允许较高的圆周速度。叶轮传递给空气的能量较大,能获得较高的增压压力,同时制造也较简便。但它的效率稍低,这主要因为:叶片一面敞开,增加了与机壳间空气的摩擦阻力损失;叶片通道内气流速度场较不均匀,增加了流动阻力,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。 离心式压气机的结构为轴向进气,径向排气。无单独导风轮,工作轮采用半开式,径向叶片。压气机工作轮套在铬铝钢制造的转子轴上,用螺帽固紧。工作轮采用实心铝材ZL401切削,无叶扩压器,蜗壳流通断面为圆形。 工作轮的结构设计计算 1. 工作轮叶片数 ,,10,0.75D/2,14片c2 2.功率系数 1,,21,,,12Z3,,cDm1,1,, D2,, ,,0.83 www.yanziedu.com www.88doc88.com 3.工作轮出口气流轴向分速 Cu,,22u C,278.24m/s2u 4.工作轮出口阻塞系数 选取 ,,0.962 5.工作轮出口气体比重 给定初值 3 ,,1.80kg/m2 6. 工作轮出口气流径向分速 CC,21ra C,84.17m/s2r Gc b,8.7mm,b22 7.工作轮出口叶片宽度 ,,,DC2222r 22 8.工作轮出口气流速度 CCC,,222ru C,297.21m/s2 9.气流角 c2ra,16.7:aarctg,22 c2u 10.工作轮摩擦系数 选取(0.025,0.07) ,,0.05 11.工作轮出口气流温度 22,,ua,2TT,,,,,T,347.6K,,212 221005,, ,,0.9hmp 12.工作轮多变效率 选取(0.85,0.93) nk2 ,,tmp 13.指数 11,,nk2 n2,3.2 n,12 14(工作轮出口气体压力 n2,,Tn,122pp,,p,1.78mpa,,212 T,,1 15.验算工作轮出口气体比重 www.yanziedu.com www.88doc88.com p342,,2.28kg/m,,,1022 RT2 2.3.4 扩压器的初步设计 在叶轮出口应有一个装置能够把叶轮出口的气体速度有效地降低下来,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。扩压器有两种形式:一种是有叶扩压器, 一种是无叶扩压器。在结构上无叶扩压器所具有的一个突出特点是没有喉部面积存在,因 此在扩压器内不可能出现堵塞流动现象,因此本次设计采用无叶扩压器。 扩压器的结构设计计算 1. 马赫数 C2M,c2kgRT2 M,0.91c2 DD33 2. 轮径比 选取(无叶扩压器),1.15DD22 3.无叶扩压器出口直径 ,,D3D,100.8mmDD,,,,332 D2,, D2 C,258.44m/sCC,,332 4.无叶扩压器出口气流速度 D3 22CC,23TT,, T,357.6K332 5.无叶扩压器出口气流温度 2010 6.无叶扩压器长度 lDD,,2l,6.6mm,, 32 ,,0.7Dpl 7.无叶扩压器多变效率 选取(0.6,0.8) nnk33 ,,Dpl 8.指数n,111,,nk33 n3,2.5n,13 9.无叶扩压器出口气流压力 n3,,Tn,133p,1.91mpapp,,,,332 T2,, 10.无叶扩压器出口气体比重 p43,,2.38,,,1033 RT3 11.无叶扩压器出口宽度 选取 www.yanziedu.com www.88doc88.com bbmm,,02b,10.7mm,,323 12.无叶扩压器出口气流径向分速 GcC,43.42m/s,C3r3r ,,Db333 13.无叶扩压器出口气流周向分速 22CCC,,C,254.8m/s3u333ur 14.无叶扩压器出口气流角度 C3raarctg,3C3u a,9.6:3 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 C,40m/sC 22CC,C32. 蜗壳出口气体温度 T,390KTT,,CC32010 nnkn4443. 指数 ,,(,,0.87),3.44p4pn,1nkn,1,1,1444 n4n,14,,TC4. 蜗壳出口气体压力 P,2.79mpaPP,,,CC3T3,, P34C5. 蜗壳出口气体比重 ,,2.67kg/m,,,10cCRTC G2C6. 蜗壳出口面积 F,32.77cm,FCC,CCC 2C,*C7. 压气机出口滞止气流温度 TT,,T,390.8KCCC2010 k*k,1,,T,*C8. 压气机出口滞止气流压力 P,2.79mpaPP,,,CCCTC,, 2.3.6 对初步设计进行校核 通过对离心式压气机的初步优化设计后,还需要对本设计进行一下校核,看看设计的 是否符合设计的要求,满足设计出给的参数。 PC1. 校核增压比 ,,2.7,,CC P0 2(校核等熵压缩功 www.yanziedu.com www.88doc88.com 1k,,,kk1L,7943.67kg/mLRT,,,,,CS0CSC 1k,,, 3.校核压头系数 gLCSH,0.69H,CC2 u2 4(校核压气机效率 HC,,,,0.78CSCS ,a, 5.压气机消耗功率 0.746GLCCSN,35.5kw,NCC ,75CS www.yanziedu.com www.88doc88.com 3 废气涡轮结构设计 废气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量的废气涡轮增压器。在径流式涡轮中,废气沿与涡轮旋转轴线相垂直的平面径向流动。在流量较小时,它的效率较高,制造又较简单,适用与小流量的废气涡轮增压器。这里主要讨论工作轮的设计。 3.1 废气涡轮结构 典型的废气涡轮增压器结构如图所示,基本构造是把涡轮和压气机装在同一轴上,并由轴承、壳体等组成。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,以适应汽车宽广流量范围。涡轮叶轮用耐热性高的镍或钴合金材料,应用精密铸造法整体铸造。在由涡轮壳向涡轮叶轮流入的部分大多装有喷嘴,目前,一般采用具有喷嘴性能的蜗壳,即所谓无喷嘴的涡轮壳。设有轴承,油道的中间壳和涡轮壳间的油封机构都 [4]很重要,这些部分的堵盖、环等是由各分公司分别独自设计的。 1,隔热板;2,涡轮;3,12,密封环;4,涡轮壳;5,推力轴承;6,O型密封圈;7,膜片弹簧;8,密封套;9,压气机;10,转子轴;11,压气机叶轮;13,压气机后盖板;14,中间壳;15,卡环; 16,浮动轴承 图3-1涡轮增压器结构图 Figure 3-1 turbocharger Chart www.yanziedu.com www.88doc88.com 径流式向心涡轮在形状上很像离心式压气机,但气流的流动方向与压气机相反,在一定程度上可以把径流式向心涡轮的工作过程看成离心式压气机的逆过程。 径流式向心涡轮的进气壳,一般与排气壳连在一起进气道设置在喷嘴环径向的周围,离进口越远,流通截面越小,以使流量沿圆周均匀地分布。由于切向进气流动损失小,因此多采川切向进气形式按通道数可分为单通道、双通道和三通道三种。常压增压使用单通道,脉冲增压多用双通道或三通道,但以双通道为多。双通道又有360?全周进气和180?分隔进气两种。180?分隔开的双通道进气是一种传统的结构形式,但这种结构使涡轮叶轮始终处于半周进气的不均匀状态,影响T涡轮效率口因此,近来年360?全周进气使用较为普遍。进气道的截面形伏如同压气机蜗壳,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,提高涡轮效率,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直径决定,扩张角一般为8?一10?。 径流式向心涡轮的喷嘴环,根据有无喷嘴叶片分为无叶喷嘴环和有叶喷嘴环。无叶喷嘴环与涡轮壳做成一体构成无叶蜗壳无叶蜗壳的径向截面向喷嘴出口逐渐缩小,而喷嘴人口则没有明确的界限, 它不仅担负着一般蜗壳的功能,同时还起着喷嘴环的作用。无叶蜗壳的特点是尺寸小,质量轻,结构简单.成本低.在变工况工作时效率变化比较平坦,但最高效率低一些。因此,无叶蜗壳用于经常处于变工况条件下工作的车用涡轮增压器中更为适宜但无叶蜗壳匹配不同的发动机时,要用不同通道尺寸的蜗壳,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。结构形式有整体铸造式和装配式两种。摊体铸造式制造方便,成本低,工作可靠;装配式通过不同的安装角可适应不同流量和功率的发动机的需要,局部损坏时可单独更换叶片,但其零件数目多,加工及装配费工时采用有叶喷嘴只需更换喷嘴就可得到适应不同发动机要求的变型产品.有利于涡轮增压器的系列化。 3.2 工作轮结构设计 工作轮是把从喷嘴环出来的高速废气的功能和压力能转换成为机械功。径流式涡轮的工作叶片与轮盘做成一体。叶片的形状采用抛物线形,工作轮采用星形。星形工作轮是为 [5]了减轻重量、减小工作轮转动惯量、提高强度改善加速性能。 www.yanziedu.com www.88doc88.com 3.3 相关参数设计 3.3.1 设计的原始数据 设计选择4100型柴油机 D=100(mm),S=118(mm), =3.856(L); Vh 发动机过量空气系数=1.7; , 容积系数=0.98; ,v 扫气系数=1.02; ,s 扫气过量空气系数==1; ,,,vss 3.3.2 废气在单级涡轮内的膨胀过程及效率 为了计算废气在单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图绘出了废气的膨胀过程在图点相当于废气进入喷嘴环的状态,由于废气IT 2c,,T进入喷嘴环时的速度,它的动能为。废气进入喷嘴环时的状态用滞止参数表示(IIcTTT2 2c,,,,T点),=,即=+ ICTICTTTpTpT2 I 图3-2废气在单级涡轮内的膨胀过程图 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 www.yanziedu.com www.88doc88.com ,,,当废气的初始状态为、在单级涡轮中膨胀时,压力由降到。如果,废气在ppTpT2TJ ,单级涡轮中按理想过程进行膨胀,就沿着图中—和—线段进行。次二线段分IIII1ad1adT2ad别表示废气在喷嘴环中和工作轮中的绝热膨胀过程,可以认为在过程中没有流动损失及与 ,,—,以H表示,即H=—。它表示在外界没有热量交换。此时废气的焓降是IIIIT2adT2ad单级涡轮中进行的膨胀功,通常称为绝热膨胀功(或称可用焓降),即废气在单级涡轮中 [6]所作功的最大值。 H1)绝热膨胀功 它表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最大值[4]。 'r,12pc',,20r (J/kg) (3—1) ()[(1)],,,,,HCTTCTpTadpT2*2pT k,1kk (3—2)H,RT[,,1]T1kk,1 式中 —为废气绝热指数,=1.33; kk —为废气气体常数,=29.2; RRTT —滞止温度,=313(K); TT11 —增压比,=1.84; ,,KK 1.331,1.331.33(J/kg) H,,29.2,313[1.84,1],5524.81.33,1 2)、涡轮的驱动功率 NT GHT (kW) (3—3) ,,,,NTTm1000 式中 —为废气每秒钟进入涡轮的流量,=1.3G; GGcTT —单位时间内通过柴油机的空气量; Gc (); (3—4) G,1.3,0.35,0.46kg,sT GH0.46,5524.8T(kw); ,,,,,,0.79,0.98,2NTTm10001000 式中 ,—涡轮增压器的机械效率,,取值范围0.95,0.99,取,=0.98; mmm ,—为有效效率(涡轮效率)涡轮轴上的有用功与废气可用的绝热焓降之比。一般,TT取值范围0.75,0.80,取=0.79; ,T N—涡轮实际输出的有效功率; T www.yanziedu.com www.88doc88.com 3)涡轮的反作用度 , 在涡轮中常用反作用度来表示废气的可用焓降H在喷嘴环和工作轮之间的分配比, '例。 反作用度是工作轮中绝热焓降与可用焓降H的比值。 ,h1 'hHc1 ,,,HH H,,Hc由 H,(1,,)Hc得 因此,值的大小,说明废气在工作轮内膨胀多少。如果废气的焓降全部在喷嘴环中, 完成,而在工作轮中不在膨胀,此时,=0,这种涡轮成为冲击式涡轮。它表示作用在工, 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),即是气流冲W,W21击作用的结果。如果废气的焓降不完全在喷嘴环中膨胀,而有一部分在工作轮内膨胀,则 ,这种涡轮成为反作用式涡轮。此时,因气体相对加速度增加所产生的作用在工0,,,1 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压器中常采用反作用式涡轮,值常在0.40,0.50之间,由于废,气分别在喷嘴环和工作轮中膨胀,可以降低气流的绝对加速度和相对加速度,从而减cW11 [7]少了流动损失,提高了涡轮的效率。 (J/kg) (3—5) H,(1,,)Hc 取 =0.44; , (J/kg); H,(1,0.44),5524.8,3093.88c [13]4)涡轮机的膨胀比 ,T ,pT (3—6) ,,Tp2 ,,式中 —为涡轮机前的废气滞止压力,=79.5(); ppkPaTT —为气体背压,等于1.5倍的大气压力,(); ppp,1.5,98.8,148.26kPa222 79.5,,,0.54 T148.26 c5)喷嘴环出口绝对速度 3 c,,2g(1,,)H (m/s) (3—7) 3c ,—速度系数,一般径流式涡轮,的取值范围0.94~0.97之间,取,=0.97; www.yanziedu.com www.88doc88.com (m/s); c,0.972,9.8(1,0.44),3093.88,178.73 6)喷嘴环出口气体温度 T3 2c3T,T, (K) (3—8) T3k2gRTk,1式中 —为喷嘴环进口温度,=732(K); TTTT —为废气气体常数,=29.2; RRTT 2178.7(K); T,732,,71831.332,9.8,29.21.33,17)喷嘴环出口气体压力 p3 k2ck,13,, (3—9) pp(1)3TkgRT2TT,k1 ,ppTT式中 —喷嘴环进口压力(涡轮进口燃气压力),==79.5(kPa); pT 1.332178.71.33,1(kpa); p,79.5,(1,),1.331.332,9.8,29.2,7321.33,1 [8]8)喷嘴环出口气体重度 r3 44p,101.3,103 (3—10) r,,,0.623RT29.3,714T3 9)喷嘴环出口截面积 FT G0.46244T () (3—11) cmF,,10,,10,40Tcr178.7,0.6233 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 2,, r 6F,r (3—12) 6,F6,40rr==9 (cm) , ,3.14 www.yanziedu.com www.88doc88.com 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 主轴由42CrMo钢制成,一端安装涡轮,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 轴承对涡轮增压器工作的可靠性有重大关系。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、气体对转子的作用力、转子不平衡质量引起的离心力和发动机振动带来的外载荷。涡轮增压器上的轴承有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去采用滚动轴承的较多.现在采 [8] 用滑动轴承的较多。 常用滚动轴承一般在外支承的轴承布置方案中采用。这种轴承的主要优点是:机械摩擦损失小有良好的起动和加速性能.特别在大气温度较低时。能保证涡轮增压器有良好的起动条件;由于机械摩擦生热较少,使润滑油的消耗较少;一般采用独立的自行循环的润滑系统,可保寺涡轮增压器的清洁;不需要单独设置推力轴承但是,滚动轴承有不容忽视的缺点:为适应涡轮增压器高转速的要求,轴承的材料和加工精度要求很高;为防止振动载荷,轴承支座必须安装减振装置;且构造较复杂,价格较高,工作寿命较短。 滑动轴承包括向心滑动轴承和浮动轴承。 向心滑动轴承:在涡轮增压器中,常用的向心滑动轴承分为多油楔轴承和浮动轴承。 滑动轴承构造简草.价格便宜,使用寿命长。可以用发动机润滑系统的润滑油匕作,对振动不敏感口如果润滑油质量好.转子动平衡精度高,其使用寿命相当于柴油机的大修期限甚至更长。但它的缺点是:机械摩擦损失较大,比滚动轴承大约高2-3倍消耗的润滑油量较多。滑动轴承的材料要求耐磨、导热常用锡青铜合金、高锡铝合金、青铜镀锡等。 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之间有一定的间隙。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油量和保证轴承温度不致过高。一般转轴和轴承之间的间隙等于轴颈肖径的。.2%一。.5%„当轴颈静止时,由于转轴本身重力的作用,轴颈和轴承在最低一点处接触,两边形成懊形的缝隙。当轴颈按顺时针方向转动时,处十接触点右边间隙的润滑油在靡擦力作用下而引起运动,越接近轴颈的油层运动速度越大,紧贴轴颈的油层与轴硕的运动速度相同,而附着在轴承上的油层速度为零口当轴颈带着润滑油通过最狭的间隙时,油被挤在最狭部分而产生压力在油压力作用下.轴颈便被抬起随着轴颈转速增加,油压www.yanziedu.com www.88doc88.com 力也增加,把轴颈和轴承完全隔开,在两者之间的下方后部油膜最薄。滑动轴承的工作条件取决于转速和载荷。在高速、轻载情况下,轴在轴承的油层中会产生自振。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下,当达到一定转速时,轴在轴承的油层中便开始出现自振,即所谓油膜振动。随着转速的提高,振幅也迅速增大,使涡轮增压器运转极不稳定,严重时会破坏轴的正常工作,造成整台增压 [9] 器损坏。因此,在高速祸轮增压器上使用滑动轴承时,必须解决油膜振动问题。 浮动轴承又称浮动环,浮动轴承工作时,浮动环和轴颈、浮动环和轴承庄之间都有一定间隙并均充满油膜,轴承上有孔使内外油膜相通一般浮动环外间隙为内间隙的2倍。当转轴旋转时,由于润滑油的粘性而引起摩擦力,使浮动环转动,其转动的速度一般为转轴转速的25%-30%,形成两层油膜由于浮动环内外都有间隙,可以增加润滑油量,以降低轴承工作温度。同时,由于浮动环内外都有油层存在,因而具有弹性,可以消减转子的振动。由于浮动环转动,降低了相对于转轴的运动速度。因而更适合于高转速下工作,在小型高速径流式涡轮增压器中得到广泛应用。浮动轴承在结构上分为整体式和分开式。整体式浮动轴承的两个轴承由中间过渡段连为一体.两端面可兼作止推轴承.但质量大,惯性大,加土精度要求高;分开式浮动轴承的两轴承分为两体,每个轴承两端由挡圈或垫片定位,质量轻,惯性小,易于加工〕高速涡轮增压器多用分开式浮动轴承。 本设计主要采用浮动轴承。 4.3 废气涡轮增压器主轴轴承的润滑和冷却系统 为了保证轴承可靠地工作,必须供给轴承足够的润滑油,对轴承进行润滑和冷却。 在涡轮增压器采用滚动轴承时一般采用单独的润滑系统,润滑方式有飞溅式和泵喷射式两种。在增压比较低、转速较低的涡轮增压器中,滚动轴承的机械摩擦损失很小,所生的热量较少,因此需要的润滑油量较少这时,可采用装在转轴端的甩油盘,使润滑油飞溅起来,一部分飞溅的润滑油通过轴承座上的通道进人轴承进行润滑和冷却。在增压比和转速较高的涡轮增压器中,由于机械摩擦生热较多,需要较多的润滑油,这时可在转抽端部安装一个专门的润滑油泵,将润滑油喷人轴承中.以加强轴承的润滑和冷却。本设计采用泵喷射式润滑系统。 在涡轮增压器采用滑动轴承时,由于摩擦产生的热量很大.特别是在径流式涡轮增压器中,由于涡轮工作轮处在高温气体中,一部分热量从工作轮经过转轴传给轴承,因此必须供给大量的润滑油,对轴承进行润滑和冷却。为了能够形成油膜,必须采用压力润滑方式,可与柴油机共用润滑油系统,一般润滑油的压力为250-400kPa。冷却与润滑机油是从发动www.yanziedu.com www.88doc88.com 机机油滤清器出来,进人涡轮增压器中间壳上方的进油口,然后分别去润滑各轴承。对于浮动轴承,润滑油是沿径向从中间部位流人,铅轴向从两端面排出对于推力轴承,润滑油从推力轴承上部的油孔进人,沿内部的油孔进到润滑部位,然后排出。排出的润滑油经中间壳回油孔回到发动机的油底壳轴承工作时产生的热量,除靠润滑油带走外,有的还要采取其他冷却措施如有的在涡轮壳和中间壳上设置水腔进行水冷有的对压气机端轴承处的 [10]机壳进行气冷. 4.4 废气涡轮增压器密封和隔热系统 涡轮增压器的密封装置包括气封和油封两种作用。防止压气机的压缩空气与涡轮的燃气进入润滑油腔,称为气封;防止轴承处润滑油漏入轮增压器气流通道,称为油封。良好的密封装置是涡轮增压器可靠工作不可缺少的组成部分口。 涡轮增压器的密封方式分为接触式密封和非接触式密封。接触式密封主要是用密封环密封,非接触式密封有迷宫式、甩油盘和挡油板等几种密封形式 在大型轴流式涡轮增压器中,多采用迷宫式密封装置迷宫式密封是利用流体流过变截面的缝隙产生节流作用,造成压力损失.使压少下降,经多次节流后,使流体的压力接近外界的压力,从而起到密封的作用。当在迷宫内通人一小股增压后的压缩空气时,可加大密封间隙,因而降低了加工精度要求,减小了机械摩擦损失,并使涡轮端轴承得到较好的冷却。 在小型径流式涡轮增压器中,由于结构紧凑,不利于安排迷宫,常采用密封环密封辅以甩油盘和挡油板相结合的密封装置。口密封环密封是将数个密封环分别安装在涡轮端和压气机端的密封环支承环槽内,密封环依靠弹力涨紧在密封环支承的外体上。密封环支承随转子轴旋转,而密封环不转,其侧壁与环槽之间有一定间隙进行密封。密封环内支承的内部常做成甩油盘形式,靠旋转离心力甩掉沾附在轴上的润滑油,避免其流到密封环处。挡油板一般设在压气机端,避免油腔内的润滑油溅到密封环处 密封环的弹力要求非常严格,既不能太大也不能太小。密封环靠弹力涨紧在外支承上的轴向静摩擦力应大于燃气或空气压力造成的轴向力,另外。也不能出现由于密封环和环槽侧面的轻微摩擦造成的密封环随轴旋转现象。但当转子轴向窜动时,密封环又应能够轴向移动以避让,以免造成和环槽侧面摩擦。密封环弹力主要是通过改变密封环材料的力学性能、自由状态的开口间隙和改变密封环的径向厚度进行调整口。由于涡轮端的热量会传到压气机端及轴承处,不仅会使压气机内的压缩空气温度上升而降低压气机效率,而且还 [12]使轴承的工作可靠性受到威胁。因此,需要采取隔热措施。本设计采用迷宫式密封装置。 www.yanziedu.com www.88doc88.com 5 经济性分析 1) 涡轮增压器的最大优点是能在不加大发动机排量就能较大幅度地提高发动机的功率及扭力,一般而言,加装增压器后的发动机的功率及扭矩要增大20,~50,。 2)发动机在采用了增压技术后,还能提高燃油经济性和降低尾气排放。 3)压气机消耗的功是涡轮从废气中回收的一部分能量,再加上相对地减少了机械损失和散热损失,提高了机械效率和热效率。 4) 涡轮增压器的缺点是滞后,即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓,使发动机延迟增加或减少输出功率,这对于要突然加速或超车的汽车而言,瞬间会有点提不上劲的感觉。 5)汽油机采用涡轮增压技术有一定难度。 www.yanziedu.com www.88doc88.com 6 总结 通过对废气涡轮增压器的研究和设计,更加深入的了解涡轮增压器。涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量,从而提高发动机的功率和扭矩,让车子更有劲。一台发动机装上涡轮增压器后,其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够产生更大的功率。就拿我们最常见的1.8T涡轮增压发动机来说,经过增压之后,动力可以达到2.4L发动机的水平,但是耗油量却比1.8发动机并不高多少,在另外一个层面上来说就是提高燃油经济性和降低尾气排放。 www.yanziedu.com www.88doc88.com 致谢 在此论文完成之际,谨向我的老师表示最衷心的感谢。本文从最初的选题构思,到最后的反复修改,都是在刘老师的悉心指导下完成的。他作为我的指导老师为我提出了很多好的建议和指导性 意见 文理分科指导河道管理范围浙江建筑工程概算定额教材专家评审意见党员教师互相批评意见 ,让我在做毕业设计的过程中学到了很多知识,同时也是对我在大学四年里所学知识的总结和归纳。 同时,也要感谢我的同学和朋友们。在我的日常学习生活中,同学们经常无私的给予我帮助,我唯有在今后的人生旅途中加倍努力,以期创出新的成绩回报你们。 www.yanziedu.com www.88doc88.com 参考文献 [1] 孙军,汽车发动机原理[M].合肥:安徽科学技术出版社,2001.01. 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