大功率涡轮增压器结构设计说明书[带图纸

大功率涡轮增压器结构设计说明书[带图纸内容摘要：

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出功率了 [2]。 发动机按增压方式可分为四类： ① 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； ② 机械增压，即利用机械传动的增压器进行增压； ③ 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； ④ 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 所示： 毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料 图 废气涡轮增压系统工作原理 Figure 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 所示 毕业设计说明书论文 1961660126 课件之 家的资料精心整理好资料 p静压力 T温度 c速度 图 压气机内气动参数的变化 Figure 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，甚至可达 500KPa[3]。 毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料 2 涡轮增压器 压气机 结构设计 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。 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。 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，比毕业设计说明书论文 1961660126 课件之 家的资料精心整理好资料 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。 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 ，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。 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，压气机毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料 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。 压气机的主要工作参数 设计的原始数据 设计选择 4100 型柴油机 D=100（ mm）， S=118（ mm）， hV =（ L）； 发动机过量空气系数  =； 容积系数 v =； 扫气系数 s =； 扫气过量空气系数 s = v s =1； 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～ ，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 ～。 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 GC=； 增压比 nc=； 毕业设计说明书论文 1961660126 课件之 家的资料精心整理好资料 环境压力 p0=；环境温度 T0=293K；压头系数 CH = 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。 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 21 轴向进气道的结构 Figure 21 the structure of the axial inlet 根据设计参数进行热力计算： 等熵压缩功    11k k k1kc0cs RTL= k—为空气绝热 指数， k =； R —为空气气体常数， R = ； 毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料 T0—环境温度 T0=293K； 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 22 导风轮的叶型 Figure 22 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 2 /cs Cu gL H u2= m/s 2．导风轮进口前轴向气体速度 取  ， 1 0uC Cla= 21102020aCTT T1= 4．进气道的多变指数 1n ～ n1= 毕业设计说明书论文 1961660126 课件之 家的资料精心整理好资料 5．导风轮进口前气体压力 11 11100nnTppT   M P p 6. 导风轮进口前气体比重 4111 10pRT   3/kgm 7. 导风轮进口前截面积 111caGF C  21 cmF  8．导风轮叶片数与工作轮相同 片14H 9. 导风轮堵塞系数选取  10. 导风轮进口后气流轴向速度 111aa CC  m/39。 1 aC 11. 轮径比 选取（ ～ ） DD 12. 轮径比 选取（ ～ ） DD H 13. 轮径比 2210 12212/ 2HmD DDDDD          DD m 14. 工作轮外径 12 22101224HFDDDDD           mmD  15. 压气机转速 2260c un D r/min73373 16. 轮毂直径 1010 22DDDD  mmD  1122HH DDDD  mmD H  毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料 18. 导风轮进口平均直径 1122mm DDDD  mmD m  19. 导风轮进口外径周速 1122HH DuuD m/ Hu 20. 导风轮进口平均直径处周速 1122mm DuuD m/ mu 21．轮毂处周速 1010 22DuuD m/ u 22. 导风轮 进口外径处相对速度 221 1 1H a HCu  m/39。 1 H 23．马赫数 1 11HHM kgRT  HM 24. 导风轮进口气流角 111aHHCarctgu  221H 25。