涡轮增压器结构设计与性能分析.doc

1、 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 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

2、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 Abstract Turbochargers can improve enginespower performance and reduce exhaust emissions without changing their capacity.They were mainly used in diesel e

3、nginesfirstly .Turbo, namely the turbocharging, is called T, most early time (SAAB) the Car company applies by Swedens 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 use

4、s 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, if wants to raise engines output, the most effective method provides the fuel burni

5、ng 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

6、 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

7、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 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 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。 附录 B外文文献 错误 !未定义书签。 1 废气涡轮增压概述 1.

8、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

9、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

10、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。

11、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 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工况性能，国内外研究人员通过各种途径做了大量的

12、工作，并取得了较显著的成绩 【 1】 。 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

13、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

14、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

15、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 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.

16、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

17、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

18、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出功率了 2。 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

19、。 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： 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 8001000K 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

20、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 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 140300KPa，甚至可达 500KPa3。