机械毕业设计（论文）-大功率涡轮增压器结构设计【全套图纸】

中 文 题 目：涡轮增压器结构设计 摘摘 要要 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 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 Abstract Turbochargers can improve enginespower 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 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 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, if wants to raise engines 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 目录 1.涡轮增压概述1 1.1 涡轮增压器的背景1 1.2 涡轮增压器产业的技术发展2 1.3 涡轮增压器原理3 2 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8 2.3.1 进气道9 2.3.2 导风轮的初步设计9 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 涡轮结构设计18 3.1 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 涡轮增压器主轴轴承以及其它装置的研究24 4.1 涡轮增压器主轴24 4.2 涡轮增压器主轴轴承24 4.3 涡轮增压器主轴轴承的润滑和冷却系统25 4.4 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 1 涡轮增压概述 1.1 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 毕业设计说明书 毕业论文 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工作，并取得了较显著 的成绩【1】。 1.2 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.采用静电滤清、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 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 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 毕业设计说明书 毕业论文 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： 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。 毕业设计说明书 毕业论文 2 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 毕业设计说明书 毕业论文 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）； h V 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； s v s 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 0.700.85，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 0.970.99。 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 GC=0.35kg/s；增压比 nc=2.9； 环境压力 p0=1.033Mpa；环境温度 T0=293K；压头系数 =0.72 C H 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： 等熵压缩功 =8328.47kg.m 1 1-k k k 1k c 0cs RTL 毕业设计说明书 毕业论文 为空气绝热指数，=1.39；kk 为空气气体常数，=22.4 ；RR T0环境温度 T0=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 2 / csC ugLH u2=336.68 m/s 2导风轮进口前轴向气体速度 取， 12 0.25 a Cu 1 0 u C Cla=84.17m/s 3.导风轮进口前气体温度 2 1 10 2010 a C TT T1=289.5K 4进气道的多变指数 1.371.39 1 n n1=1.38 5导风轮进口前气体压力 1 1 1 1 10 0 n n T pp T MPa989 . 0 957 . 0 033 . 1 1 p 6. 导风轮进口前气体比重 4 1 1 1 10 p RT 53 . 1 1 3 /kg m 7. 导风轮进口前截面积 1 11 c a G F C 2 1 18.27cmF 8导风轮叶片数与工作轮相同 片14H 9. 导风轮堵塞系数选取 9 . 0 1 10. 导风轮进口后气流轴向速度 1 1 1 a a C C m/s52.93 1 a C 11. 轮径比 选取（0.20.35） 31 . 0 / 210 DD 12. 轮径比 选取（0.50.7） 7 . 0/ 21 DD H 13. 轮径比 22 101 22 12 / 2 H m DD DD DD 541 . 0 / 21 DD m 14. 工作轮外径 1 2 22 101 22 4 H F D DD DD mmD68.87 2 15. 压气机转速 2 2 60 c u n D r/min73373 c n 毕业设计说明书 毕业论文 16. 轮毂直径 10 102 2 D DD D mmD18.27 10 17.导风轮进口外径 1 12 2 H H D DD D mmD H 38.61 1 18. 导风轮进口平均直径 1 12 2 m m D DD D mmD m 43.47 1 19. 导风轮进口外径周速 1 12 2 H H D uu D m/s 7 . 235 1 H u 20. 导风轮进口平均直径处周速 1 12 2 m m D uu D m/s14.182 1 m u 21轮毂处周速 10 102 2 D uu D m/s37.104 10 u 22. 导风轮进口外径处相对速度 22 111HaH Cu m/s58.253 1 H 23马赫数 1 1 1 H H M kgRT 85 . 0 1 H M 24. 导风轮进口气流角 1 1 1 a H H C arctg u 22 1H 25. 导风轮进口气流角 1 1 1 a m m C arctg u 27 m1 26. 导风轮进口气流角 1 10 10 a C arctg u 42 10 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。 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 片142/75 . 0 10 2 D c 2. 功率系数 2 1 2 1 21 1 3 1 c m Z D D 0.83 毕业设计说明书 毕业论文 3. 工作轮出口气流轴向分速 22u Cu m/s24.278 2 u C 4. 工作轮出口阻塞系数 选取 96 . 0 2 5. 工作轮出口气体比重 给定初值 3 2 /80 . 1 mkg 6. 工作轮出口气流径向分速 21ra CC m/s17.84 2 r C 7. 工作轮出口叶片宽度 2 2222 c r G b DC mmb7 . 8 2 8. 工作轮出口气流速度 22 222ru CCC smC/21.297 2 9. 气流角 2 2 2 r u c aarctg c 7 . 16 2 a 10. 工作轮摩擦系数 选取（0.0250.07） 5.00 11. 工作轮出口气流温度 22 2 21 221005 ua TT KT 6 . 347 2 12. 工作轮多变效率 选取（0.850.93） 9 . 0 hmp 13. 指数 2 2 11 tmp nk nk 2 . 3 1 2 2 n n 14工作轮出口气体压力 2 2 1 2 21 1 n n T pp T mpap78 . 1 2 15. 验算工作轮出口气体比重 4 2 2 2 10 p RT 3 2 /28 . 2 mkg 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 2 2 2 c C M kgRT 91. 0 2 c M 2. 轮径比 选取（无叶扩压器） 3 2 D D 15. 1 2 3 D D 3. 无叶扩压器出口直径 3 32 2 D DD D mmD 8 . 100 3 4. 无叶扩压器出口气流速度 2 32 3 D CC D smC/44.258 3 5. 无叶扩压器出口气流温度 22 23 32 2010 CC TT KT 6 . 357 3 6. 无叶扩压器长度 32 2lDDmml6 . 6 7. 无叶扩压器多变效率 选取(0.60.8) 7 . 0 Dpl 8. 指数 3 3 1 n n 3 3 11 Dpl nk nk 5 . 2 1 3 3 n n 9. 无叶扩压器出口气流压力 3 3 1 3 32 2 n n T pp T mpap91. 1 3 10. 无叶扩压器出口气体比重 4 3 3 3 10 p RT 38 . 2 3 11. 无叶扩压器出口宽度 选取 毕业设计说明书 毕业论文 32 02bbmm:mmb7 .10 3 12. 无叶扩压器出口气流径向分速 3 3 33 c r G C D b smC r /42.43 3 13. 无叶扩压器出口气流周向分速 22 333ur CCCsmC u /8 .254 3 14. 无叶扩压器出口气流角度 3 3 3 r u C aarctg C 6 . 9 3 a 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sm/40CC 2. 蜗壳出口气体温度 22 3 3 2010 C C CC TT KTC390 3. 指数 4 4 1 n n )87 . 0 ( 11 44 4 4 pp k k n n 4 . 3 1 4 4 n n 4. 蜗壳出口气体压力 4 4 1 3 3 n n C C T PP T mpaPC79. 2 5. 蜗壳出口气体比重 4 10 C C C P RT 3 /67 . 2 mkg c 6. 蜗壳出口面积 C C CC G F C 2 77.32cmFC 7. 压气机出口滞止气流温度 2 * 2010 C CC C TTKTC 8 . 390 8. 压气机出口滞止气流压力 * 1 * k k C CC C T PP T mpaPC79 . 2 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。 1. 校核增压比 0 C C P P 7 . 2C 2校核等熵压缩功 0 1 1 1 k k CCS k LRT k mkgLCS/67.7943 3. 校核压头系数 2 2 CS C gL H u 69 . 0 C H 4校核压气机效率 C CS H a 78 . 0 CS 5. 压气机消耗功率 0.746 75 CCS C CS G L N kwNC 5 . 35 毕业设计说明书 毕业论文 3 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 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4。 1隔热板；2涡轮；3，12密封环；4涡轮壳；5推力轴承；6O 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 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，