废气涡轮增压器的设计.doc

发动机涡轮增压器的设计机械设计制造及其自动化0802班： 徐培胜指导教师：李新领，孙维连，王会强摘要当今社会环保节能是我们不得不考虑的问题。而汽车的节能与环保就是其中的一大项，因此汽车的节能与小排量汽车越来越被人们重视。而涡轮增压器就是汽车节能的一个重要方法。加装增压器的发动机功率及扭矩可提高20%-30%。对于小排量发动机来说尤为明显。本次设计是基于1.0小排量的发动机，适于功率在43KW-79KW的发动机安装，使其功率和扭矩得到很大的提高。设计中主要计算了压气机叶轮和涡轮的各项参数，包括轮毂直径、外径、轴径、转速、气流角等。对增压器的润滑散热也进行了设计，并利用CAD绘图软件对增压器总装及重要部件进行了绘制。本文详细论述了涡轮增压器压气机结构以及废气涡轮的设计过程，中间轴的选取制造，并对增压器的原理和结构做了简单介绍。关键词：汽车；发动机；涡轮增压器；环保；节能Abstract：In todays society, environmental protection and energy conservation is the question that we have to consider. But the automobile energy saving and environmental protection is one of the major, so the automobile energy saving and small cars more and more people are paying attention to. The turbocharger is an important method of vehicle energy saving. Installing turbocharger engine power and torque increased by 20%-30%. For small displacement engine is particularly obvious. The design is based on1small displacement engine, suitable for power in the 43KW-79KW engine installation, the power and torque can be improved greatly. Design calculation of the compressor impeller and turbine main parameters, including the wheel diameter, outside diameter, shaft diameter, rotating speed, flow angle. The supercharger lubricating cooling also was designed, and the use of CAD drawing software for turbocharger assembly and important parts of the drawing. This paper discusses in detail the turbocharger compressor structure as well as the exhaust gas turbine design process, an intermediate selection of manufacturing, and the turbocharger principle and structure are introduced in this paper.Keywords：Auto ;Engine ;Turbocharger ;Environmental Protection ;Energy Conservation发动机涡轮增压器的设计1 引言涡轮增压技术作为发动机增压的一种方式，目前已被广泛采用。通过涡轮增压器对发动机进气的增压使得燃料在气缸内得到更加充分的燃烧从而实现了发动机的节能，所以涡轮增压技术符合了当前节能减排的社会趋势，对汽车加装涡轮增压器已经成为现在一项很重要的技术，因此，无论是现在还是在未来，对涡轮增压技术的研究和涡轮增压器的设计都具有非常重要的社会意义，同时也是一项在生活中非常使用的技术，具有很重要的现实意义。当前世界对涡轮增压技术的研究已经很先进了，在国内对于涡轮增压器也一直不断的在深入的研究与推广。国内对大中型排量的发动机基本已经完成了普及而对于小排量发动机来说，在国内的技术尚有不足。随着能源危机的日益临近，节能减排也越来越被人们所重视，所以小排量汽车已经有了成为主流的趋势，因此，对小排量发动机尤其是小排量汽油发动机进行涡轮增压器的设计与安装必将会得到人们的重视。基于目前的形式，本次针对小排量汽油发动机进行并成功完成了涡轮增压器的设计。本次设计具有非常重要的实际意义。第 13 页1 废气涡轮增压器结构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。废气涡轮增压器用的压气机多数采用离心式，它的出口压力可达140-300KPa，甚至可达500KPa。2 压气机结构设计2.1 压气机的结构离心式压气机结构由压气机蜗壳、扩压器、叶轮和进气道等部件组成。2.1.1 压气机蜗壳压气机涡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，在涡壳中还将进一步把动能转化为压力能，因此涡壳也具有一定的扩压作用。2.1.2 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。由于这一特点气流的流动路线r-.流动损失大，效率低，扩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。2.1.3 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,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。 2.1.4 进气道本设计采用轴向进气道，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（本设计采用）；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。2.2 压气机的主要工作参数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。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。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汽油机功率范围。流量范围愈宽，则其适用的汽油机功率范围愈大。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。2.2.1 设计数据的选择设计选择376QZ型汽油机D=76（mm），S=73（mm）， =0.331（L）；发动机过量空气系数=1.7；容积系数=0.98；扫气系数=1.02；扫气过量空气系数=1；初步设计的主要参数如下：空气流量 GC=0.153 kg/s；增压比 nc=2.9；环境压力 p0=0.1033Mpa；环境温度 T0=293K；压头系数 =0.71压头系数（流体效率）是衡量离心式压气机流动性能完善程度的综合指标。2.3 设计离心式压气机结构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。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。根据设计参数进行热力计算：等熵压缩功 =8328.47kg.m 为空气绝热指数，=1.39；为空气气体常数，=22.4 ；T0环境温度 T0=293K；2.3.2 初步设计导风轮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，本次设计采用将导风轮和叶轮做成一体的结构。导风轮的结构设计计算1. 工作轮外径处圆周速度 u2=336.68 m/s 2导风轮进口前轴向气体速度 取， Cla=84.17m/s3.导风轮进口前气体温度 T1=289.5K4进气道的多变指数 1.371.39 n1=1.38 5导风轮进口前气体压力 6. 导风轮进口前气体比重 7. 导风轮进口前截面积 8导风轮叶片数与工作轮相同 9. 导风轮堵塞系数选取 10. 导风轮进口后气流轴向速度 11. 轮径比 选取（0.20.35） 12. 轮径比 选取（0.50.7） 13. 轮径比 14. 工作轮外径 15. 压气机转速 16. 轮毂直径 17.导风轮进口外径 18. 导风轮进口平均直径 19. 导风轮进口外径周速 20. 导风轮进口平均直径处周速 21轮毂处周速 22. 导风轮进口外径处相对速度 23. 导风轮进口气流角 24. 导风轮进口气流角 25. 导风轮进口气流角 2.3.3 对叶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。本设计采用具有径向叶片的星形工作轮。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钼钢制造的转子轴上，用螺帽固紧。工作轮采用实心铝合金铸造切削，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 2. 功率系数 3. 工作轮出口气流轴向分速 4. 工作轮出口阻塞系数 选取 5. 工作轮出口气体比重 给定初值 6. 工作轮出口气流径向分速 7. 工作轮出口叶片宽度 8. 工作轮出口气流速度 9. 气流角 10. 工作轮摩擦系数 选取（0.0250.07） 11. 工作轮出口气流温度 12. 工作轮多变效率 选取（0.850.93） 13. 指数 14工作轮出口气体压力 15. 验算工作轮出口气体比重 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. 轮径比 选取（无叶扩压器） 2. 无叶扩压器出口直径 3. 无叶扩压器出口气流速度 4. 无叶扩压器出口气流温度 5. 无叶扩压器长度 6. 无叶扩压器多变效率 选取(0.60.8) 7. 指数 8. 无叶扩压器出口气流压力 9. 无叶扩压器出口气体比重 10. 无叶扩压器出口宽度 选取 11. 无叶扩压器出口气流径向分速 12. 无叶扩压器出口气流周向分速 13. 无叶扩压器出口气流角度 2.3.5 设计计算其他有关参数压气机的其他参数设计1. 蜗壳出口气流速度 选取2. 蜗壳出口气体温度 3. 指数 4. 蜗壳出口气体压力 5. 蜗壳出口气体比重 6. 蜗壳出口面积 7. 压气机出口滞止气流温度 8. 压气机出口滞止气流压力 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. 校核等熵压缩功 2校核增压比 3. 校核压头系数 4压气机消耗功率 5. 校核压气机效率 3 设计废气涡轮的结构废气涡轮可分为轴流式和径流式两类（本设计为径流式）。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 废气涡轮结构本次设计废气涡轮增压器的结构如图所示，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。1压气机涡壳；2无叶扩压器；3压气机叶轮；4毡圈油封；5中间轴；6进气道；7开槽圆柱螺钉；8开口销；9标准型弹簧垫片；10C型平键；11推力轴承；12左轴承端盖；13浮动轴承；14涡轮机叶轮；15出气道；16右轴承端盖；17隔热板；18涡轮机蜗壳；19套筒；20中间体；21六角头螺栓；22调整垫片图3-1涡轮增压器结构图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，影响涡轮效率因此，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8103.2 设计工作轮结构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。星形工作轮是为了减轻重量、减小工作轮转动惯量、提高强度改善加速性能。3.3 相关设计参数废气膨胀功、驱动功率、反作用度、叶片数及其半径 3.3.1 设计原始数据的选取设计选择376QZ型汽油机D=76（mm），S=73（mm）， =0.331（L）；发动机过量空气系数=1.7；容积系数=0.98；扫气系数=1.02；扫气过量空气系数=1；3.3.2 废气在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IS图来分析废气在单级涡轮内的膨胀过程，IS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（点），=，即=+图3-2废气在单级涡轮内的膨胀过程图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外界没有热量交换。此时废气的焓降是，以H表示，即H=。它表示在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所作功的最大值。1）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。 （J/kg） 式中 为废气绝热指数，=1.34；为废气气体常数，=29.2；滞止温度，=315（K）；膨胀比，=0.54；（J/kg）2）、涡轮的驱动功率 （kW） 式中 为废气每秒钟进入涡轮的流量，=1.3；单位时间内通过汽油机的空气量； ()； （kw）；式中 涡轮增压器的机械效率，取值范围0.950.99，取=0.98；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。一般取值范围0.750.80，取=0.79；涡轮实际输出的有效功率；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。 由 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0.400.50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，从而减少了流动损失，提高了涡轮的效率。 （J/kg） 取 =0.44；（J/kg）；4）涡轮机的膨胀比 式中 为涡轮机前的废气滞止压力，=79.5（）；为气体背压，等于1.5倍的大气压力，（）；5）喷嘴环出口绝对速度 (m/s) 速度系数，一般径流式涡轮的取值范围0.940.97之间，取=0.97；（m/s）；6）喷嘴环出口气体温度 (K) 式中 为喷嘴环进口温度，=836（K）；为废气气体常数，=29.2；（K）；7）喷嘴环出口气体压力 式中 喷嘴环进口压力（涡轮进口燃气压力），=79.5（kPa）；（kpa）；8）喷嘴环出口气体重度 9）喷嘴环出口截面积 （） 10）选择喷嘴环为12个，工作轮叶片也为12片，由此可以计算出大圆半径r r2 12Fr r=8.2 (cm)4 废气涡轮增压器主轴、轴承及其他结构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 主轴轴承本设计采用全浮动