（化工过程机械专业论文）车用双涡圈涡旋增压器的设计研究.pdf

硕士学位论文 摘要 增压器可以有效提高发动机的功率和效率，目前废气涡轮增压器已经广泛使 用在汽车发动机上，大大地提高了发动机的扭矩。涡旋式机械具有体积小、结构 紧凑、效率高、运行平稳等特点也已被应用到车用增压中，在小排量发动机上具 有很大优势。 ， 分析了目前车用涡旋增压器的发展概况，对照已有的g 型涡旋增压器以及常 用的废气涡轮增压器有人提出机械驱动单侧涡旋增压器的设计。机械驱动单侧涡 旋增压器机构简单，工艺容易实现，但在排气量及体积方面不尽人意，因此本文 提出了单侧双涡圈涡旋增压器的设计。车用双涡圈涡旋增压器由于独特的结构， 可以在相同的输气量的情况下比单涡圈增压器有较小的整体结构尺寸；高转速时 动、静涡盘之间相对滑动速度也较低，从而减少了摩擦耗功，提高了机器效率。 并因动涡旋盘的双涡圈结构可使其重心在其几何中心上，从而提高了增压器的平 稳性。 考虑到发动机要获得最佳的增压效果，本文对发动机与增压器的匹配进行了 理论研究。重点研究了双涡圈涡旋增压器的工作过程，建立了增压器工作腔的热 力学模型，描述了增压器工作腔的热力过程。研究了压缩腔之间以及压缩腔与背 压腔之间传熟模型对比单涡圈结构，分析计算了双涡圈涡旋增压器动涡盘所受 各种气体力。 泄漏是影响增压器效果的重要因素，本文对增压器的泄漏模型进行了分析， 确定了增压器涡旋齿端面放置密封条的重要性，并对密封条受力情况进行了分析 介绍了密封条的一些材料，为以后制作效果更佳的密封条提供了一些依据。分析 了涡旋盘涂层处理的方法以及防磨板的设置，来减小摩擦损失提高涡旋盘的耐磨 性。 。 最后研究了影响增压器性能的三个主要因素，为以后提高增压器性能提供了 参考。 关键词：增压器；涡旋压缩机：双涡圈 车用双涡罔涡旋增压器的设计研究 a b s t r a c t s u p e r c h a r g e dv e h i c l ee n g i n ec a ne f f c c t i v e l yi n c r e a s et h ee f f j c i c n c ya n dp o w c ro f 山em a c h i n e a tp f c s c n t ，t h cw a s t c g a st u r b os u p e r c h a r g e de n g j n ej sw j d e l yu s e di na l l k i n d so fv e h i c l ea n dh a v ei m p r o v e dt h ee n g i n em o m e n to ft o r s i o n 鲈e a t l y ， c s p e c i a l l y i nb i gm w sa m o u n te n g i n e s c r o l lm a c h i n ew h i c hp o s s e s sc h 缸a c t e r i s t i c so fh i g l l e f n c i e c y ， s m a ub u l k ， l i g h tw e i g h t ， l o wn o i s e s i m p l es t r u c t u f ea n dw o r k i n g s m o o t h l ye t c ， i s w i l d l yu s e d i n s u p e r c h a r g e d v e h i c l ee n g i n e a dt h cs c f o l l s u p e r c h a r g e “a sv e r yb j ga d v a n t a g eo nm i n o r r o wa m 叫n te n 蓟n c h a v ca n a i y z e dt h eg e n e r a ls i t u a t i o no ft h es c r o l ls u p e r c h a r g e ，c o n t r a s t e dw i t ht h c gt y p es c r o l l s u p e r c h a r g c r su s i n g a t p r c s c m a sw e l la st h ew a s t e g a st u f b o s u p e r c h a r g e r ， s o m e b o d ys u g g e s t i n gt h em a c h i e r yd e s i g w h i c hd r i v e st h es i n g l es i d e s c r o l ls u p e r c h a r g e r t h em a c h i n e r yd r i v es i n g l cs i d es c f o l ls u p e r c h a r g e ro r g a n i z a t i o n i ss i m p l ea n dt h eh a n d i c r a f ti sc a s yt oc o m ct r u c ，b u tl c a v em u c ht ob ed e s i r c di nt h e f i e l do fa i rd i s p l a c c m e n ta n d 、，o l u m c t _ h e r e f o r et h i sp a p e r h a sd e s i g n e dat w i n s p i r a l s c m l ls u p e r c h a r g e lf 0 r t h e 押i n - s p i m ls c r o l ls u p c r c h a r g e r su n i q u cs t m c t u r c ，i t h a sa s m a l l e rs i z ct h a ns i n g l es p i 姐ls c r o ns u p e f c h a r g e ri nt h es a m ev o l u m eo fd i s c h a r g i n g g a s w h e nw o r k i n gi nh i g h s p e e d ， t h er c l a t i v es l i d i n gv e l o c i t yb c t w e e nt w os c r o l l si s m p a r a t i v c l yl o wt h a nt h es i n g l es i d es c r o l ls 叩e r c h a f g e r t h e r e b yr e d u c i n gt h e f r i c t i o np o w e r ， i m p r o v i gt h em a c h i n ee f f i c i e n c y f d rd y n a m i cs c f o i l st w o s p i f a l c h a f a c t e r i s t i c ，i tc a nf o c u sj t sg e o m e t f i cc c n t r c ， t h e r e b yi m p r o v i n gi t s b a l a n c e i n c r e a s e ds t a b i l i t yo ft h es u p e f c h a r g e r t h k i n gi n t oa c c o u n tt og e tt h eb e s ta f ! f e c to ft h es u p e r c h a r g e r ， t h ep a p c rp r i m a r i l y r e s c a r c h e do nl h em a t c h i n go ft h ee n g i n ew “ht l i cs c r o l ls u p e r c h a r g e f t h e 柚a l y s i s f o c u s e do nt h et w i - s p i r a ls c m l ls u p c r c h a r g c r sw o r k i n gp r o c e s s ( b n s n l l c t c dam o d e l o ft h et h e m o d y n a m i cc a v i t yf o ft h es u p e r c h a r g e r ，柚dh a sd e s c r i b e dt h es c r o l l s u p e r c h a f g e r st h e 瑚o d y n a m i cp f o c c s s h a ss t u d i e dt h eh e a tt r 卸s f c rm o d e lo ft h e c o m p r c s s i o nc a v i t yb e t w e e nt h ec o m p r e s s i o nc a v i t ya n dt h eb a c k p r e s s u f ec a v i t y b y c o n t r a s t i n gt h es i g l es p i r a ls c r o us u p c f c h a f g e f ， s t u d i e d 柚da c c o u n t e dt h cg a sf o f c c w h i c hr o l ei nt h et w i n - s p i r a ls c r o l ls u p e r c h a r g e r sd y n a m i cs c r o l l l e a k a g ei sak e yf a c t o rt oa f f e c ts u p e r c h a r g e r sp e r f o 咖a n c e t h i sp a p e ra n a l y z c d t h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h el e a k a g e ， t h es e a le l e m e n to ft h es c r o l lt o o t hi sv e r y i m p o r t a n tt ot h cs c r o l ls u p e r c h a r g e r i n t r o d u c e ds o m c o ft h cs e a l e dm a t e r i a l ， p r o v i d e d s o m cb a s i st h e o r i e st 0i n c r e 猫ei t ss e a lp e r f o r m a n c ci nt h ef u t u r e a 且a i y z e ds o m c n c o a t i n gm e t h o d sa n da n t i w e a rp l a t cs e 州n g st or e d u c ef r i c t i o nl o s sw h i c hc a ni m p r o v e t l l ew e a rr e s i s t a n c eo ft h es c r o l l s a tl a s t ，t h i sp a p e r 聆s e a f c h e dt h r e cm a i nf a c t o r sw h i c hc o u l di n n u e n c et h e p e r f o f m a n c co ft h es u p e r c h a r g e r ， a n dt h a tc a np r o v i d er e f c r e n c e st 0i m p r o v et h e s u p e r c h a r g e r sp c f f o m i a n c ei nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：s u p e r c h a r g e r ； s c r o l lc o m p r e s s o r ；i 、o - s p i r a l s 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：i 皂启柏日期：弘谓车石月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 导师签名： 日期：箨 日期：6 年 6 只，ob 石月，d 日 式中。眇。增压器实际排气量，m 3 m i n 。 由式( 6 1 2 ) 可见增压器的空气流量取决于增压器的容积效率钆、增压器的转速 ( ，x ) 和吸气容积k 。由于涡旋增压器的吸气腔与排气腔相互分开，不存在吸气 余隙的影响，因而容积效率较高。 采取类推原理，由于变频涡旋压缩机与机械涡旋增压器在原理、结构上都非 常近似，所以我们采用了变频涡旋压缩机的实验的部分数据来分析。通过实验得 出涡旋压缩机随曲轴转动速度，排气温度、容积效率的变化关系，如图6 1 ，6 2 所 示。 车用双涡圈涡旋增压器的设计研究 l o 8 纂啪 聪 掉 0 4 0 2 6 0 01 2 0 01 8 0 02 4 0 03 0 0 03 6 0 0 主轴转速r m i n 图6 1 排气温度随主轴转速的变化关系 6 0 0 1 2 0 01 8 0 0 2 4 0 0 3 0 0 03 6 0 0 主轴转速r 皿i n 图6 2 容积效率随主轴转速的变化关系 从图6 2 可看出随着转速的增加，涡旋压缩机容积效率明显增加。同样我们可 以推断出涡旋增压器在工作时会出现类似的变化关系。在低速工作时会由于内泄 漏相对较大而降低捧气量，容积效率较低；在高速运转时会由于摩擦损失增大造 成机组温度的升高，涡旋盘热变形较大。涡旋齿之间的轴向和径向间隙会明显减 小，容积效率显著增加。 因此控制增压器涡旋盘之间的泄漏是保证增压器容积效率的关键。通过提高 增压器的加工、安装精度可以有效的控制增压器的切向泄漏。由于轴向间隙的切 向泄漏线比较长，泄漏最为严重，因此轴向间隙的大小对增压器容积效率有很重 要的影响。经分析可知动盘轴向间隙越小，气体密封性能越好，排气量越大、客 积效率越高，但摩擦功耗较大，增压器消耗的功率增大，机械效率较低。反之动 佰 衢 弱 格 ：霉 p工趟赠扩枯 硬士学位论文 盘轴向问隙越大，密封性能较差，但摩擦功耗较小，因而捧气量和容积效率越小， 增压器消耗的功率越小，机械效率有所升高。因此合理设计密封条的高度，调节 动静涡旋盘之间的轴向间隙，控制增压器的容积效率对增压器性能的影响十分重 大。 6 ，5 小结 本章分析了影响增压器性能的三种主要参素，分别为增压器本身耗功、排气 温度的大小、排气量的大小。增压器本身耗功分为指示功和摩擦损失，减少摩擦 损失是减少增压器耗功的关键，优化增压器的润滑系统可以有效减少摩擦损失， 降低增压器耗功。排气温度过高会使气体密度下降，降低增压器效率，合理设计 增压器的冷却系统控制排气温度对增压器性能的影响十分重要。排气量的大小是 影响增压器性能的关键，提高增压器的加工安装精度，合理设置密封条的高度， 控制增压器的容积效率能有效提高增压器的性能。 5 l 车用双涡圈涡旋增压器的设计研究 结论 结论与展望 随着车辆对发动机性能要求的日益提高，增压器越来越多的用在汽车发动机 上。目前使用最广泛的为废气涡轮增压器，废气涡轮增压器在大排量汽车上性能 十分优秀，能大幅度提高发动机的扭矩但在小排量发动机上废气涡轮增压器效 果不是很显著，涡旋机械由于其结构简单、效率高、体积小、噪声低、运转平稳 等特点非常适用于小排量发动机增压上。 分析了涡旋机械发展概况以及目前车用涡旋增压器的现状，对比g 型增压器 以及废气涡旋增压器有人提出机械驱动单侧涡旋增压器的设计机械驱动单侧涡 旋增压器机构简单，工艺容易实现，但在排气量方面不尽人意。因此本文提出了 单侧双涡圈涡旋增压器的设计。 考虑到发动机要获得最佳的增压效果，本文对发动机与增压器的匹配进行了简 单介绍。重点分析了双涡圈涡旋增压器的工作过程，建立了增压器压缩腔工作时 的热力学模型，如果不考虑涡旋盘之间的泄漏，涡旋增压器的热力过程为多变过 程。分析研究了压缩腔以及背压腔之间传热模型。对比单涡圈增压器，研究了动 涡盘所受气体力的特点。泄漏是影响增压器效果的重要因素，本文对增压器的泄 漏模型进行了分析，确定了增压器涡旋齿端面放置密封条的重要性，并对密封条 进行了受力分析。介绍了密封条的一些材料，为以后制作效果更佳的密封条提供 了一些依据。密封条的存在使动静涡盘之间摩擦增大，通过对涡旋盘进行涂层处 理以及放置防磨板的方法，来减小摩擦损失提高涡旋盘的耐磨性。 最后研究了影响增压器性能主要的三个因素，提高增压器的加工安装精度，优 化增压器的润滑系统，设置合理的冷却系统，控制动静涡盘之间的轴向间隙是增 压器性能的关键，为以后提高涡旋增压器的性能提供了一定的参考。 展望 由于作者水平和时间有限，以及所研究课题本身的困难性，未能做出样机对 其进行试验测试。本文的研究仅仅是车用涡旋增压器这个项目的前奏，在某些方 面研究的广度和深度还远远不足，单侧双涡圈涡旋增压器的设计还有些不完善。 建立在本文的基础上，对车用涡旋增压器后续的研究有以下几点建议： 1 选一小型发动机跟增压器进行实际情况匹配计算，获得最佳增压效果的增 硬士学位论文 压器参数。 2 通过获得的参数设计并优化车用涡旋增压器的结构，使车用涡旋增压器的 结构更佳合理； 3 涡旋增压器中冷系统的研究，可以采用机体夹壁水冷结构，有效的中冷是 提高涡旋增压器性能的主要途径； 4 对涡旋增压器润滑系统的研究，以保证涡旋增压器的使用寿命以及降低功 耗。 车用双涡圈涡旋增压器的设计研究 参考文献 【l 】王延生，黄佑生车用发动机废气涡轮增压【m 】北京；国防工业出版社，1 9 8 4 ， 1 9 1 2 】c r e u xl r o t a r ye n g i n c 【p 】u s p a t e n t ，n o 8 0 l ，1 8 2 ，1 9 0 5 。 【3 】 ln o r d i i m p m v e m e n t si no rr e l a t i n gt of l u i dp u m p sa n dt h el i k e 口】u 1 【 p a t c n t s p e c i f i c a t i o n2 2 0 ，2 9 6j a n u a f y8 ，1 9 2 5 【4 】 m o o r e ，r w ，j r e ta 1 as c r o l lc o m p r c s s o rf o rs h i p b o a r dh c l i u ml i q u e f i c r s y s t e m s 【j 】i c e c p 1 9 7 6 ：4 1 7 - _ 4 2 2 【5 】m a i 。 ，e t a l s c r o l l c 咖p f e s s o r a n di t s a p p l i c a t i o n t o p a c k a g e da i r c o n d i t i o n e r p 】t h eh i t a c h ih y o r o n ，1 9 8 3 ，6 5 ( 6 ) ：3 1 3 6 【6 】刘厚根机械增压器的研究现状与开发建议【j 】车用发动机，2 0 0 4 ，( 5 ) ：1 - 3 【7 1 朱梅林涡轮增压器原理【m 】北京：国防工业出版社，1 9 8 2 ，3 4 6 6 【8 】顾兆林，郁永章新型车用废气涡旋增压器的设计研究i j 】产品研究，1 9 9 5 ： 3 4 3 7 f 9 】顾兆林，高秀峰，李云等新型汽油机用废气涡旋增压器的研究【j 】小型内燃机， 2 0 0 0 ，2 9 ( 3 ) ：1 7 【1 0 】孟铭，倪计民，周奇涡旋增压技术在轻型车用发动机上的应用优势f j l 车用发 动机，2 0 0 2 ，( 3 ) ：4 3 4 5 f 1 1 】刘厚梗机械增压器得研究现状与开发建议i j 】车用发动机，2 0 0 4 ，( 5 ) ：1 4 【1 2 】陆家样库用内燃机增压【m 】北京：机械工业出版社。1 9 9 3 ，1 6 【1 3 】沈权内燃机增压技术【m 】北京：中国铁道出版社1 9 9 0 【1 4 】宋守信内燃机增压技术【m 】上海：同济大学出版社。1 9 9 3 【1 5 】李连生涡旋压缩机【m 】北京：机械工业出版社，1 9 9 8 f 1 6 】刘振全，任俊士动涡盘与轴向随交机构机械震动模拟【j 】兰州理工大学学报， 1 9 9 9 ，2 5 ( 4 ) l3 9 4 2 【1 7 】赵兴艳，刘振全涡旋压缩机自调背压机构压力的优化分析f j 】兰州理工大学学 报，1 9 9 8 ，2 4 ( 1 ) 6 1 6 5 ， 【1 8 】李元鹤，屈宗长，朱杰，王迪生涡旋压缩机静盘轴向补偿机构的理论模型f j l 压缩机技术，1 9 9 8 ，( 2 ) ：2 7 2 9 【1 9 】李元鹤，屈宗长，朱杰，王迪生涡旋压缩机静盘轴向补偿机构的计算分析【j 】 压缩机技术，1 9 9 8 ，( 2 ) ：3 0 3 2 【2 0 】n i s h i i ，e ta 1 0 nt h es u p e f i o rd y n a m i cb e h a v i o ro fv h r i a b l es p e c ds c r o l l c 伽p r e s s o r 【j 】，i c e c p ，1 9 8 8 ：7 5 8 2 硕士学位论文 【2 1 】m ik e g a w a ，e ta 1 s c f o nc o m p r e s s o rw i t hs e l f a d j u s t i n gb a c k p r e s s u r e m c c h a n i s m 【j 】，a s h r a et r a s a c t i o n s ，1 9 8 4 ，v 0 1 7 0 ，p a n2 ， n o ，2 8 4 6 【2 2 】纪民举，李超，刘兴旺，单彩侠，余鹏飞涡旋增压器背压密封组件的设计 研究f j 】压缩机技术，2 0 0 7 ， ( 4 ) ；2 0 2 2 【2 3 】马小礼，刘振全，刘兴旺，梁高林，唐连科双涡圈涡旋压缩机背压孔的研 究f j l 流体机械，2 0 0 7 ，3 5 ( 4 ) ：1 2 1 5 【2 4 】李超，赵荣珍，刘振全涡旋压缩机径向随变机构动力学模型研究【j 】压缩机 技术，2 0 0 4 ，( 3 ) ：7 2 2 【2 5 】杜桂荣，刘振全，秦子荣涡旋式压缩机的防自转机构【j 】甘肃工业大学学报， 1 9 9 1 ，1 7 ( 3 ) ：1 6 f 2 6 】刘振全，赵嫂，李超涡旋压缩机曲柄销防自转机构分析f j 】兰州理工大学学 报，2 0 0 6 ，3 2 ( 4 ) ：5 3 5 5 【2 7 1 倪计民，孟铭。周奇等涡旋增压器与发动机匹配的理论计算研究【j 】汽车技 术，2 0 0 2 ，1 0 ：1 5 1 8 【2 8 】h 啸华涡旋制冷式压缩机【m 】动力机械通讯，n o 5 ，3 0 6 0 ，1 9 4 9 【2 9 】姚伟，李文林。双头制冷涡旋压缩机的设计f j 】流体机械，1 9 9 7 。2 5 ( 1 0 ) ：4 7 5 0 【3 0 】曹霞等任意实数圈涡旋压缩机数学模型及尺寸参数的优化【j 】甘肃业大学 学报【j 】，1 9 9 8 ，4 【3 1 】李超，纪民举，余鹏飞，单彩侠双涡圈涡旋式机械增压器几何特性的理论 研究压缩机技术【j 1 ，2 0 0 7 ， ( 6 ) ：1 1 “ 【3 2 】刘振全等涡旋压缩基涡旋齿线型修正的图解法和修正角的研究【j 】甘肃工大 学学报，1 9 9 9 ，1 0 f 3 3 】刘卫华，高秀蜂，冯诗愚等双涡圈涡旋机械修正齿型的基元面积计算【j 】西安 交通大学学报，2 0 0 2 ，3 6 ( 1 1 ) ：9 6 9 8 【3 4 】王君，刘振全涡旋压缩机渐开线型线始端多对圆弧修正【j 】北京理工大学学 报，2 0 0 5 ，2 5 ( 9 ) ：7 5 7 7 6 0 【3 5 】刘兴旺，马小礼，刘振全。李超涡旋压缩机型线几何参数的优化设计方法 研究【j 】流体机械，2 0 0 5 ，3 3 ( 1 1 ) ：5 3 5 6 【3 6 j 王君，刘振全多涡旋齿涡旋压缩机的双圆弧型线修正研究【j 】中国机械工程， 2 0 0 6 ，1 7 ( 1 5 ) 1 5 3 1 5 6 【3 7 】王君，彭斌，李超，刘振全涡旋压缩机双圆弧修正的几何理论和压缩比研 究【j 】兰州理工大学学报，2 0 0 4 ，3 0 ( 6 ) ：5 9 6 3 f 3 8 】王君，刘振全。双涡圈涡旋压缩机完全啮合型线修正理论研究【j 】机械工程学 报，2 0 0 5 ，4 1 ( 3 ) ：2 3 4 2 3 8 f 3 9 】王君，李雪琴双涡旋齿涡旋压缩机的工作过程特性研究【j 】压缩机技术， 车用双涡凰涡旋增压器趵设计研究 2 0 0 7 ，( 2 ) ：1 7 2 2 、 f 4 0 】n o r i a kl s h i i ，e ta 1 as t u d y0 nd y n 猢i cb e h a v i o ro fas c r o l lc o m p r e s s o r p 】， i c e c p 1 9 8 6 【4 l 】n i s h i i ，e ta 1 o nt h cs u p e r i o rd y n a m i cb c h a v i o ro fv 矗r i a b l es p c e ds c r o l l c o m p f e s s o r 【j 】，i c e c p ，1 9 8 8 ：7 5 - 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