GY02-134@废气涡轮增压器涡轮结构及工艺设计
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机械毕业设计全套
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GY02-134@废气涡轮增压器涡轮结构及工艺设计,机械毕业设计全套
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目 录 前 .言 1 1 废气涡轮结构设计 2 1.1 工作轮结构设计 2 1.1.1 工作轮结构 2 1.2 相关参数计算 2 1.2.1 设计原始数据 2 1.2.2废气在单级涡轮内的膨胀过程及效率 2 2 废气涡轮工艺设计 7 2.1 叶轮的材料 7 2.2 材料的获得 7 2.3 造型材料和造型方法 7 2.4 零件的获得 7 3 结论 8 参考文献 9 nts课程设计 1 前言 1905 年瑞士工程师波希 (Alfred Buchi)首先提出涡轮增压柴油机 概念，这是一件对内燃机发展具有深远意义的大事，五十年代以来，涡轮增压技术在国内外均得到飞速的发展，它已经成为增加内燃机功率，降低单位功率重量，降低制造成本的最有效方法。自从20 世纪 70 年代涡轮增压在车用发动机上得到推广以后，更有了突飞猛进的发展。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 10。 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。 nts废气 涡轮增压器涡轮结构及工艺设计 2 1 废气涡轮结构设计 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 1.1 工作轮结构设计 1.1.1 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。 1.2 相关参数设计 1.2.1 设计的原始数据 设计选择 4102型柴油机 D=102（ mm）， S=118（ mm）， hV=3.856（ L）； 发动机过量空气系数 =1.7； 容积系数v=0.98； 扫气系数s=1.02； 扫气过量空气系数s=v s=1； 1.2.2 废气在单级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 I S 图来分析废气在单级涡轮内的膨胀过程， I S图绘出了废气的膨胀过程在图 TI 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 Tc ，它的动能为22Tc 。废气进入喷嘴环时的状态用滞止参数表示 TI（ TI 点）， TI = TpTC，即 TI = TpTC+22Tc 。 nts课程设计 3 当废气的初始状态为 Tp 、 T 在单级涡轮中膨胀时，压力由 Jp降到 2p 。如果，废气在单级涡轮中按理想过程进行膨胀，就沿着图中 TI adI1和adI1adI2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 TI adI2，以 H 表示，即 H=TI adI2。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 H 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 4。 2)1()(201*22 cppTCTTCH rrTTpadTp （ J/kg） （ 2 1） 1111 kkkT TRk kH （ 2 2）式中 k 为废气绝热指数， k =1.33； TR 为废气气体常数， TR =29.2； 1T 滞止温度， 1T =303（ K）； K 增压比， K =1.82； c2T / 2I 2 a dp 1I1 a d图 2-1 废气在单级涡轮内的膨胀过程图 S I nts废气 涡轮增压器涡轮结构及工艺设计 4 5709182.13032.29133.1 33.1 33.1 133.1 H （ J/kg） 2）、涡轮的驱动功率 TN mTTT HGN 1000（ kW） （ 2 3） 式中 TG 为废气每秒钟进入涡轮的流量， TG =1.3kG； kG 单位时间内通过柴油机的空气量； 260101034 niVRTpG skvkkk( skg ) （ 2 4） 91.3120160010 4856.3198.0303287168968 3 kG ( skg ) 式中 1svs ； 09.591.33.1 TG ( skg )； 99.2197.078.01000 570909.51000 mTTT HGN （ kg）； 式中 m 涡轮增压器的机械效率，m取值范围 0.95 0.99，取m=0.97； T 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T 取值范围 0.75 0.80，取 T =0.78； TN 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 1h 与可用焓降 H的比值。 HHHh c1 由 HHc 得 HHc )1( 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 12 WW ），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nts课程设计 5 10 ，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 0.40 0.50 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 1c 和相对加速度 1W ，从而减少了流动损失，提高了涡轮的效率。 HHc )1( （ J/kg） （ 2 5） 取 =0.44； 3 1 9 75 7 0 9)44.01( cH （ J/kg）； 4）涡轮机的膨胀比 T 2ppTT （ 2 6） 式中 Tp 为涡轮机前的废气滞止压力， Tp =79.5（ kPa ）； 2p 为气体背压， 2p 等于 1.5倍的大气压力， 26.1488.985.12 p （ kPa ）； 54.026.148 5.79 T 5）喷嘴环出口绝对速度3ccHgc )1(23 (m/s) （ 2 7） 速度系数，一般径流式涡轮 的取值范围 0.940.97之间，取 =0.96； 8.1793197)44.01(8.9296.03 c （ m/s）； 6）喷嘴环出口气体温度3T1233TTTTkkgRcTT (K) （ 2 8） 式中 T 为喷嘴环进口温度， T =728（ K）； TR 为废气气体常数， TR =29.2； 71498.928.179728 23 T（ K）； nts废气 涡轮增压器涡轮结构及工艺设计 6 7）喷嘴环出口气体压力3p1233 )121( TTkkTTTTTTk kgRcpp （ 2 9） 式中 Tp 喷嘴环进口压力（涡轮进口燃气压力）， Tp = Tp =79.5（ kPa）； 77.73)98.928.1791(5.79 133.1 33.123 p（ kpa）； 8）喷嘴环出口气体重度3r26.357143.291077.7310 43433 TRprT（ 2 10） 9）喷嘴环出口截面积 TF 91026.358.17909.510 4433 rcGF TT （ 2cm ） （ 211） 10） 选择喷嘴环为 6个，工作轮叶片也为 6片，由此可以计算出大圆半径 r r2 6 Fr （ 2 12） r rF 6 =14.396 =4 (cm) nts课程设计 7 2 废气涡轮工作轮工艺设计 2.1 叶轮在材料 工作轮的材料选择铝合金，铝合金 质量轻。采用铸造的方法可以降低成本，并且可以大批量的生产，减少加工工艺，设计成星形可以更好的减轻重量、减小工作轮转动惯量，提高强度改善加速性能 。 2.2 材料的获得 将 所需的铝合金熔化成液态，因为铝合金有良好的流动性，方便浇铸，使其具有良好的流动性、收缩性、偏析和吸气性。 2.3 造型材料和造型 方法 造型材料 应选择具备可塑性，强度、耐火度、透气性和退让性。使用机器造型，这样可以大大节省人力，也可以使零件接近标准化，方便大批量生产。 2.4 零件的获得 将熔化好的合金液体浇铸，得到所需的叶轮的毛坯，再对叶轮进行热处理，可以提高强度，方便机加工。得到所需的机械强度要求。最后进行机加工，取适当的偏差，最终得到所需的零件 nts废气 涡轮增压器涡轮结构及工艺设计 8 3 结论 根据发动机的参数确定增压参数 ：增压比、流量、增压压力， 根据压气机与涡轮机的功率平衡压气机与涡轮同轴转速相同计算出涡轮的流量、转速、有效效率、涡轮膨胀比、涡前温度、驱动功率等使涡轮机能够有充分功率驱动压气机使其达到增压的效果 。在整个的设计过程中，使大学所学的课程更加扎实，并且学了一些没有学过的理论。但是，在设计过程中用到的一些理论并不完善有待于学习和提高。 在整个设计的过程中，由于时间关系有些参数在计算和选择过程中，一些次要的因素和环境因素没有考虑。一些具体的系统没有进行理论的计算，只是进行了选型设计。需要在以后的工作中去提高。 nts课程设计 9 参考文献 1 孙军 ， 汽车发动机原理 M.合肥：安徽科学技术出版社 ， 2001.01. 2 过学迅 ， 邓亚东 .汽车设计 M.北京：人民交通出版社， 2005.8. 3 苏猛，李风平屈振生，张士庆 .机械图学 M.沈阳：东北大学出版社， 2000.10. 4 宋首信，内燃机增压技术 M.同济大学出版社 .北京 1993.9. 5 刘惟信 ， 汽车设计 M.北京清华大学出版社， 2001. 6 王望予 ， 汽车构造（第四版） M.北京：机械工业出版社， 2003. 7 陈家瑞 ， 汽车构造（第四版） M. 北京：人民交通出版社， 2004. 8 范迪彬 ， 汽车构造 M.合
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