廢氣渦輪增壓器渦輪結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)

1、 TOC o 1-5 h z 前言1 HYPERLINK l bookmark1 o Current Document 1廢氣渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1.1 工作輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 1.1.1工作輪結(jié)構(gòu)2 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.2相關(guān)參數(shù)計(jì)算2 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 1.2.1設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)2 HYPERLINK l bo

2、okmark16 o Current Document 1.2.2廢氣在單級渦輪內(nèi)的膨脹過您效率2 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 2廢氣渦輪工藝設(shè)計(jì)7 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 2. 1葉輪的材料7 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 2. 2材料的獲得7 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 2. 3造型材料和造型方法7 HYPERLINK l bookmark39 o Current D

3、ocument 2.4零件的獲得7 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 3結(jié)論8 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 參考文獻(xiàn)9 刖舌1905年瑞士工程師波希（Alfred Buchi）首先提出渦輪增壓柴油機(jī)概念，這是一件對 內(nèi)燃機(jī)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義的大事，五十年代以來，渦輪增壓技術(shù)在國內(nèi)外均得到飛速的發(fā) 展，它己經(jīng)成為增加內(nèi)燃機(jī)功率，降低單位功率重量，降低制造成本的最有效方法。自從 20世紀(jì)70年代渦輪增壓在車用發(fā)動機(jī)上得到推廣以后，更有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。目前， 己被世人公認(rèn)為內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向之

4、一，迄今仍保持著方興未艾的發(fā)展勢頭。渦輪增 壓是一項(xiàng)新技術(shù)，凡十年的發(fā)展歷史有力地表明，渦輪增壓是提高發(fā)動機(jī)功率和改善經(jīng)濟(jì) 性的最有效措施，也是發(fā)動機(jī)強(qiáng)化的必然途徑，它己成為當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的重要方向。渦 輪增壓是使柴油機(jī)動力裝置降低成本、縮小體積、減輕重量最成功的方法。實(shí)踐證明，對 于安裝尺寸受限制的應(yīng)用（如船舶、機(jī)車、卡車等）上是最受歡迎的，渦輪增壓在降低比油 耗、減少噪聲以及高原性能等方面勝過非增壓發(fā)動機(jī)：明。60年代增壓技術(shù)在中速柴油機(jī)上得到普遍應(yīng)用，使強(qiáng)化指標(biāo)有了很大提高；70年代 的石油危機(jī)，乂促使經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)（包括降低燃油耗率和使用劣質(zhì)燃油）得到很大改善：80年 代各國對環(huán)境污染的限

5、制更為嚴(yán)格，制定了極為苛刻的環(huán)保法規(guī)，迫使柴油機(jī)制造廠商各 自尋找對策以謀生存。新開發(fā)的柴油機(jī)必須在諸多方面能體現(xiàn)出優(yōu)越性，否則就無法適應(yīng) 未來劇烈的市場競爭?？v觀我國中速機(jī)的現(xiàn)狀，應(yīng)該說己初步具備了研充、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)體 系，但就總體水平而言，強(qiáng)化度不高，部分關(guān)鍵部件的可靠性尚待進(jìn)一步提高，自動化程 度低，減振降噪，措施尚未實(shí)際應(yīng)用（但高速機(jī)上己有應(yīng)用），排放研究還處于議論階段： 整機(jī)的系列化和零部件的通用化程度較低；部分零部件如高壓油泵和噴油器的偶件、調(diào)速 器、軸瓦和活塞環(huán)等的制造工藝落后，質(zhì)量較差，引進(jìn)指標(biāo)較高機(jī)型的這些零部件仍依賴 進(jìn)口，這些薄弱環(huán)節(jié)也限制了自行開發(fā)機(jī)型強(qiáng)度的提高。增壓技術(shù)

6、由于在節(jié)能、提高功率及滿足環(huán)保等方面具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)而被眾多柴油 機(jī)所采用，而且發(fā)展越來越迅速。從發(fā)展趨勢來看，增壓程度越來越高，現(xiàn)在最大平均有 效壓力己超過3. OMPa這樣高的平均有效壓力，使得高增壓柴油機(jī)出現(xiàn)了機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù) 荷嚴(yán)重、低工況性能和瞬態(tài)特性變差等突出的問題，因此對增壓系統(tǒng)提出了越來越高的要 求：要具有良好的全工況性能，主要是有利于改善低工況性能；較高的排氣能量利用率； 氣缸掃氣順利；有害排放物低；瞬態(tài)特性好；易于實(shí)現(xiàn)系列化生產(chǎn)；渦輪盡量采用單進(jìn)口。 為了滿足這些要求，人們研發(fā)了多種增壓系統(tǒng)，尤其是為了改善高增壓柴油機(jī)的低工況性 能，國內(nèi)外研究人員通過各種途徑做了大量的工作

7、，并取得了較顯著的成績。1廢氣渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)廢氣渦輪可分為軸流式和徑流式兩類。在軸流式渦輪中，廢氣沿渦輪旋轉(zhuǎn)軸線方向流 動。當(dāng)流量較大時(shí)，它的效率較高它適用于大量的廢氣渦輪增壓器。在徑流式渦輪中，廢 氣沿與渦輪旋轉(zhuǎn)軸線相垂直的平面徑向流動。在流量較小時(shí)，它的效率較高，制造乂較簡 單，適用與小流量的廢氣渦輪增壓器。這里主要討論工作輪的設(shè)計(jì)1.1工作輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1.1工作輪結(jié)構(gòu)工作輪是把從噴嘴環(huán)出來的高速廢氣的功能和壓力能轉(zhuǎn)換成為機(jī)械功。徑流式渦輪的 工作葉片與輪盤做成一體。葉片的形狀采用拋物線形，工作輪采用星形。星形工作輪是為 了減輕重量、減小工作輪轉(zhuǎn)動慣量、提高強(qiáng)度改善加速性能。1.2相關(guān)參數(shù)

8、設(shè)計(jì)1.2.1設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)選擇4102型柴油機(jī)D=102 (mm), S=118 (mm), * =3. 856 (L)；發(fā)動機(jī)過量空氣系數(shù)。=1.7；容積系數(shù)/=0.98；掃氣系數(shù)廣1.02；掃氣過量空氣系數(shù)億二/廣1;1.2.2廢氣在單級渦輪內(nèi)的膨脹過程及效率為了計(jì)算廢氣在單級渦輪內(nèi)的膨脹過程，常利用is圖來分析廢氣在單級渦輪內(nèi)的 膨脹過程，IS圖繪出了廢氣的膨脹過程在圖/,點(diǎn)相當(dāng)于廢氣進(jìn)入噴嘴環(huán)的狀態(tài)，由于廢 氣進(jìn)入噴嘴環(huán)時(shí)的速度c，它的動能為號。廢氣進(jìn)入噴嘴環(huán)時(shí)的狀態(tài)用滯止參數(shù)表示(/；點(diǎn))，l； = CpT；，即 =圖2-1廢氣在單級渦輪內(nèi)的膨脹過程圖當(dāng)廢氣的初始狀態(tài)為p；、7

9、；在單級渦輪中膨脹時(shí)，壓力由p；降到久。如果，廢氣在 單級渦輪中按理想過程進(jìn)行膨脹，就沿著圖中和九一/頊線段進(jìn)行。次二線段分 別表示廢氣在噴嘴環(huán)中和工作輪中的絕熱膨脹過程，可以認(rèn)為在過程中沒有流動損失及與 外界沒有熱量交換。此時(shí)廢氣的粉降是*一，以H表示，即H二/；一。它表示在單 級渦輪中進(jìn)行的膨脹功，通常稱為絕熱膨脹功(或稱可用恰降)，即廢氣在單級渦輪中所 作功的最大值。1)絕熱膨脹功H它表示在單級渦輪中進(jìn)行的膨脹功，即廢氣在單級渦輪中所能作功的最大值*。r 1-H = Cp(T； - T2ad) =- 4) = (J/kg)(2-1)Pt (22) K-l式中A一為廢氣絕熱指數(shù)，k=L33

10、；&為廢氣氣體常數(shù)，Rr =29.2；7；-滯止溫度，7； =303 (K)；氣一增壓比，=1. 82；1 33冬”=/329.2x303 1.82 “3 _ 1 = 5709 (J/kg)2）、渦輪的驅(qū)動功率N,(23)N = 211L * (kW)7 10001 m式中Gt為廢氣每秒鐘進(jìn)入渦輪的流量，Gt =1. 3Gk ；一單位時(shí)間內(nèi)通過柴油機(jī)的空氣量;(24)J68961x098x1x3.856x4x1600 = 3 91103A 287x303103120式中代=億億=1；Gt =13x3.91 = 5.09 (kgs)；叫=端5危重耕x.78x97 = 2L99 g)；式中,一渦輪

11、增壓器的機(jī)械效率，S取值范圍0.95-0.99,取S=0.97；,一為有效效率（渦輪效率）渦輪軸上的有用功與廢氣可用的絕熱粉降之比。一般為取值范圍0. 75-0. 80,取廣0.78；N,渦輪實(shí)際輸出的有效功率;3）渦輪的反作用度Q在渦輪中常用反作用度p來表示廢氣的可用嬉降H在噴嘴環(huán)和工作輪之間的分配比例。反作用度p是工作輪中絕熱粉降兀與可用恰降H的比值。乩=PH因此，Q值的大小，說明廢氣在工作輪內(nèi)膨脹多少。如果廢氣的粉降全部在噴嘴環(huán)中 完成，而在工作輪中不在膨脹，此時(shí)，Q=0,這種渦輪成為沖擊式渦輪。它表示作用在工 作葉片上的力，完全是由于氣流運(yùn)動方向的改變（因相對速度不變此=罔），即是氣流

12、沖 擊作用的結(jié)果。如果廢氣的嬉降不完全在噴嘴環(huán)中膨脹，而有一部分在工作輪內(nèi)膨脹，則0pl ,這種渦輪成為反作用式渦輪。此時(shí)，因氣體相對加速度增加所產(chǎn)生的作用在工 作葉片的力，可看作是氣體從工作葉片流出時(shí)的反作用力。在近代的廢氣渦輪增壓器中常采用反作用式渦輪，Q值常在0.400.50之間，由于 廢氣分別在噴嘴環(huán)和工作輪中膨脹，可以降低氣流的絕對加速度q和相對加速度此，從而 減少了流動損失，提高了渦輪的效率。(25)取 q =0.44；乩=(1 0.44)x5709 =3197 (J/kg)；渦輪機(jī)的膨脹比虧(26)式中 p；為渦輪機(jī)前的廢氣滯止壓力，p；=79.5 (APci)；外一為氣體背壓，

13、外等于1.5倍的大氣壓力，=1.5x98.8 = 148.26 (kPa);79,5148.26= 0.54噴嘴環(huán)出口絕對速度q3 =p)Hc (m/ s)(27)9一速度系數(shù)，一般徑流式渦輪0的取值范圍0.940.97之間，取0二0.96；c3 = 0.9672x9.8(1-0.44)x3197 = 179.8 (m/s)；噴嘴環(huán)出口氣體溫度L1=7-土一 (K)(28)2gR六式中7； 為噴嘴環(huán)進(jìn)口溫度，=728 (K)；與 一為廢氣氣體常數(shù)，Rr =29.2；179 Q27； =728 =714(K)；2x9.8x29.2一1.33 17）噴嘴環(huán)出口氣體壓力心P3 = Pr(l岑一)柜2

14、gR*(29)式中P,噴嘴環(huán)進(jìn)口壓力（渦輪進(jìn)口燃?xì)鈮毫Γ?，p廣p；=79.5 （kPa）；79 22L33P3 = 79 5x(1:J 1.33-1 = 7377 (kpa)；2x9.8x 29.2 x 1.33-18）噴嘴環(huán)出口氣體重度，;U5皿(210)9）噴嘴環(huán)出口截面積Ft = 2- x 104 =x 10，恐 9 ( cm2 )eg 179.8x35.26(211)10）選擇噴嘴環(huán)為6個(gè)，工作輪葉片也為6片，由此可以計(jì)算出大圓半徑r(212)6xFr需4 (cm)2廢氣渦輪工作輪工藝設(shè)計(jì)2. 1葉輪在材料工作輪的材料選擇鋁合金，鋁合金質(zhì)量輕。采用鑄造的方法可以降低成本，并且 可以大批

15、量的生產(chǎn)，減少加工工藝，設(shè)計(jì)成星形可以更好的減輕重量、減小工作輪轉(zhuǎn) 動慣量，提高強(qiáng)度改善加速性能。2. 2材料的獲得將所需的鋁合金熔化成液態(tài)，因?yàn)殇X合金有良好的流動性，方便澆鑄，使其具 有良好的流動性、收縮性、偏析和吸氣性。2. 3造型材料和造型方法造型材料應(yīng)選擇具備可塑性，強(qiáng)度、耐火度、透氣性和退讓性。使用機(jī)器造型, 這樣可以大大節(jié)省人力，也可以使零件接近標(biāo)準(zhǔn)化，方便大批量生產(chǎn)。2. 4零件的獲得將熔化好的合金液體澆鑄，得到所需的葉輪的毛坯，再對葉輪進(jìn)行熱處理，可以 提高強(qiáng)度，方便機(jī)加工。得到所需的機(jī)械強(qiáng)度要求。最后進(jìn)行機(jī)加工，取適當(dāng)?shù)钠? 最終得到所需的零件3結(jié)論根據(jù)發(fā)動機(jī)的參數(shù)確定增壓

16、參數(shù)：增壓比、流量、增壓壓力，根據(jù)壓氣機(jī)與渦輪機(jī)的功率平衡壓氣機(jī)與渦輪同軸轉(zhuǎn)速相同計(jì)算出渦輪的流量、轉(zhuǎn)速、有 效效率、渦輪膨脹比、渦前溫度、驅(qū)動功率等使渦輪機(jī)能夠有充分功率驅(qū)動壓氣機(jī)使其達(dá) 到增壓的效果O在整個(gè)的設(shè)計(jì)過程中，使大學(xué)所學(xué)的課程更加扎實(shí)，并且學(xué)了一些沒有學(xué)過的理論。 但是，在設(shè)計(jì)過程中用到的一些理論并不完善有待于學(xué)習(xí)和提高。在整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中，由于時(shí)間關(guān)系有些參數(shù)在計(jì)算和選擇過程中，一些次要的因素 和環(huán)境因素沒有考慮。一些具體的系統(tǒng)沒有進(jìn)行理論的計(jì)算，只是進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)。需要 在以后的工作中去提高。參考文獻(xiàn)孫軍，汽車發(fā)動機(jī)原理M.合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，2001.01.過學(xué)迅，鄧亞東.汽車設(shè)計(jì)M.北京：人民交通出版社，2005.8.蘇猛，李風(fēng)平屈振生，張士慶.機(jī)械圖學(xué)M.沈陽：東北大學(xué)出版社，2000.10.宋首信，內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)M.同濟(jì)大學(xué)出版社.北京1993.9.劉惟信，汽車設(shè)計(jì)M.北京清華大學(xué)出版社，2001.王望予，汽車構(gòu)造（第四版）M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.陳家瑞，汽車構(gòu)造（第四版）M