廢氣渦輪增壓器渦輪結構及工藝設計

1、目 錄前.言11 廢氣渦輪結構設計21.1 工作輪結構設計21.1.1 工作輪結構21.2 相關參數(shù)計算21.2.1 設計原始數(shù)據(jù)21.2.2廢氣在單級渦輪內的膨脹過程及效率22 廢氣渦輪工藝設計72.1葉輪的材料72.2 材料的獲得72.3造型材料和造型方法72.4零件的獲得73結論8參考文獻91課程設計前言1905 年瑞士工程師波希(Alfred Buchi)首先提出渦輪增壓柴油機概念，這是一件對內燃機發(fā)展具有深遠意義的大事，五十年代以來，渦輪增壓技術在國內外均得到飛速的發(fā)展，它已經成為增加內燃機功率，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70年代渦輪增壓在車用發(fā)動機上得

2、到推廣以后，更有了突飛猛進的發(fā)展。目前，己被世人公認為內燃機技術的發(fā)展方向之一，迄今仍保持著方興未艾的發(fā)展勢頭。渦輪增壓是一項新技術，幾十年的發(fā)展歷史有力地表明，渦輪增壓是提高發(fā)動機功率和改善經濟性的最有效措施，也是發(fā)動機強化的必然途徑，它已成為當前內燃機發(fā)展的重要方向。渦輪增壓是使柴油機動力裝置降低成本、縮小體積、減輕重量最成功的方法。實踐證明，對于安裝尺寸受限制的應用(如船舶、機車、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10。60年代增壓技術在中速柴油機上得到普遍應用，使強化指標有了很大提高；70年代的石油危機，又促使經濟性指標(包括降低燃

3、油耗率和使用劣質燃油)得到很大改善：80年代各國對環(huán)境污染的限制更為嚴格，制定了極為苛刻的環(huán)保法規(guī)，迫使柴油機制造廠商各自尋找對策以謀生存。新開發(fā)的柴油機必須在諸多方面能體現(xiàn)出優(yōu)越性，否則就無法適應未來劇烈的市場競爭?？v觀我國中速機的現(xiàn)狀，應該說己初步具備了研究、設計和生產體系，但就總體水平而言，強化度不高，部分關鍵部件的可靠性尚待進一步提高，自動化程度低，減振降噪，措施尚未實際應用(但高速機上已有應用)，排放研究還處于議論階段：整機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、調速器、軸瓦和活塞環(huán)等的制造工藝落后，質量較差，引進指標較高機型的這些零部件仍依賴進口，這些

4、薄弱環(huán)節(jié)也限制了自行開發(fā)機型強度的提高。增壓技術由于在節(jié)能、提高功率及滿足環(huán)保等方面具有無可比擬的優(yōu)點而被眾多柴油機所采用，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已超過3.0MPa這樣高的平均有效壓力，使得高增壓柴油機出現(xiàn)了機械負荷和熱負荷嚴重、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；易于實現(xiàn)系列化生產；渦輪盡量采用單進口。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的低工況性能，國內外研

5、究人員通過各種途徑做了大量的工作，并取得了較顯著的成績。1廢氣渦輪結構設計廢氣渦輪可分為軸流式和徑流式兩類。在軸流式渦輪中，廢氣沿渦輪旋轉軸線方向流動。當流量較大時，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，廢氣沿與渦輪旋轉軸線相垂直的平面徑向流動。在流量較小時，它的效率較高，制造又較簡單，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計1.1工作輪結構設計1.1.1工作輪結構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換成為機械功。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、減小工作輪轉動慣量、提高強度改善加

6、速性能。1.2相關參數(shù)設計 1.2.1 設計的原始數(shù)據(jù)設計選擇4102型柴油機D=102（mm），S=118（mm）， =3.856（L）；發(fā)動機過量空氣系數(shù)=1.7；容積系數(shù)=0.98；掃氣系數(shù)=1.02；掃氣過量空氣系數(shù)=1；1.2.2 廢氣在單級渦輪內的膨脹過程及效率為了計算廢氣在單級渦輪內的膨脹過程，常利用IS圖來分析廢氣在單級渦輪內的膨脹過程，IS圖繪出了廢氣的膨脹過程在圖點相當于廢氣進入噴嘴環(huán)的狀態(tài)，由于廢氣進入噴嘴環(huán)時的速度，它的動能為。廢氣進入噴嘴環(huán)時的狀態(tài)用滯止參數(shù)表示（點），=，即=+。圖2-1廢氣在單級渦輪內的膨脹過程圖IS當廢氣的初始狀態(tài)為、在單級渦輪中膨脹時，壓力由降

7、到。如果，廢氣在單級渦輪中按理想過程進行膨脹，就沿著圖中和線段進行。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，可以認為在過程中沒有流動損失及與外界沒有熱量交換。此時廢氣的焓降是，以H表示，即H=。它表示在單級渦輪中進行的膨脹功，通常稱為絕熱膨脹功（或稱可用焓降），即廢氣在單級渦輪中所作功的最大值。1）絕熱膨脹功它表示在單級渦輪中進行的膨脹功，即廢氣在單級渦輪中所能作功的最大值4。 （J/kg） （21） （22）式中 為廢氣絕熱指數(shù)，=1.33；為廢氣氣體常數(shù)，=29.2；滯止溫度，=303（K）；增壓比，=1.82；（J/kg）2）、渦輪的驅動功率 （kW） （23）式中 為廢

8、氣每秒鐘進入渦輪的流量，=1.3；單位時間內通過柴油機的空氣量； () （24）()式中 ；()；（kg）；式中 渦輪增壓器的機械效率，取值范圍0.950.99，取=0.97；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焓降之比。一般取值范圍0.750.80，取=0.78；渦輪實際輸出的有效功率；3）渦輪的反作用度在渦輪中常用反作用度來表示廢氣的可用焓降H在噴嘴環(huán)和工作輪之間的分配比例。 反作用度是工作輪中絕熱焓降與可用焓降H的比值。 由 得 因此，值的大小，說明廢氣在工作輪內膨脹多少。如果廢氣的焓降全部在噴嘴環(huán)中完成，而在工作輪中不在膨脹，此時，=0，這種渦輪成為沖擊式渦輪。它表示

9、作用在工作葉片上的力，完全是由于氣流運動方向的改變（因相對速度不變），即是氣流沖擊作用的結果。如果廢氣的焓降不完全在噴嘴環(huán)中膨脹，而有一部分在工作輪內膨脹，則 ，這種渦輪成為反作用式渦輪。此時，因氣體相對加速度增加所產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，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和相對加速度，從而減少了流動損失，提高了渦輪的效率。 （J/kg） （25）取 =0.44；（J/kg）；4）渦輪機的膨脹比 （26）式中 為渦輪機前的廢氣滯止壓力，=79.5（）；為氣

10、體背壓，等于1.5倍的大氣壓力，（）；5）噴嘴環(huán)出口絕對速度 (m/s) （27）速度系數(shù)，一般徑流式渦輪的取值范圍0.940.97之間，取=0.96；（m/s）；6）噴嘴環(huán)出口氣體溫度 (K) （28）式中 為噴嘴環(huán)進口溫度，=728（K）；為廢氣氣體常數(shù)，=29.2；（K）；7）噴嘴環(huán)出口氣體壓力 （29）式中 噴嘴環(huán)進口壓力（渦輪進口燃氣壓力），=79.5（kPa）；（kpa）；8）噴嘴環(huán)出口氣體重度 （210）9）噴嘴環(huán)出口截面積 （） （211）10）選擇噴嘴環(huán)為6個，工作輪葉片也為6片，由此可以計算出大圓半徑r r2 6Fr （212）r=4 (cm)2廢氣渦輪工作輪工藝設計2.1

11、葉輪在材料工作輪的材料選擇鋁合金，鋁合金質量輕。采用鑄造的方法可以降低成本，并且可以大批量的生產，減少加工工藝，設計成星形可以更好的減輕重量、減小工作輪轉動慣量，提高強度改善加速性能。 2.2材料的獲得將所需的鋁合金熔化成液態(tài)，因為鋁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選擇具備可塑性，強度、耐火度、透氣性和退讓性。使用機器造型，這樣可以大大節(jié)省人力，也可以使零件接近標準化，方便大批量生產。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，再對葉輪進行熱處理，可以提高強度，方便機加工。得到所需的機械強度要求。最

12、后進行機加工，取適當?shù)钠?，最終得到所需的零件3 結論根據(jù)發(fā)動機的參數(shù)確定增壓參數(shù)：增壓比、流量、增壓壓力，根據(jù)壓氣機與渦輪機的功率平衡壓氣機與渦輪同軸轉速相同計算出渦輪的流量、轉速、有效效率、渦輪膨脹比、渦前溫度、驅動功率等使渦輪機能夠有充分功率驅動壓氣機使其達到增壓的效果。在整個的設計過程中，使大學所學的課程更加扎實，并且學了一些沒有學過的理論。但是，在設計過程中用到的一些理論并不完善有待于學習和提高。在整個設計的過程中，由于時間關系有些參數(shù)在計算和選擇過程中，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)沒有進行理論的計算，只是進行了選型設計。需要在以后的工作中去提高。參考文獻1 孫軍，汽車發(fā)動機原理M.合肥：安徽科學技術出版社，2001.01.2 過學迅，鄧亞東.汽車設計M.北京：人民交通出版社，2005.8.3 蘇猛，李風平屈振生，張士慶.機械圖學M.沈陽：東北大學出版社，2000.10.4 宋首信，內燃機增壓技術M.同濟大學出版社.北京1993.9.5 劉惟信，汽車設計M.北京清華大學出版社，2001.6 王望予，汽車構造（第四版）M.北京：機械工業(yè)出版社，2003.7 陳家瑞，汽車構造（第四版）M. 北京：人民交通出版社，2004.8 范迪彬，汽車構造M.合肥：安徽科學技術出版社，2000.9 于志生，汽車理論（第三版）M.北京：機械工