涡轮增压器设计毕业设计

摘要目前，发动机广泛采用涡轮增压技术，增压已成为提高发动机动力性、改善其经济性和排放的有效措施，在车用发动机领域，汽油机也逐渐较多地采用涡轮增压技术。尤其对于小排量汽油发动机，采用涡轮增压技术更是得到了国内外的广泛关注。本篇设计叙述了涡轮增压器的原理与各个组成部分参数的选取原则，通过计算，对涡轮增压器各个部分进行分析，设计主要内容包括：通过能量流动计算得出压气机叶轮设计参数，涡轮叶轮设计参数，压气机壳体设计参数，涡壳壳体设计参数，喷嘴环设计参数，中间轴的设计参数。AtPresent，theenginedesignwidelyusestheturbochargingtechnology.Theturbocharginghasbecometheimportantmeasuresinincreasingtheenginedynamicperformance，improvingtheeconomicsandtheemission.Inthevehieleenginearea，thegasolineengineappliesmoreandmoretutbochargingtechnology.Especialyforthesmalldisplacementgasolineengine，theaplieationofturbochargingtechnologyhasdrawnmoreandmoreattentionbothathomeendabroad.Theturbochargerhasamarkedcompresseffectwhentheenginerunsinahighspeed,ithasaneffectivewayonincreasingtheenginepower.Theturbochargerworksdependsontheoutletgasofenginewhichtopressthepowerwheelconnectingtheshaftbywhichtoletthepresswheelrun,thenthepresswheelpressurizestheinletairsendthemintothepipeoftheengineinletsystem.Bythecalculationoftheturbochargerthespecificationintroducestheprinciplehowtodesigntheconstructionoftheturbocharge.Thisspecificationmainlyincludes:achievethepresswheeldateofdesignbythecalculationoftheheatcircle,achievethedesigndateofthepowerwheel,designoftheshellsoftheturbocharger,designoftheinletringandthedesignofthemiddleshaft.Keyword:turbocharger，engine，operatingprinciple，handlingAbstractⅡ第1章绪论101.1概述11.1.1发动机进气增压技术简介11.1.3发动机进气增压的基本原理21.2进气增压系统的分类及简介51.2.1进气增压系统的分类51.2.2进气增压系统简介62.1涡轮增压器的工作原理102.2涡轮增压器设计的一般步骤102.3确定流量。122.4进气压力的计算142.5压气机等熵效率162.6径流式压气机172.6.1简单式涡壳设计172.6.2叶轮设计参数192.6.3叶轮轮盘与叶轮应力202.6.4轮盘与叶片振动22小结23第3章涡轮增压器动力涡轮设计243.1动力涡轮设计的一般步骤243.2涡壳设计原则253.2.1进口喷嘴253.2.2无叶间隙253.3叶轮叶片设计原则263.4涡轮转子叶片应力和叶片振动分析26小结26第4章增压系统与发动机的匹配及轴承的选择284.1涡轮增压器与发动机匹配特性284.2轴承的润滑与冷却方式28小结28结论30参考文献33附录135附录238第1章绪论1.1概述1.1.1发动机进气增压技术简介近年来,发动机进气增压技术已经成为国内外内燃机发展的重要方向之一,过去增压技术主要应用于柴油车上,现在汽油机上也开始大量采用增压技术,这是因为发动机进气增压技术具有许多优点:1.能够提高发动机升功率—提高了发动机的动力性;2.能够降低发动机比油耗和比质量—提高了发动机的经济性;3.能够减轻发动机排气污染—提高了发动机的排放性;4.能够扩大发动机变形系列等。几十年来，世界各国一直十分重视对发动机增压技术得研究，这使增压技术得到迅速发展。随着增压器设计和工艺水平得提高，高温耐热材料的解决，增压器的性能和使用寿命大为提高，体积和质量显著减少，从而使汽车发动机增压技术获得迅速发展。在国内，今年来对汽车发动机增压也同样做了大量得研究工作，并取得了显著的成效。1.1.2增压技术在国内外的发展状况国外涡轮增压技术在发动机中的应用己有80多年的发展历史。20世纪30年代至60年代汽车和轿车的发动机开始使用增压技术。由于增压技术的发展，高效、价廉的废气涡轮增压器的出现，对内燃机低油耗、高功率的需求以及日益严格的排放法规限制，使20世纪80年代以来的内燃机广泛地采用了增压技术，成为内燃机的重要组成部分。我国汽车工业起步较晚，对增压技术的研究更晚。但随着我国汽车工业的不断发展，技术水平的不断提高，对发动机增压也进行了大量的试验研究。1954年，针对西藏高原行车特点，我国有关部门对机械式增压进行了实地实验研究。1958年后，又对废气涡轮增压进行了实验研究。并先后在6350G、4135G、6446G等原有柴油机型上进行了废气涡轮增压的匹配试验研究，取得了可喜成果，并将它们列为产品。我国是具有高原、平原、丘陵等综合地形的国家。汽车在高原行驶，其动力性能降低很多。试验表明，当海拔每升高1000m，发动机的功率将下降8%～12%。若在青藏高原上对发动机进行涡轮增压，即可将其功率恢复到平原地区水平。因此对高原使用的发动机进行增压，具有重要的国防意义和经济价值。此外，在海拔低的平原丘陵地区对发动机增压，可改善发动机的性能，对大力发展拖挂运输，提高生产率，节约燃油，仍具有相当重大得现实意义。总之，发动机进气增压技术是提高发动机升功率、改善其积极性的重要途径，是内燃机中亚发展趋势之一。1.1.3发动机进气增压的基本原理(1-2)——发动机指示效率——发动机机械效率——发动机的充气效率——气缸中的充气密度式中及是常数，而对于非增压四冲程柴油机=0.43～0.50，=0.78～0.85，=0.80～0.90。三个效率的提高是有限的，于是非增压柴油机的强化主要是靠减小来实现的，但是过分减小会导致发动机热应力提高，燃烧过程恶化，冷却系带走的热量增加，使发动机的指示效率下降。2.发动机进气增压的衡量指标所谓增压，就是利用专门的装置（增压器）将空气或者可燃混合气预先进行压缩，再送入发动机汽缸的过程。虽然气缸的工作容积不变，但因增压后，每个循环进入汽缸的新气密度增大，使实际充气量增加，这样可以向缸内喷入更多的燃料进行燃烧，因此提高了发动机的升功率和总输出功率。指标主要有两个：增压度和增压比。（1）增压度。是指发动机在增压后功率的增加量与增压前的功率之比，用表示。(1-3)式中——增压后的充气密度——增压前的充气密度由公式可以看出，增压度的大小取决于充气密度的提高程度，而故充气密度的提高，除了提高进气压力以外，还可以降低进气温度。于是为了增强增压效果，特别是在高增压情况下需要采用进气冷却措施，中冷除了可以提高充气密度以外还可以相应降低排气温度，并对降低发动机热负荷也是有利的。关于增压程度的划分目前尚无统一的规定，但通常以增压压力划分。（2）增压比。为压气机出口压力与进口压力之比，即——压气机的进口压力。也可用增压比来确定发动机的增压程度。1.2进气增压系统的分类及简介1.2.1进气增压系统的分类发动机增压系统是指实现发动机增压所需附件的组合体,其中以增压器为最基本的附件.增压器一般都是由驱动部分和压气部分组成的,其分类方法有很多种.1.按增压的工作原理分①机械驱动式增压系统。是压气机由发动机曲轴通过带、齿轮、链等传动装置直接驱动的增压方式。②废气涡沦增压系统。是利用发动机排出的废气的能量来进行增压的。③.复合式增压系统。除了采用涡沦增压系统外，还辅以机械增压。④进气谐波增压系统。该系统不用增压器，而是利用空气在进气管中的波动效应和惯性效应来达到增压的目的。⑤其他增压系统。包括气波增压系统、冲压式增压系统，还有利用排气管的引射作用来增加进气量的方法也属此例。2.按压比来分可分为低增压、中增压、高增压和超高比增压。一般划分的范围为:低增压0.18Mpa(Pe=0.8～1.0Mpa)中增压=0.18～0.25MPa(Pe=0.9～1.SMPa)高增压=0.25～0.35Mpa(Pe=1.4～2.2MPa)超高增压0.35Mpa(Pe2.0Mpa)1.2.2进气增压系统简介1.机械增压:早期较多采用离心式压气机，近来发展了各种转子式、叶片式增压器。Ps一般不超过0.17MPa，否则压气机消耗功率过大，使整机的机械效率下降，导致燃油消耗率增加过多。由于机械增压时，排气背压远远低于涡轮增压，所以机械增压发动机的加速性优于涡轮增压，且发动机的泵气损失小。在增压器发展史上，早期多采用机械增压，后来被新发展起来的涡轮增压取代，近来因为汽油机的转速范围越来越宽，涡轮增压器与其匹配存在一定的困难，再加上小轿车对加速性的要求也越来越高，涡轮增压器己难于胜任，于是又重新启用机械增压。而且目前小汽油机转速高达4000～6000min，新发展的机械增压器转速也只有10000r/min左右，只需传动比为2左右的皮带传动即可，小发动机的增压度不高，Ps＜0.17Mpa，这正是机械增压器的适用范围。2.涡轮增压:利用发动机排出的废气能量驱动涡轮，再由涡轮带动离心式压气机的方案。优点在于:（1）发动机重量和体积增加很少情况下，发动机不需作重大改变很容易提高功率20%~50%。由于不像机械增压时压比受到限制，故近年来高增压的趋势越来越明显。高增压时功率提高甚至可大于100%。（2）由于废气能量的收回发动机经济性会明显的提高一般由于废气能量的回收能提高经济性3%～4%，再加上相对地减少了机械损失及散热损失，提高了发动机机械效率和热效率使发动机涡轮增压后油耗率降低5%～10%。（3）涡轮增压发动机对海拔高度的变化有较高的适应力，在高原地区工作时比不增压发动机功率下降要少的多，故涡轮增压除了用来提高发动机功率，外还可用作高原发动机恢复功率。（4）涡轮增压后排气噪声相对减少，排气烟度及排气中有害成分也减少，故对减少污染是有利的。（2）与机械增压相比，涡轮增压时热负荷问题较严重。（3）对大气温度及排气背压比较敏感，故经常在高背压下工作的发动机不宜采用涡轮增压。1.3发动机增压的发展状况目前普遍使用的增压器转速范围为60000～120000r/min左右，最高的转速如三菱重工生产的TD-02涡轮增压器转速以达260000r/min，最高压比可达3～３.5，个别的如法国小型涡轮公司生产的TCS14型增压器压比接近5，它用于低压缩比的超高增压发动机。在成批量生产的涡轮增压器中，己公开发表的最小叶轮直径为34mm最小的质量仅为2kg，它可用于排量为150mL的7.4Kw小型发动机的增压，叶轮140mm以下的增压器，压气机最高效率可达=0.78～0.80增压器总效率可达=0.55～0.60。增压发动机在高速四冲程柴油机领域内平均有效压力最高可达=3.14Mpa，最低油耗率在绝热发动机上可达163g/(kw.h)，在车用发动机上实际大到的较好水平是Pe=1.37～1.76Mpa，=197～210g/(kw.h)。1.3.2涡轮增压的