废气涡轮增压器结构设计.doc

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中文题目：

废气涡轮增压器结构设计

外文题目：

Exhaustturbochargerstructuredesign

毕业设计（论文）共67页（其中：

外文文献及译文36页）图纸共3张

完成日期2010年6月答辩日期2010年6月

摘要

涡轮增压器能在发动机排量不变的情况下，提高其动力性能，降低尾气排放，最初主要用于柴油发动机。

最近，汽油发动机也越来越多地安装了涡轮增压器。

Turbo，即涡轮增压，简称T，最早时候由瑞典的萨博（SAAB）汽车公司应用于汽车领域。

现在很多人都知道了，涡轮增压简称TURBO，如果在轿车尾部看到TURBO或者T，即表明该车采用的发动机是涡轮增压发动机。

这些汽车的发动机工作，是靠燃料在发动机气缸内燃烧作功，从而对外输出功率。

在发动机排量一定的情况下，若想提高发动机的输出功率，最有效的方法就是多提供燃料燃烧。

然而，向气缸内多提供燃料容易做到，但要提供足够量的空气以支持燃料完全燃烧，靠传统的发动机进气系统是很难完成的。

关键字：

涡轮增压；气缸内燃烧；燃料

Abstract

Turbochargerscanimproveengines’powerperformanceandreduceexhaustemissionswithoutchangingtheircapacity.Theyweremainlyusedindieselenginesfirstly.Turbo,namelytheturbocharging,iscalledT,mostearlytime（SAAB）theCarcompanyappliesbySweden'sSabointheautomobiledomain.Manypeoplehaveknownnow,theturbochargingiscalledTURBO,ifsawinthepassengervehiclerearpartTURBOorT,namelyindicatedthisvehicleusestheengineistheturbochargingengine.Theseautomobile'senginework,ismakesthemeritdependingonthefuelintheenginecylinderinternalcombustion,thusforeignoutput.Inenginecapacitycertainsituation,ifwantstoraiseengine'soutput,themosteffectivemethodprovidesthefuelburningmuch.However,providesthefueltotheaircylinderineasilytodo,butmustprovidetheenoughquantitytheairtosupportthefueltoburncompletely,isverydifficulttocompletedependingonthetraditionalengineairintakesystem.

Keywords:

Turbo;Aircylinderinternalcombustion;Fuel

目录

1.废气涡轮增压概述 1

1.1废气涡轮增压器的背景 1

1.2废气涡轮增压器产业的技术发展 2

1.3废气涡轮增压器原理 3

2废气涡轮增压器压气机结构设计 6

2.1压气机的结构 6

2.1.1进气道 6

2.1.2压气机叶轮 6

2.1.3扩压器 7

2.1.4压气机蜗壳 7

2.2压气机的主要工作参数 8

2.2.1设计的原始数据 8

2.3离心式压气机的结构设计 8

2.3.1进气道 9

2.3.2导风轮的初步设计 9

2.3.3叶轮（工作轮）的初步设计 12

2.3.4扩压器的初步设计 15

2.3.5其他参数设计计算 16

2.3.6对初步设计进行校核 16

3废气涡轮结构设计 18

3.1废气涡轮结构 18

3.2工作轮结构设计 19

3.3相关参数设计 20

3.3.1设计的原始数据 20

3.3.2废气在单级涡轮内的膨胀过程及效率 20

4废气涡轮增压器主轴轴承以及其它装置的研究 24

4.1废气涡轮增压器主轴 24

4.2废气涡轮增压器主轴轴承 24

4.3废气涡轮增压器主轴轴承的润滑和冷却系统 25

4.4废气涡轮增压器密封和隔热系统 26

5经济性分析 27

6.总结 28

致谢 29

参考文献 30

附录A译文 31

附录B外文文献 44

辽宁工程技术大学毕业设计（论文）

29

1废气涡轮增压概述

1.1废气涡轮增压器的背景

说到涡轮增压技术，它已经有100多年历史了。

在1905年AlfredBuchi博士就申请了第一款涡轮增压器的专利——动力驱动的轴向增压器。

到了1961年，小轿车开始试探性地安装增压器，但因为瞬间产生的巨大压力和热量，使安装后效果并不理想。

而来自于北欧瑞典的Saab萨博公司则是第一家把涡轮增压器应用到汽车产品上的汽车制造商，1977年问世的Saab萨博99汽车，使汽车发动机在应用涡轮增压技术上，真正开始走向成熟，它的到来同时宣告了汽车产业一个新时代的诞生。

涡轮增压技术改写了“排量大小决定功率”的传统概念目前，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。

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【1】。

1.2废气涡轮增压器产业的技术发展

我国吴仲华先生创立的叶轮机械三元流理论，随着计算机技术的迅速发展得到了广泛的应用。

目前采用准二维设计方法设计离心式压气机与径流涡轮已经很普遍。

因全于元流方法可以更准确、更全面地描述叶轮内部流场，利用它对各种损失模型与叶轮内部流场的深人研究已经取得很大成绩，现已成为涡轮增压器叶轮设计的基本方法。

我国近年也开始进行空气动力学计算、只元流场分析、叶轮及叶型设计、强度分析及性能预测等等。

就设计方法而言，下一步的发展一是取决于理论上的突破，二是计算机技术的发展。

我国的增压器工业的设计与制造技术正处在“发展中”状态，而西方国家已经达到了“发达”状态今天的涡轮增压器的结构已经相当紧凑、合理、完善，材料性能的提高对涡轮增压器性能、成本的贡献是相当大的。

可喜的是近年来高新技术材料应用研究进展很快，对增压器的发展起着非常重要的作用TiAl合金作为一种新型的高温材料，密度小（约3.7-3.9g/cm'，只有镍基高温合金7.8-!

3.3g/cm`的二份之一左右）、高温强度及抗氧化性好，用于涡轮增压器可以大幅度降低其转动惯量，提高其瞬态响应性。

采用高频感应快速熔化浇铸工艺铸造涡轮叶轮已经成功，采用粉末冶金成型方法也已制成涡轮毛胚另外值得重视的是，压气机进气端与滤清器结合.采月]静电滤清、进气预旋等措施提高滤清效果与拓宽压气机流量范围.

总的说来，经过几十年的发展，涡轮增压器的产品基本结构趋向一致，但小型化与运用新技术优化结构却方兴未艾。

社会发展对发动机提出了越来越高的要求，其必然对涡轮增压器提出相应的要求。

由于制造工艺水平的提高，使流量范围更广、效率更高、结构更复杂的涡轮增压器制造成本降低，大批量生产成为可能。

而新的发明创造有使涡轮增压器产品结构简单化的倾向。

就单个滤清器、增压器、中冷器及进排气管道来说，分别提高他们的效率是早期的设计师们的工作，今天再要大幅度提高其效率是不可能的，而将他们的相互接口进行优化，将他们作为一个整体、一个系统来考虑却是大有可为的。

这就是“涡轮增压器系统”的意义。

美国Honcywell,德国KKK公司（现在的BorgWarner公司）等在这个方面作了大量的工作，取得了很好的效果。

如增压器的涡轮壳与发动机排气管做成一体，压气机的出口与中冷器进口合二为一，简化了结构、减少了气体流动损失，同时利用计算机技术研究分析气体在它们中的流动状态，尽量减少各种损失，改进设计，优化整体系统结构，使之右，局合理、紧凑，重量轻，总效率最高。

涡轮增压器经历了基本型、增压空气控制旁通放气、可变几何或可变截面、电子控制涡轮增压器等阶段，涡轮增压器的结构相对越来越复杂，但适用范围越来越宽、效率越来越高。

瑞士ABB公司的轴流式涡轮增压器VTR..4E总效率达75%0日本的涡轮增压器在小型化方面处于世界领先地位，如三菱公司、石川岛播磨公司均有压气机叶轮直径为小34mm的小型增压器用于摩托车或汽油机，但BorgWarner公司于200。

年推出了涡轮直径为帕lmm的kP31涡轮增压器，这是当今界最小的系列化增压器产品。

在结构可靠性方面，以BorgWarner公司增压器见长，他们保持了德国KKK公司传统，注重实效，如K27压气机后弯叶轮的设计与应用。

80年代初期，前倾后弯压气机叶轮刚刚投放市场，其铸造工艺较复杂，制造成本较高，疲劳寿命较低。

为了既保证可靠性又保证其效率、降低成本，KKK采取后弯加一叶尖圆弧而非前倾的设计，实践证明效果良好。

在涡轮增压器轴承结构方面，早先是采用滚动轴承，然后发展到滑动轴承、全浮动轴承。

浮动轴承的优点很明显:

尺寸小、结构简单、磨损小、效率高，虽然使用要求较清洁的润滑油、对润滑