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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，handling
AbstractⅡ
第1章绪论10
1.1概述1
1.1.1发动机进气增压技术简介1
1.1.3发动机进气增压的基本原理2
1.2进气增压系统的分类及简介5
1.2.1进气增压系统的分类5
1.2.2进气增压系统简介6
2.1涡轮增压器的工作原理10
2.2涡轮增压器设计的一般步骤10
2.3确定流量。
12
2.4进气压力的计算14
2.5压气机等熵效率16
2.6径流式压气机17
2.6.1简单式涡壳设计17
2.6.2叶轮设计参数19
2.6.3叶轮轮盘与叶轮应力20
2.6.4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24
3.1动力涡轮设计的一般步骤24
3.2涡壳设计原则25
3.2.1进口喷嘴25
3.2.2无叶间隙25
3.3叶轮叶片设计原则26
3.4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28
4.1涡轮增压器与发动机匹配特性28
4.2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涡轮增压的发展方向
在早期，涡轮增压器首先在大功率发动机上得到应用。
由于涡轮增压器属于叶片机械，随着叶轮直径的减小，叶片的机械效率是下降的，随着空气动力学的深入，解决了在小叶轮下仍能保持较高效率，有了向小功率发动机和汽油机发动机发展的可能性。
小结
涡轮增压器的工作原理如图2-1，涡轮增压器主要由三个部分构成，压气机涡壳、涡轮涡壳、用同一轴连接的两个叶轮。
其工作原理为：
利用汽车发动机排出的废气作为工作物质推动涡轮旋转，旋转运动通过两叶轮中间轴传递到压气机叶轮，由压气机叶轮对进入汽缸的空气进行压缩以达到提高进气密度的目的。
图２－１涡轮增压工作原理图
2.2涡轮增压器设计的一般步骤
（2）在确定叶轮进其口顶部的最小相对马赫数下进行导风轮进口的最优化计算。
对于不同的叶轮转速有一最小相对马赫数。
通过叶轮顶部速度和比转速所确定的压气机转速来计算叶轮顶部直径，因为叶轮顶部速度是压气机压比，压气机等熵级效率和能量输入系数的函数，而他们又分别与滑移系数旋流系数和叶片后掠角有关，所以名义上假定后三个参数不变来进行最优化分析。
（3）旋流系数取决于扩压器的形式的选择。
叶片后掠可以提高级效率和级的稳定性。
但增加了叶轮的总直径，从而增加了叶轮重量、惯性矩和叶片根部弯曲应力。
因此，先在效率和流量范围、力学特性和加速性之间进行折中考虑，再选择后掠角度。
叶轮顶部宽度是利用假定的旋流参数和能量输入系统，从连续方程估算。
然后利用叶轮出口状态做为扩压器计算的输入数据。
在无叶扩压器的情况下将注意力集中于对旋流参数的选择，以保证大的稳定流量范围。
由估计的各种级效率的损失，可以计算等熵级效率和叶轮效率。
这样对于若干名义上固定的参数，可以估计压气机的最佳转速。
（4）对于选择的叶轮转速需作进一步的分析，以便使上述名义上固定的参数达到最佳值且可进一步核对应力、惯性和成本。
根据一元流最优化分析确定压气机主要设计参数和整个几何尺寸之后，下阶段是确定叶轮三元流叶片的几何形状。
通过将冲角与计算出的相对进气角相加来选择导风轮进气边叶片角，这些冲角通常利用已充分证明了的轴流式压气机方法确定。
在叶型设计方面，通常利用径向叶片结构，以避免在叶轮叶片根部产生弯曲应力。
然后利用准三元留分析检验叶片和流道形状，修改叶片形状或者增加叶片数以获得合理的叶片载荷。
（5）叶轮叶片气动设计的最后工作是作叶轮的应力分析和叶片震动校核，以免引起共振。
2.3确定流量。
压气机空气进气流量由公式
（2-1）
确定。
其中参数由以下公式推导出：
（2-2）
式中 ——燃料低热值；
——涡轮前热量利用系数；
——燃油消耗率，（kg/kW×h）；
——总空气过量系数；
——为汽油机在时进气管内摩尔定压热容，kJ/mol×K；
——理论分子变更系数；
——为燃烧1kg燃料所需理论空气量；
——涡轮进口处燃气平均温度时摩尔定压热容。
=8.315+（2-3）
=27.59+0.0025（2-4）
式中 =44000kJ/kg
公式（2-2）中的机械效率由公式（2-5）得出
=（2-5）
（2-6）
式中 ——平均活塞速度。
其中
=3.845R（2-7）
根据半经验公式：
（2-8）
（2-9）
S——活塞行程；
——进气管温度。
得出结果 。
2.4进气压力的计算
通过以上计算算出空气质量流量范围后，需要多大的增压压力才能保证有这么多空气进入气缸
将公式（2-10）,（2-11）带入（2-12）
（2-10）
（2-11）
（2-12）
由此可以确定增压压力＝2.932～2.934MPa。
式中 ——冲程数四冲程=2；
R——气体常数，R=287J/（kg×K）；
n——转速；
i——气缸数；
——气缸工作容积。
涡轮当量喷嘴面积轮前平均排气压力
（2-13）
式中 ；
；
——排气流量；
；
——大气压力；
——大气温度；
。
（2-14）
式中
——喷嘴环出口气密度；
——动叶出口气密度。
采用几何当量喷嘴环面积乘以总流量系数为当量面积
=（2-15）
2.5压气机等熵效率
图（2-2）压气机焓熵曲线
压气机等熵效率
＝87.42% （2-16）
＝87.87%（2-17）
2.6径流式压气机
2.6.1简单式涡壳设计
若忽略空气和扩压器壁面之间的摩擦，则空气进入扩压器的动量矩不变，由此得：
取一任意断面a。
对于等宽径向无叶扩压器：
（2-18）
（2-19）
式中 ——断面面积；
——为气道宽。
简单形式扩压器由两平行壁组成，其运行范围宽，成本低，耐腐蚀，耐污染。
扩压器参数由四个重要参数协调选取：
面积比（平行壁面积之比）、进口旋流参数、进口马赫数、摩擦宽度参数。
对不可压缩流动旋流最佳值取２。
而根据实际情况，在本设计小型增压器上考虑在增压比保持一定数值的情况下，其外型应尽量紧凑，所以b值取3.5mm。
蜗壳的功用仅是集中扩压器出口气流并尽可能高效地将气流引导到出口管而不妨碍扩压器的效率。
假如忽略在蜗壳中的摩擦，可以根据气流动量矩保持不变来设计。
由此，切向速度乘以半径为一常数：
（2-20）
考虑通过蜗壳中在半径r和位置处的一个单元体的流量
则有:
（2-21）
在位置处蜗壳面积总流量为:
（2-22）
假定出口四周气流分布均匀则输出总容积流量:
（2-23）
（2-24）
从而可以估算出蜗壳截面积=。
2.6.2叶轮设计参数
叶轮的设计参数包括气动参数和几何参数。
（2-25）
式中 ——实际出口面积；
——叶轮顶部平均叶片厚度；
Z——叶片数；
——叶轮顶部宽度。
叶轮出口旋流为一重要气动参数，其与叶轮出口轴向深度成正比，影响叶轮以及括压器的形状。
根据连续方程得出：
（2-26）
对于无叶扩压器取值在2-3之间得出=20.47mm。
叶片后掠角选择叶片由选取规则叶片数小则压力梯度高，叶片数大则滑移系数增加，引起表面摩擦损失较大，最佳叶片数受导风轮进口阻塞和制造条件限制。
根据小型车用增压器经验取Z=12较为合理。
2.6.3叶轮轮盘与叶轮应力
假定轮盘任意一点应力是由内部离心载荷产生的应力和叶轮轮毂内径到顶部的温度梯度所引起的载荷的代数和。
将圆盘分为一系列薄空心圆筒，假定相当于圆筒的叶片单元作为单独加载体。
假定所考虑叶轮单元体为均匀空心筒，在内径处由离心载荷引起的径向应力
（2-27）
切向应力
（2-28）
——叶轮转速；
——泊桑比；
式中 ——后掠角；
由破坏实验得出，由弹性理论计算的圆盘最大应力并不总代表极限准则。
叶轮转速增加，最大应力超过材料弹性极限发生塑性变形，减轻了局部应力。
圆盘任意一点切向应力达到材料拉伸极限应力时原盘破裂。
以塑性变形理论为基础的破裂速度准则用以计算叶轮的最大安全转速。
假定叶轮破成相等两部分，则半个叶轮旋转产生离心力为
（2-32）
式中 ——叶轮破裂角速度；
——轮盘厚度。
假定最大破裂力
（2-33）
定义安全破裂系数 则联立以上方程得
（2-34）
铝制叶片破裂系数根据书本经验数据可选。
小结
压气机流量参数为：
流量范围0.048——0.264kg/s，最高压比2.9；
3.1动力涡轮设计的一般步骤
定压增压系统所用的径流式涡轮的设计步骤，原则上类似于离心式压气机所叙述的步骤。
（1）设计的第一步，利用一元流分析确定涡轮各个部件的主要几何尺寸。
对额定工况的流量、进口压力和温度、进气壳体和喷嘴环喉部面积，可以从连续方程估算。
（2）但是，喷嘴出口处的热力状态必须知道，为此，标准的方法是首先确定转子进口气体热力状态。
根据能量转换，假定级的反作用度和最佳叶片速比，可以计算出转子进出口速度，进口状态被确定。
（3）然后，就可以估算出喷嘴以及进气壳几何尺寸，以保证进口能和喷嘴环的流动相匹配。
在转子子午面上以缓和的曲率选定轮毂壁面型线，同时确定转子叶片数目。
转子罩盖壁面型线的选取要保证从转子进口到出口逐渐加速。
通常为了避免叶片根部弯曲应力过大，常常采用纯径向叶片的转子。
出口导风轮叶片的最大高度，将受到转子材料蠕变应力机械按的影响。
（4）转子设计的下一步关键任务是一旦确定叶片形状，利用准三元流动理论，计算出叶片角的分布和轮毂以及轮盖面的外型，并作为指导，来把气流分离区消除或减至最小。
目前增压器所用的涡轮有两种形式：
径流式涡轮和轴流式涡轮。
径流式涡轮主要用于
小型汽车或卡车的增压器上；轴流式常用于大型增压器上。
径流式涡轮从外表上看类似于离心式压气机，但气流的向心流动和喷嘴叶片代替了扩压器叶片，主要应用于小型汽车用涡轮增压器上。
其最大的优点是在尺寸很小时，仍有相对较高的效率，能有效处理高膨胀比，而且坚固、价格低廉。
径流式涡轮由进气壳、喷嘴环、小无叶间隙和叶轮组成。
3.2涡壳设计原则
涡壳的作用将取决于涡轮是否有喷嘴环。
如果有喷嘴环则涡壳仅仅起着向喷嘴输送均匀气流的作用。
用螺旋型涡壳比较有利，其可用动量矩为常数的不可压缩流动理论进行设计
（3-1）
由上述公式可计算出涡壳通流面积，涡壳横截面的面积随方向角和平均半径的减小而减小。
当螺线沿圆周向内弯曲时平均半径随之变小。
给运行有特殊要求的发动机匹配的涡轮增压器，需要有在转子顶部调整气流角的方法。
如果采用了进气喷嘴只要简单以一具不用叶片安装角的喷嘴环就可以满足要求。
3.2.1进口喷嘴
3.2.2无叶间隙
由于机械和制造的原因，喷嘴出口和转子顶部之间通常有无叶间隙，但希望要小否则采用进口喷嘴的优点就可能失掉。
本设计中无叶间隙根据书本经验取为0.2mm。
3.3叶轮叶片设计原则
通过一元流分析可以检校转子流道几何形状，以保证沿着流道气流逐渐加速的速率。
转子出口轴向部位称为“出口导风轮”。
转子排气的绝对速度动能在没有排气扩压器的情况下都被损失掉了，因此希望出口导风轮顶部直径处尽量大，以使排气速度减小到最小值。
但应该综合考虑以避免出口导风轮顶部相对马赫数过大，故对导风轮的外径存在一个限制条件。
为了保证气体在所要求的角度下流出转子，导风轮的叶片要有逐渐弯曲的形状和一定的叶片覆盖度。
尽管没有精确的方法计算出转子的最佳叶片数，据经验得出估计最小叶片数的准则。
由于转子流道内的相对涡流，使得叶片吸力面和压力面的径向速度不一样。
最小叶片数应当这样选取：
要使流道内没有一处径向速度变为负值。
极限情况（径向速度为零）可能发生在转子顶部。
根据选取原则和实物标准本设计中涡轮叶片数取12。
通过本设计确定出的涡轮增压器各项尺寸为：
压气机整
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