廢氣渦輪增壓器渦輪結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)

目錄TOC\o"1-3"\u前.言11廢氣渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)21.1工作輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)21.1.1工作輪結(jié)構(gòu)21.2相關(guān)參數(shù)計(jì)算21.2.1設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)21.2.2廢氣在單級(jí)渦輪內(nèi)的膨脹過(guò)程及效率22廢氣渦輪工藝設(shè)計(jì)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(jié)論8參考文獻(xiàn)9前言1905年瑞士工程師波希(AlfredBuchi)首先提出渦輪增壓柴油機(jī)概念，這是一件對(duì)內(nèi)燃機(jī)開(kāi)展具有深遠(yuǎn)意義的大事，五十年代以來(lái)，渦輪增壓技術(shù)在國(guó)內(nèi)外均得到飛速的開(kāi)展，它已經(jīng)成為增加內(nèi)燃機(jī)功率，降低單位功率重量，降低制造本錢(qián)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(dòng)機(jī)上得到推廣以后，更有了突飛猛進(jìn)的開(kāi)展。目前，己被世人公認(rèn)為內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的開(kāi)展方向之一，迄今仍保持著方興未艾的開(kāi)展勢(shì)頭。渦輪增壓是一項(xiàng)新技術(shù)，幾十年的開(kāi)展歷史有力地說(shuō)明，渦輪增壓是提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和改善經(jīng)濟(jì)性的最有效措施，也是發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化的必然途徑，它已成為當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)開(kāi)展的重要方向。渦輪增壓是使柴油機(jī)動(dòng)力裝置降低本錢(qián)、縮小體積、減輕重量最成功的方法。實(shí)踐證明，對(duì)于安裝尺寸受限制的應(yīng)用(如船舶、機(jī)車、卡車等)上是最受歡送的，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(guò)非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)[10]。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)，又促使經(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(guó)對(duì)環(huán)境污染的限制更為嚴(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(duì)策以謀生存。新開(kāi)發(fā)的柴油機(jī)必須在諸多方面能表達(dá)出優(yōu)越性，否那么就無(wú)法適應(yīng)未來(lái)劇烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)?？v觀我國(guó)中速機(jī)的現(xiàn)狀，應(yīng)該說(shuō)己初步具備了研究、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)體系，但就總體水平而言，強(qiáng)化度不高，局部關(guān)鍵部件的可靠性尚待進(jìn)一步提高，自動(dòng)化程度低，減振降噪，措施尚未實(shí)際應(yīng)用(但高速機(jī)上已有應(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；局部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(kāi)發(fā)機(jī)型強(qiáng)度的提高。增壓技術(shù)由于在節(jié)能、提高功率及滿足環(huán)保等方面具有無(wú)可比較的優(yōu)點(diǎn)而被眾多柴油機(jī)所采用，而且開(kāi)展越來(lái)越迅速。從開(kāi)展趨勢(shì)來(lái)看，增壓程度越來(lái)越高，現(xiàn)在最大平均有效壓力已超過(guò)3.0MPa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(wèn)題，因此對(duì)增壓系統(tǒng)提出了越來(lái)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(guó)內(nèi)外研究人員通過(guò)各種途徑做了大量的工作，并取得了較顯著的成績(jī)。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(dòng)。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(dòng)。在流量較小時(shí)，它的效率較高，制造又較簡(jiǎn)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(lái)的高速?gòu)U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(pán)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(dòng)慣量、提高強(qiáng)度改善加速性能。1.2相關(guān)參數(shù)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(dòng)機(jī)過(guò)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(guò)量空氣系數(shù)==1；1.2.2廢氣在單級(jí)渦輪內(nèi)的膨脹過(guò)程及效率為了計(jì)算廢氣在單級(jí)渦輪內(nèi)的膨脹過(guò)程，常利用I—S圖來(lái)分析廢氣在單級(jí)渦輪內(nèi)的膨脹過(guò)程，I—S圖繪出了廢氣的膨脹過(guò)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，它的動(dòng)能為。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)〕，=，即=+。圖2-1廢氣在單級(jí)渦輪內(nèi)的膨脹過(guò)程圖圖2-1廢氣在單級(jí)渦輪內(nèi)的膨脹過(guò)程圖IISS當(dāng)廢氣的初始狀態(tài)為、在單級(jí)渦輪中膨脹時(shí)，壓力由降到。如果，廢氣在單級(jí)渦輪中按理想過(guò)程進(jìn)行膨脹，就沿著圖中—和—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(guò)程，可以認(rèn)為在過(guò)程中沒(méi)有流動(dòng)損失及與外界沒(méi)有熱量交換。此時(shí)廢氣的焓降是—，以H表示，即H=—。它表示在單級(jí)渦輪中進(jìn)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(jí)渦輪中所作功的最大值。1〕絕熱膨脹功它表示在單級(jí)渦輪中進(jìn)行的膨脹功，即廢氣在單級(jí)渦輪中所能作功的最大值[4]?！睯/kg〕〔2—1〕〔2—2〕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(qū)動(dòng)功率〔kW〕〔2—3〕式中—為廢氣每秒鐘進(jìn)入渦輪的流量，=1.3；—單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)柴油機(jī)的空氣量；()〔2—4〕()式中；()；〔kg〕；式中—渦輪增壓器的機(jī)械效率，取值范圍0.95～0.99，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0.75～0.80，取=0.78；—渦輪實(shí)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(lái)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(shuō)明廢氣在工作輪內(nèi)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(shí)，=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(dòng)方向的改變〔因相對(duì)速度不變〕，即是氣流沖擊作用的結(jié)果。如果廢氣的焓降不完全在噴嘴環(huán)中膨脹，而有一局部在工作輪內(nèi)膨脹，那么，這種渦輪成為反作用式渦輪。此時(shí)，因氣體相對(duì)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，值常在0.40～0.50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(duì)加速度和相對(duì)加速度，從而減少了流動(dòng)損失，提高了渦輪的效率?！睯/kg〕〔2—5〕取=0.44；〔J/kg〕；4〕渦輪機(jī)的膨脹比〔2—6〕式中—為渦輪機(jī)前的廢氣滯止壓力，=79.5〔〕；—為氣體背壓，等于1.5倍的大氣壓力，〔〕；5〕噴嘴環(huán)出口絕對(duì)速度(m/s)〔2—7〕—速度系數(shù)，一般徑流式渦輪的取值范圍0.94~0.97之間，取=0.96；〔m/s〕；6〕噴嘴環(huán)出口氣體溫度(K)〔2—8〕式中—為噴嘴環(huán)進(jìn)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〔2—9〕式中—噴嘴環(huán)進(jìn)口壓力〔渦輪進(jìn)口燃?xì)鈮毫Α常?=79.5〔kPa〕；〔kpa〕；8〕噴嘴環(huán)出口氣體重度〔2—10〕9〕噴嘴環(huán)出口截面積〔〕〔2—11〕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rr26Fr〔2—12〕r==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本錢(qián)，并且可以大批量的生產(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(dòng)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(dòng)性，方便澆鑄，使其具有良好的流動(dòng)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(duì)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(dòng)機(jī)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(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(dòng)功率等使渦輪機(jī)能夠有充分功率驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)使其到達(dá)增壓的效果。在整個(gè)的設(shè)計(jì)過(guò)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(méi)有學(xué)過(guò)的理論。但是，在設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)程中，由于時(shí)間關(guān)系有些參數(shù)在計(jì)算和選擇過(guò)程中，一些次要的因素和環(huán)境因素沒(méi)有考慮。一些具體的系統(tǒng)沒(méi)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)[1]孫軍，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，2001.01.[2]過(guò)學(xué)迅，鄧亞?wèn)|.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2005.8.[3]蘇猛，李風(fēng)平屈振生，張士慶.機(jī)械圖學(xué)[M].沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，2000.10.[4]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.[5]劉惟信，汽車設(shè)計(jì)[M].北京清華大學(xué)出版社，2001.[6]王望予，汽車構(gòu)造〔第四版〕[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.[7]陳家瑞，汽車構(gòu)造〔第四版〕[M].北京：人民交通出版社，2004.[8]范迪彬，汽車構(gòu)造[M].合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，2000.[9]于志生，汽車?yán)碚摗驳谌妗砙M]