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1、中文题目：柴油发动机废气涡轮增压系统设计外文题目：DIESElENGINEEXHAUSTGASTURBOCHARGINGSYSTEMDESIGN摘要涡轮增压器在发动机排放量不变的情况下，可以提高动力性能，降低尾气排放，最初主要用于柴油发动机。在发动机排放量一定的情况下，要提高发动机的功率，最有效的方法是多提供燃料燃烧。但是，缸内多供燃料容易，但为了支持燃料的完全燃烧，需要提供足够的空气，用传统的发动机进气系统很难完成。目前，废气涡轮增压技术已成为提高发动机功率、扭矩、降低油耗的主要方法之一。特别是对柴油发动机采用增压技术，受到了国内外的广泛关注。本文介绍了柴油机4100型发动机废气涡轮增压系统
2、的组成和原理，并对组成柴油机废气涡轮增压系统的各部件进行设计计算。并加装了配套的废气涡轮增压器的中冷器，对中冷器进行了理论分析。使避免使空气过热抵消增压效果和爆震的产生。关键词：废气涡轮增压；柴油机；功率AbstractTurbochargercanimprovepowerperformanceandreduceexhaustemissionwhentheengineemissionremainsunchanged.Itwasoriginallymainlyusedindieselengine.Whentheengineemissioniscertain,themosteffectiveway
3、toimprovetheenginepoweristoprovidemorefuelcombustion.However,itiseasytosupplymorefuelinthecylinder,butinordertosupportthecompletecombustionoffuel,itisnecessarytoprovideenoughair,whichisdifficulttocompletewiththetraditionalengineintakesystem.Atpresent,exhaustgasturbochargingtechnologyhasbecomeoneofth
4、emainmethodstoimproveenginepower,torqueandreducefuelconsumption.Especiallythesuperchargingtechnologyfordieselenginehasattractedextensiveattentionathomeandabroad.Thispaperintroducesthecompositionandprincipleofdieselengine4100engineexhaustgasturbochargingsystem,anddesignsandcalculatesthecomponentsofdi
5、eselengineexhaustturbochargingsystem.Theintercoolerwithsupportingexhaustgasturbochargerisinstalled,andtheintercooleristheoreticallyanalyzed.Avoidoverheatingtheairtocounteractthesuperchargingeffectandknock.Keywords:exhaustgasturbocharging；dieselengine;power目录1绪论12废气涡轮增压器压气机结构设计52.1 压气机的结构52.1.1 进气道52
6、.1.2 压气机叶轮52.1.3 扩压器62.1.4 压气机蜗壳62.2 压气机的主要工作参数72.2.1 设计的原始数据72.3 离心式压气机的结构设计72.3.1 进气道82.3.2 导风轮的初步设计92.3.3 叶轮（工作轮）的初步设计142.3.4 扩压器的初步设计172.3.5 其他参数设计计算192.3.6 对初步设计进行校核213废气涡轮结构设计233.1 废气涡轮结构233.2 工作轮结构设计243.3 相关参数设计253.3.1 设计的原始数据253.3.2 废气在单级涡轮内的膨胀过程及效率254柴油机中冷器294.1 柴油机中冷器的类型、结构294.1.1 柴油机中冷器的类
7、型295经济性分析316结论32致谢33参考文献34附录A35附录B581绪论.废气涡轮增压器的背景涡轮增压器技术，有100多年的发展历程了。1905年,AlfredBuchi发明了世界上第一款涡轮增压器，它是动力驱动的轴向增压器的雏形。自此，涡轮增压器被广泛地运用于汽车领域。然而，当时涡轮增压器主要用于摩托车发动机的进气系统，而对汽车而言其作用微乎其微。20世纪70年代末，汽车工业进入高速发展时期。1961年，汽车上安装了这种增压器，它能瞬间吸收大量的热量。在这种情况下,Saab萨博公司在北欧的瑞典成立了第一家专门生产汽车产品中涡轮增压器的汽车制造商。Saab萨博于1977年开始研发涡轮增压
8、器技术，并取得了巨大的成功。汽车行业进入新时代。20世纪90年代初，萨博公司开发出了一款全新一代涡轮增压发动机，从此拉开了全球范围内涡轮增压发动机应用与推广的序幕。此后，涡轮增压器以其高效节能的优势得到广泛关注。涡轮增压器技术的出现，改变了“排量决定功率”的观念。它代表着目前内燃机技术发展的一个重要方向，现在正呈现强劲的发展势头。涡轮增压是一项新技术。在近几十年的发展历史中，涡轮增压器对提高发动机性能和经济性，改善发动机的工作条件等方面起到了重要作用。在内燃机发展中占有重要地位。涡轮增压在柴油机动力装置中占有重要地位。此后，萨博公司一直致力于涡轮增压器技术研究及产品开发。目前，萨博涡轮增压器已
9、被广泛应用于各种车辆上，成为现代汽车业必不可少的部件之一。实践证明，涡轮增压器最适用于尺寸有限的应用场合（如船舶、机车、卡车等），与非涡轮增压器相比，能更好地降低燃油消耗率、降低噪音和高原性能。上世纪60,增压技术被广泛应用于中速柴油机中，大大提高了强化指标。但20世纪70年代的石油危机导致经济指标下降，燃料消耗增加，劣质燃料大量使用，20世纪80年代以来，随着环境法规的日趋严格，柴油机制造厂商面临着严峻的挑战。因此，为了满足日益苛刻的要求，世界各国都加大了中速柴油机研制的投入，以使自己能够更好地适应市场变化。新开发的柴油机必须体现出多方面的优势，否则就无法适应未来的激烈市场竞争。一，中速发动
10、机的优势中速发动机的生产体系已基本形成。但总的来说，目前，我国的车用柴油机技术水平与国际先进水平相比还有较大差距。1.2 废气涡轮增压器产业的技术发展由于增压技术在节能、提高效率和环保方面具有无可比拟的优势，许多柴油机都采用了增压技术。然而，随着柴油机向大功率方向发展。发动机承载的总功率也会增加。特别是一些高速重载柴油机，其最高转速可达到4000rmin以上。这些特点给增压带来了很大困难。从发展趋势上看，增压的发展趋势是越来越明显的。目前世界上已有30多个国家采用了增压器来满足汽车对动力性能的要求。在我国也有许多厂家开始研究开发高压共轨燃油喷射系统。到目前为止，已生产出20多种型号。现在平均有
11、效压力已达到了3.0MPa左右。随着平均有效压力的增加，高负荷柴油机的机械负荷和热载荷降低。增压系统可以提高废气能量利用率，消除气缸扫气现象，改善瞬态特性，适合于批量生产，但其涡轮一般采用单进口。增压系统极大地改善了高增压柴油机在低工况性能下的性能。1.3 废气涡轮增压器产业的技术发展吴忠华的叶轮机械三元流理论在计算机技术的快速发展中得到广泛的应用。其主要特点是：以三维流动为基础，用数值模拟来解决工程问题。其中一个最重要的技术是采用准单元分析法。在分析过程中，利用有限元软件ANSYS对结构进行了模态计算和谐响应分析。并根据计算结果确定出各部件的固有频率和振型等参数。通过比较得到较好的结果。这种
12、方法不仅可以提高计算速度；它还节省了计算机内存。目前，这种准二维设计方法已被成功地应用于离心式压气机和径流涡轮的设计。三元流法是研究涡轮内部流场的有效方法之一，三元流法通过建立损失模型来模拟涡轮的内部流场，为涡轮增压器的设计提供了新的思路，在涡轮设计中得到了广泛的应用。我国在气动计算、流场分析、叶轮及叶片设计、强度分析和性能预测等方面都取得了很大进展。但是，在设计方法上还存在着很大的差距，下一步的工作主要是加强理论与计算机技术的结合。我国的涡轮增压器设计制造技术虽然起步较晚,但发展迅速，己基本达到了“发展”西方国家水平,有些方面甚至达到了“发达”程度。当前涡轮增压器的设计主要是以材料为基础。然
13、而，涡轮增压器的应用受到材料性能的制约。近年来，我国对该技术进行了大量研究工作，取得一定成果。目前，涡轮增压在国内得到越来越广泛的使用，为我国汽车工业提供了强大动力。然而，与国外相比仍有很大差距。随着高性能发动机的研制以及涡轮增压器的大量生产和应用，涡轮工作环境更加恶劣，要求涡轮增压器有更好的综合性能。因此，采用高科技材料是提高涡轮增压器性能的一个重要手段。目前国内外对航空发动机用高格铸铁基复合材料进行了研究，但对于钛合金基复合材料的研究还很少，尤其是钛铝金属间化合物的研究更少。TiAl合金作为一种新型的新型高温材料，其耐高温性、抗氧化性好。不含铅，对环境无污染。随着计算机技术的发展和计算机数
14、值模拟手段的成熟，特别是三维建模软件的普及运用。涡轮增压器转动惯量大、瞬态响应快。涡轮叶轮采用高频感应快速铸造，涡轮毛胚采用粉末冶金成型。有必要对其进行改进。压气机前级采用过滤器。静电过滤和进气预旋可以提高过滤效果，但对压缩机流量影响不大。近几十年来，涡轮增压器在基本结构、小型化、新技术等方面都有很大发展。随着发动机的发展，人们对涡轮增压器的性能要求越来越高。为了满足这些需求，涡轮增压器制造商必须不断地研究设计出更加紧凑的产品。在涡轮增压器的研制过程中，采用了一系列先进技术以改善性能。由于制造工艺的限制，涡轮增压器的制造成本较高，流量范围窄，效率低，无法满足批量生产的需求，因此涡轮增压器的研究
15、一直没有停止过。过滤器、增压器、中冷器和进排气管之间的接口问题是早期设计师所关心的问题。而现在，效率已经不再是相互接口的问题，而是一个整体和系统的问题。因此，开发“涡轮增压系统”是必要的。美国的HoneyWell和德国的KKK（现为Bor克Warner）公司都在这方面进行了研究。他们通过对增压器涡轮壳体、发动机排气管、压气机和增压空气冷却器等部件的改进，减少了气流损失。随着计算机技术的发展，人们对气流状态和总体结构的综合效率要求越来越高。采用涡轮增压器、旁通放气、变几何形状、可变截面、电子控制等技术，极大地提高了涡轮增压器的性能，提高了涡轮增压的效率。随着汽车发动机向高速大功率方向发展,对其提
16、出了越来越高的要求。因此，在未来几年中，涡轮增压器将以更快的速度向前发展。我国的涡轮增压器工业正在起步阶段。与此同时，为了提高涡轮增压器的性能，需要进一步的研究和开发。目前，国外已经出现许多新型涡轮增压器产品。ABB公司的轴流式涡轮增压气机VTR.4E的总效率可达75%以上。日本的涡轮增压器也向小型化方向发展。随着现代汽车工业的飞速发展，人们对于车辆性能的需求不断提高，因此对车辆的动力特性也提出了很高的要求。为了满足这些要求，就必须开发出各种不同类型的发动机。三菱和石川岛播磨公司开发了小型叶轮叶片，直径34毫米，用于摩托车和汽油机的压气机。涡轮增压器的轴承结构主要包括滚动轴承、滑动轴承和全浮动
17、轴承。随着涡轮增压器的应用越来越广泛，对涡轮增压泵提出了新的要求。涡轮增压泵作为一种新型增压装置，在降低发动机燃油消耗和提高动力性等方面有其独特优势。涡轮增压泵中最重要的部件之一是叶轮，转子叶片在叶轮中起着至关重要的作用。因此，对叶轮设计提出了更高要求。浮动轴承具有低磨损、效率的优点。但它也存在着润滑油消耗大、润滑油压力低、油膜不均匀、冷却高速旋转等缺点。为了解决浮动轴承系统润滑不良、压气机端漏油、润滑油需求量大等问题，人们对高效无润滑的空气轴承进行了深入研究，预计新产品即将面世。1.4 废气涡轮增压器原理废气涡轮增压器的工作原理是利用发动机发出的一定能量进入涡轮并进行膨胀。将气体动能转化为机
18、械能以推动车轮转动的一种动力传动装置。它包括：排气风扇，进气风扇以及相应的机械部件组成。主要由主电机及控制系统构成。一般情况下，柴油机通过适当安装废气涡轮增压系统，可以提高发动机的功率、经济性和排放性，汽缸压力可以达到180-20OkPa或30OkPa,可以提高20%-30%的动力性，降低5%的油耗。图1.1废气涡轮增压系统工作原理Figure1.1workingprincipleofexhaustgasturbochargingsystem在涡轮增压系统中，涡轮增压器与发动机之间没有机械传动连接，废气涡轮增压器通过空气和废气的流动与内燃机连接，并自行调节。但是由于它是一种特殊装置，所以必须对
19、其内部工作过程进行详细研究。本文介绍了用计算机模拟方法来分析气体流过气流通道时的特性。1.流场计算模型及边界条件。气体在流道内流动时，流道内的压力、温度和速度等参数分布情况）如图1.2所示。图1.2压气机通道中气体状态的变化Fig.1.2changeofgasstateincompressorchannel2废气涡轮增压器压气机结构设计2.1 压气机的结构离心式压气机结构由进气道、叶轮，扩压器和压气机蜗壳等部件组成。2.1.1 进气道进气道的作用是将外部空气导向压气机叶轮。由于进气条件复杂及叶片形状对发动机性能影响显着，所以，对进气道的空气动力学设计进行深入的研究是十分必要的。为减少进气道的流
20、量损耗，其流道可分为轴向进气道和径向进气道两类：轴向进气口，空气沿着转子的轴线方向不转向进入压气机，具有结构简单、流量损失低等特点。这是一种常见的小型和中型的涡轮增压机。再流入压气机的叶轮，它的流量损耗很大，一般只能在安装在轴承外部的涡轮增压器或者空气过滤器设备中使用。2.1.2 压气机叶轮压气机叶轮是压气机中唯一对空气起作用的部件，它把涡轮提供给它的机械能转化成为空气的压力能和动能。因此，其性能好坏直接影响到整个发动机的效率以及整机性能。压气机叶轮分为导向轮和工作叶轮两部分。中小型涡轮增压器集成在一起，而大型涡轮增压器将两者组装在一起。导风轮是叶轮进口的轴向部件。在设计时必须考虑到它的几何参
21、数对气动性能和结构强度等方面的影响，以便更好地发挥其优点。这相当于叶片的入口，更大的直径意味着更大的前倾。它的作用是尽量减少空气对叶轮的冲击。根据其结构型式,空气压缩机的叶轮分为开式、半开式、闭式和星型。没有轮盘的开式叶轮，其流动损失大，效率低，叶轮刚性高，振动大。使用叶轮，轮盘，轮盖，流道密封，流量损失小，叶轮效率高。但是，它的构造很复杂，很难实现。半开放的叶轮没有盖，仅有一个叶轮。它的工作特征是介于开闭两种类型。但其结构简单，制造方便，强度高，刚度大，因此被广泛地用于涡轮增压器。星型叶轮是从叶轮叶轮的两个边角之间挖掘出来的，既能减小叶轮的重量，又能减小叶轮的应力，又能保证叶轮的刚性。所以能
22、经受高速的转动，特别适用于小型的涡轮增压。压气机叶轮按其长度又可分为长、宽两种。全桨叶的进气损失较低，效率较高，但在较小的叶轮上，入口空气阻塞较大。所以，在小型涡轮增压中，常采用长、短叶片的叶轮。按叶片的径向分布，可将其划分为前弯叶片、后弯叶片和径向叶片。叶片对气流的作用最大，在不增大压力的前提下，可以提高空气的动力性能。所以，在涡轮机中，必须把空气动力转化成压力能。扩散器和蜗壳的效率比叶轮低，所以效率较低。径向叶轮的叶片是不弯曲的，径向张开。这种叶轮的压气机性能比前弯型和后弯型都要好。由于其强度、刚性、高周向转速等优点，一直以来都是在低压涡轮增压机上使用的。叶片的转子向后弯曲，并在另一个方向
23、上弯曲。虽然它的工作性能很低，但是大多数的空气压力都是通过叶轮来实现的。由于压气机的高效率，这种类型的叶轮也被广泛使用。前后弯曲转子（也称为后转子），其叶片沿直径向后弯曲，也沿旋转方向向前倾斜。这种叶轮压气机效率高，近年来在柴油机涡轮增压器中得到了广泛的关注和应用。2.1.3 扩压器扩压器的功能是将高速空气的动能转换为压气机叶轮出口处的压力能。扩压器性能是指在恒定湿度过程中，在没有流量损失的情况下，动能与压力能的实际转化率以及动能与压力能的转化率。扩压器的效率对压气机的效率有重大影响。根据扩压器中是否有叶片，可分为无叶扩压器和叶片扩压器。无叶片的扩散管是一个环形的管道。扩散器内的空气流经对数螺
24、旋的运动，也就是说,空气的运动轨迹和任意直径的切线几乎没有变化。这种特性导致了流道较长、流量损失较大、效率较低、扩散器出口流面较小、扩散器容量较低等缺点。当扩散器容量相同时,扩散器的出口直径增大。但是，该产品具有流量范围广、结构简单、制造容易等优点。该方法在小型涡轮增压器中得到了广泛的应用，这种增压器一般都是在各种工况下运行的。叶轮扩压器上有很多叶片，这些叶片都是在环状的槽道上。让气流在叶片上流动。它具有较短的流路、较低的流量损耗和较高的效率。由于叶片的形状在径向上增大，从而使空气中的空气流动面积急剧增大，从而增大了扩压器的容积，减小了体积。但是，在流速和设计工况不同的情况下，在叶片进口的风角
25、与刀槽的角度不一致时，会产生碰撞损耗,从而使效率大大降低。无桨式扩压器与桨叶扩压器的结合，一般适用于中等规模的涡轮增压器，其工作范围稍有改变。第一个步骤是，空气进入一个无叶扩散器，然后是一个扩散器。叶片的能量大部分被转换成了空气的动能。在叶片扩压器中，有许多不同的叶片。在这些方面，扁形叶片和圆形叶片扩压器的性能都比较低，但生产工艺相对简单。适用范围广，适用于低压增压和系列产品；翼型扩压器的流损最少，压气机的设计性能也比较好,但是它的制造比较复杂。广泛用于对高要求的涡轮增压。近年来，有愈来愈多的发展趋势。2.1.4 压气机蜗壳压气机的蜗壳用于在扩压器中收集空气。把空气引到引擎的进气管里，然后把它
26、送到引擎里。因为气体在扩压器内仍然保持较高的速度，所以动能会在外壳内进一步转换成压力能。这样，蜗壳就有了一些扩压的作用。蜗壳效率是指在动能和压力能之间，实际转化和恒定转化的比例。2.2 压气机的主要工作参数2.2.1 设计的原始数据设计选择4100型柴油机D=100(mm),S=I18(mm),Vh=3.856(L)；发动机过量空气系数g=1.7；容积系数%二0.98；扫气系数么=1.02；扫气过量空气系数化=九%二1；压气机的主要运行参数是增压比、效率、流量和转度。通常，以增压比为纵坐标，以流量为横坐标，以转速为参数变量，以等效率线绘制压气机特性曲线，从而可以很容易地看出不同工况下压气机主要
27、运行参数之间的关系。1)增压比：增压比是指压气机的出口压对进气压的比值。增压比是压气机运行的最主要参数，也是压气机的基础。采用工作轮式和扩压器来提高压气机的升压比。离心压气机的工作压力是由于离心力作用而产生的。离心力直接关系到工作轮的外径上的周向速度。从理论上讲，工作轮在空气中的最大功是根据工作轮外径上的周向速度的平方来确定的。因此，选择高强度材质制作工作轮，能有效地改善空气压缩机的周向转速，并增加压缩机工作压力。2)效率：压气机的经济性指标是压气机的性能，它反映了压气机的设计与制造水平。最主要的是多变量效率和等端效率。可变特性是指压缩机的多个操作对整个压缩机工作的比例。等端效率是压缩机的等峭
28、功和压气机的总功的比率。涡轮增压机的等熠效率一般是0.70-0.85,有的甚至更高。因为多方压比等端的能量要大，所以在多方面的效率要比等燧的要高。一般而言，等端效率为多变效率，为0.970.9903)流速：通过压缩机的每小时的容积或质量叫做压气机流量。在一定的压力系数下，每台压气机的最大流速与最小流速之比可以表达出各压气机的具体流速。柴油机的动力范围取决于压气机的流速。在较大的流量范围内，发动机的工作功率也会随之增加。4）旋转速度：每分钟的压气机工作轮的转速叫做压气机转速。压气机工作轮与蜗轮机工作轮处于同一转轴上，所以压气机的速度即为蜗轮的旋转速度和蜗轮的旋转速度。初步设计的主要参数有：气流G
29、C=0.35kg/s；压力比nc=2.9;p=1.033Mpa的环境压力；周围环境温度为293K,压力系数为0.722.3 离心式压气机的结构设计离心式压气机的主要几何尺寸，包括进气轮毂直径，轮缘直径，叶轮直径，进出口速度，进气口流动角的一些参数。2.3.1 进气道进气道是用来给压缩机输送空气的。这是压气机的第一个环节，它直接关系到压气机的工作。叶轮入口存在轴向入口、正预旋转、负预旋转三种状态。这种结构是一种轴向进气口。气体进入压气机的方向与转动轴线平行。轴向进气道的特点是进气道均匀，阻力损失小，结构简单。但是，轴向进口仅在轴承用作内支承结构或者内外支承结构（压气机叶轮是支座）时才可采用。因而
30、在小型涡轮增压系统中得到了广泛的应用。通常对进气口的需求如下：1）进气是均匀的，使得空气能在工作轮的各个叶片通道中均匀地填充。2）低的流阻损耗。由于这种流动损耗会使工作轮入口的空气温度升高，压缩功也相应增大，因此压气机的效率受到很大的影响。3）应当尽量简化和紧凑地构造。4）为了方便消声和杂质的去除。图2.1轴向进气道的结构Figure2.1structureofaxialinlet根据设计参数进行热力计算:等病压缩功1 =8328.47kg.m(2-1)为空气绝热指数，=1.39；尺一为空气气体常数，R=22.4；To环境温度To=293K;2.3.2 导风轮的初步设计当气体从进气口出来时，它
31、就会流入一个旋转的空气导向轮。这是一个在压气机工作轮入口的转动叶片。导风轮叶片具有较复杂的外形。在大部分情况下，导风轮和叶轮都是单独制造，以方便加工和制造。但在某些小型涡轮增压器中，叶轮与叶轮也是一体的，叶片被做成了扭曲的形状。在本次设计中，还将导风轮和叶轮结合在一起。导风轮叶片的外形有圆弧、椭圆和抛物面三种。抛物线是近几年来被广泛采用的一种方法。由于抛物线构成的型线有如下优势：它能平稳地从圆周方向转动至轴向，而且减少了流动损耗。导流叶片的强度特性较好。叶片的加工工艺比较简单。抛物线形的桨叶分为两种：一种是平面抛物线形的，另一种是圆柱抛物线的。第一个方法是在一个平面上形成一个抛物线，另一个方法
32、是利用一个抛物线在圆柱上形成一个曲面。两个抛物面风轮机在气动特性上存在一定差异。图2.2导风轮的叶型Fig. 2.2 blade profile of guide vane导风轮的结构设计计算1)工作轮外径处圆周速度u2=JgLCjHC(2-2)9.88328.470.72U2=336.68m/s2）导风轮进口前轴向气体速度取Ga=O.25%，C1h=OCa=84.17ms3）导风轮进口前气体温度T=T(2-3),02010二293-也左2010T=289.5K4）进气道的多变指数H1=1.37-1.39m=1.385）导风轮进口前气体压力（TPl=POP1=1.0330.957=0.989M
33、Pa（2-4）6）导风轮进口前气体比重V=-104(2-5)RT=98922.4x289.5l=1.53kg/nv,7）导风轮进口前截面积Fx=-(2-6)CTayl0.3584.171.53Fl=ZJAScm28）导风轮叶片数与工作轮相同Z”=10片9）导风轮堵塞系数选取r1=0.910）导风轮进口后气流轴向速度(2-6)84.170.9Cu=9352ms11）轮径比选取(0.2-0.35)D10/D2=0.3127.18/87.68=0.3112)轮径比选取(0.50.7)Dih/D2=0.761.38/87.68=0.713)轮径比DimZD2=47.43/87.68=0.541(2-7
34、)14)工作轮外径D2=87.68ww(2-8)15）压气机转速60u7nc=-CD260x336.68-3.14x87.68nc=73373r/min(2-9)16）轮毂直径(2-10)=87.6827.1887.68；D10=27.18w17）导风轮进口外径二21式）(2-11)=87.6861.3887.6818)导风轮进口平均直径Dlnt=D?(2-12)19)导风轮进口外径周速=87.684V87.68JDlrn=47.43Vn(2-13)礼生X336.6887.68UlH=235.7nVs20）导风轮进口平均直径处周速(2-14)4743之二X336.6887.68(2-15)u.
35、m=182.14nVs21）轮毂处周速出。二不：的27.1887.68X 336.68w10=104.37nVs22）导风轮进口外径处相对速度H=*ca2+uH1(2-16)=93.522+235.72coxh=253.5811VsM=IH23)马赫数*QkgRTl(2-17)253.58Jl.39X9.8X22.4X289.5=0.8524）导风轮进口气流角CH=arctg-w/93.52=aretg235.7(2-18)25）导风轮进口气流角“22。C,=arct8-93.52(2-19)=arctg182.14g=27。26）导风轮进口气流角Bo= arCtgC- 10(2-20)=ar
36、ctg93.52104.37PK)=42。2.3.3 叶轮（工作轮）的初步设计压气机工作轮由导风轮和叶轮组成。工作轮是压气机的主要工作部件。涡轮传递给压气机的机械能通过工作轮传递给空气，因此工作轮出口处的气体压力和温度显著增加，空气流量也显著增加。根据不同的设计类型，工作轮分为三类：封闭式、半开放式和开放式。图2.3工作轮Figure 2.3 working wheel现在，星型工作轮通常在小型蜗轮增压器中使用。这是一种介于半开放和开放两种形式的叶轮。为了减少叶片的重量，将叶片的外缘对称移除，以减少叶片的应力。所以，它能经受住高速的冲击，在小的涡轮增压中能得到很大的提升。压缩机工作轮按叶片的种
37、类分为三种：后弯叶片、径向叶片、前弯曲叶片。该方案使用了星型的工作轮。这种工作轮最大的优势在于其强度、刚性以及较高的周向转速。叶轮将较大的能量传递到空气中，可以达到较高的压力。但是它的性能要差一些。其主要原因在于，在叶片的一侧张开时，叶轮与机壳间的摩阻损耗会增大。叶片流道内的流速分布不均，使流阻增大。叶轮出口的绝对流速越大，就会增大扩散器内的流失率。离心压气机采用轴向吸气和径向排风两种形式。没有独立的导风轮，工作轮为半开放的叶片。空气压缩机工作轮插在铭钢制的转轴上，并用螺丝帽将其紧固。工作轮采用ZL401铝合金铸造。工作轮的结构设计计算1）工作轮叶片数Z,=7+0.753/2=10片2）功率系
38、数(2-21)31一I2x3.1411+X73x14(47.43一187.68,0.833)工作轮出口气流轴向分速C=0.82x336.68C2h=278.24nVs4)工作轮出口阻塞系数选取T2=0.965)工作轮出口气体比重给定初值2=L8Om36)工作轮出口气流径向分速LCGaC2r=84.171WS/_GC7)工作轮出口叶片宽度=D22C2r20353.1487.681,884.170.96b2=8.7mm(2-21)(2-22)(2-23)(2-24)(2-25)10)工作轮摩擦系数选取(0.025-0.07) = 0.0511)工作轮出口气流温度2 J1005(2-26)，1 7
39、29289.5+ 0.82+-T2 =347.6K336.682 100512)工作轮多变效率 选取(0.850.93)p=913)(2-27)14) = -32工作轮出口气体压力PiTl JPx(2-28)8)工作轮出口气流速度C2=C2i2+C2112=84.172+278.242C2=297.21/77/59)气流角a2=arctgC2“84.17=arctg278.24a.=16.7or 347.6289.5-3.2I 0.989p2=.ISmpa15）验算工作轮出口气体比重(2-29)2=-1042RT2d141-2.28Zg/nr2.3.4 扩压器的初步设计在叶轮的出口处要安装一套
40、装置。该设备可有效降低转子排气速度，将气流的动能转化为势能。这就需要在叶轮的出口处安装一个扩散器。主要有两类，即叶片式扩散器和无叶式扩散器。无叶扩压器的最大特点就是没有喉部，不能阻止扩散。因此，这次采用了一种没有叶片的扩散装置。扩压器的结构设计计算1）马赫数(2-30)Mc2=0.912）轮径比乌选取（无叶扩压器）乌=1.15AD23）无叶扩压器出口直径(2-31)=1.1587.68D3=100.8w4）无叶扩压器出口气流速度厂r D,G=Gn(2-32)C3 =258.44tw5C22-C325)无叶扩压器出口气流温度y=2 5-297.212 - 258.442= 347.6 +2010
41、7； =357.6K6)无叶扩压器长度Z = (D3-D2)2100.83-87.682/ = 6.6mm7)无叶扩压器多变效率 选取(0.60.8) =078)指数%一1%1-1M(2-33)(2-34)(2-35)9)- = 2.53 -无叶扩压器出口气流压力“3 = Pl(2-36)1.78，357.6k347.6 JP3 = 1.9ImPa10）无叶扩压器出口气体比重3=-104RT3d143=2.3811)无叶扩压器出口宽度选取4=&+(O2)mmb3=1O.7三712)无叶扩压器出口气流径向分速C一GeD3b33035-3.14100.8310.72.38Gr=43.42/s(2-
42、37)(2-38)13）无叶扩压器出口气流周向分速GL唇有（2-39）=258.442-43.422C3m=254.8m/s14）无叶扩压器出口气流角度= arctg43.42254.8(2-40)%=9.6。2.3.5 其他参数设计计算压气机的其他参数设计1）蜗壳出口气流速度选取Cc=40m/s(2-41)2）蜗壳出口气体温度及=（+宅孝C32010= 357.6 +258.442-4022010Tc =39OK3）指数 Wr占小仇，=初=344）蜗壳出口气体压力(2-42)(2-43)= 1.91390 Y4357.6 JPc = 2.79 Wa5)蜗壳出口气体比重cRTC104(2-44
43、)2.7922.4390104c = 2.67 Ag/ rni6）蜗壳出口面积 FC;告CCyC(2-45)0.35- 402.67Fc =32.71 cm27）压气机出口滞止气流温度 R=TCC c 2010(2-46)390 +4O22010=390.8K4(2-47)8）压气机出口滞止气流压力H=E区E鬻广Pc*=2.79Wa2.3.6 对初步设计进行校核通过对离心式压气机的初步优化设计后，还需要对本设计进行一下校核，看看设计的是否符合设计的要求，满足设计出给的参数。(2-48)1）校核增压比11c=空凡2.791.03311c=2.72）校核等端压缩功 22.4 293 2.7 1 -
44、11.39-1 TLcs =7943.67J3）校核压头系数(2-50)9.88328.47336.682五=0.694）校核压气机效率(2-51)cs =0.785）压气机消耗功率(2-52)_0.746GJCSIYC-75CS0.746x0.35x8328.47750.78NC=35.5kw3废气涡轮结构设计废气涡轮机有轴流和径向流动两种类型。在轴向涡轮机中，废气是沿着涡轮机的转轴方向流动的。流量大，高效。适合于大规模的发动机增压。在径向涡轮机中，排气是沿着与涡轮机转动轴线相垂直的平面直径流动的。具有高效、简易的生产工艺。适合于低流速的涡轮增压。这里主要讨论工作循环的设计。3.1 废气涡轮结构图中显示了内燃机废气涡轮增压器的设计。基本设计是将涡轮和压气机安装在同一轴上。它由轴承、外壳等组成。压气机的叶轮由铝合金精密铸造而成。采用流线型分析和有限元技术设计叶片形状。近年来，离心式涡轮增压器转子采用后弯式，扩压器采用无叶片式，以适应大范围的车流。汽轮机转子由高耐热性的银或粘合金材料制成，完全采用精密铸造方法铸造。从涡轮壳体流向涡轮转子的大部分零件都配有喷嘴。目前，喷嘴效率较高，即涡轮机壳无喷嘴。中间轴承和油流涂层与涡轮涂层之间的油封机理非常重要。这些零件的螺母和环由每个分部独立设计的1一涡壳；2圆柱头螺钉；3内六角螺栓；4一涡轮；5一中心转盘图3.1涡轮增压器结构
