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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、对润滑油压力要求较高（需要一定的压力以形成油膜与一定的油量以冷却高速旋转产生的热量）。
为了克服浮动轴承系统润滑存在向压气机端漏油、对润滑油要求高等缺点，效率更高且无需润滑油系统的空气轴承，正吸引着人们进行深人的研究，预计不久会有新的产品问世。
另外，由于汽油机涡轮增压温度很高，轴承系统仅靠油冷却不能满足要求。
带有水冷却套的轴承体已经推向市场。
1.3废气涡轮增压器原理
涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。
它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。
当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了[2]。
发动机按增压方式可分为四类：
①不用专门增压装置的增压，包括惯性增压、动力增压、谐波增压等；
②机械增压，即利用机械传动的增压器进行增压；
③发动机废气能量驱动增压器，分废气涡轮增压和气波增压两种；
④复合增压，即同时采用两种形式的增压。
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。
其工作原理如图1.1所示：
图1.1废气涡轮增压系统工作原理
Figure1.1turboexhaustsystemworks
发动机排出的具有800~1000K高温和一定压力的废气经排气管（图中红色管路）进入涡轮壳里的喷嘴环。
由于喷嘴环通过的面积是逐渐收缩的。
因而废气的压力和温度下降，速度提高，使它的动能增加。
高速的废气气流按一定的方向冲击涡轮，使涡轮高速运转。
废气的压力、温度和速度越高，涡轮转的就越快。
过涡轮的废气最后通入大气。
因为涡轮和离心式压气机叶轮固装在同一转子轴上，所以两者同速旋转。
这样就将经过空气滤清器的空气吸入压气机壳，高速旋转的压气机叶轮把空气甩向叶轮外缘，使其速度和压力增加，并进入扩压器。
扩压器的形状为进口小出口大，因此气流的流速下降、压力升高，再通过断面由小到大的环形压气机壳使空气的压力继续提高，这些压缩的空气经进气管进入汽缸。
在涡轮增压系统中，涡轮增压器和发动机无任何机械传动连接，废气涡轮增压器是通过空气和废气的流动与内燃机耦合，自行调整，其转速与内燃机的转速没有联系，并利用了排气能量，优点较多，因而获得广泛应用。
气体在整个流道内的压力、温度和速度的变化情况如图1.2所示
p-静压力T-温度c-速度
图1.2压气机内气动参数的变化
Figure1.2CompressorAerodynamicparameterchangeswithin
废气涡轮增压器用的压气机多数采用上述离心式，它的出口压力可达140~300KPa，甚至可达500KPa[3]。
2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界空气导向压气机叶轮。
为降低流动损失，其通道为渐缩形进气道可分为轴向进气道和径向进气道两种基本形式：
轴向进气道，气流沿转子轴向不转弯进人压气机，其结构简单、流动损失小。
中、小型涡轮增压器多采用这种结构；
径向进气道的气流开始是沿径向进人进气道，然后转为轴向进人压气机叶轮其流动损失较大一般仅在轴承外置的大型涡轮增压器或空气滤清器等装置的空问布置受限时.才采用这种形式。
2.1.2压气机叶轮
压气机叶轮是压气机中唯一对空气作功的部件，它将涡轮提供的机械能转变为空气的压力能和动能口压气机叶轮分为导风轮和工作叶轮两部分.中、小型涡轮增压器两者做成一体，大型涡轮增压器则是将两者装配在一起。
导风轮是叶轮人口的轴向部分，叶片人口向旋转方向前倾，直径越大处前倾越多，其作用是使气流以尽量小的撞击进人叶轮。
根据叶轮轮盘的结构形式，压气机叶轮可分为开式、半开式、闭式、星形等形式。
开式叶轮没有轮盘，流动损失大，叶轮效率低，且叶片刚性差，易振动口闭式叶轮既有轮盘又有轮盖，流道封闭，流动损失小，叶轮效率高;
但结构复杂，制造困难。
半开式叶轮只有轮盘，没有轮盖，其性能介于开式和闭式之间。
但其结构较简单，制造方便，且强度和刚度都较高，在祸轮增压器中应用广泛。
星形叶轮是在半开式叶轮的轮盘边缘叶片之间挖去一块，减轻了叶轮质量，从而减小了叶轮应力，并保持一定的刚度，因此能承受很高的转速，多在小型涡轮增压器中应用按叶片的长短，压气机叶轮还可分为全长叶片叶轮和长短叶片叶轮。
全长叶片叶轮进口流动损失小，效率高，但对于小直径叶轮，进口处气流阻塞较为严重。
因此，小型涡轮增压器中多采用长短叶片叶轮。
.
根据叶片沿径网的弯曲形式，压气机叶轮又可分为前弯叶片叶轮、后弯叶片叶轮和径向叶片叶轮等，前弯叶片叶轮的叶片沿径向向旋转方向弯曲。
这种叶轮对空气的作功能力最大，但其作功主要是增加了空气的动能，对压力能却提高较少，这就要求空气的动能更多地要在扩压器和蜗壳中转化为压力能。
因为扩扭器和蜗壳的效率比叶轮低，因此压气机效率低，涡轮增压器中不采用这种叶轮口。
径向叶片叶轮的叶片径向分布，不弯曲。
这种叶轮的压气机效率比前弯叶片就高，比后弯叶片的低由于其强度和刚度最好，能承受较高的圆周速度，从而在此前增压比较低的涡轮增压器中得到较多应用。
后弯叶片叶轮的逆旋转方向弯曲，虽然它的作功能力小，但空气压力的提高大部分是在叶轮巾完成的。
这种叶轮由于压气机效率高，应用也较多前倾后弯式叶轮（也称后掠式叶轮），其叶片沿径向后弯的同时还向旋转方向前倾，这种叶轮不仅压气机效率高，而且高效率范围宽户，近年来在布用柴油机涡轮增压器上受到了重视和应用。
2.1.3扩压器
扩压器的作用是将压气机叶轮出口高速空气的动能转变为压力能。
扩压器的效率是动能实际转化为压力能的转化量和没有任何流动损失的定墒过程动能转化为压力能的转化量之比，扩压器效率对压气机效率有重要的影响按扩压器中有无叶片，可分为无叶扩压器和叶片扩压器。
无叶扩压器是一环形通道气流在扩压器中近似沿对数螺旋线的轨迹流动.即气流流动迹线在任意直径处与切向的夹角幕本不变。
由十这一特点气流的流动路线r-.流动损失大，效率低，书压器出口流通面积小.扩压能力低，在同样的扩压能力下，扩压器出口直径较大但无叶扩压器流量范匡宽，结构简单，制造方便，在经常处于变丁况运行的小型涡轮增压器上得到广泛应用。
叶片扩压器是在环形通道上加有若干导向叶片.使气流沿叶片通道流动。
由于气流的流动路线短，流动损失小，故效率高。
民叶片构造角沿径向增大，使气流的流通面积迅速增大，因此扩压能力大。
尺寸小但当流量偏离设计工况，叶片人口气流角不等十叶片沟造角时.将产牛撞击损失，使效率急剧下降。
在丁况范围变化不大的大、中刑涡轮增压器上，常采用无叶扩压器和叶片扩压器的组合形式。
气流先经过无叶扩压器，再进人叶片扩压器.气流的动能主要在叶片扩压器中转变为压力能。
叶片扩压器叶片的形式较多，图z6示出r常用的三种其中，平板形叶片和圆弧形叶片两种扩压器制造简单，但性能较差，在增压比较低、系列化生产的涡轮增压器中应用较多机翼形叶片扩压器流动损失最小，压气机变丁况性能相对较好，但制造较为复杂，多在增压比要求较高的涡轮增压器中被采川，近年来有应用越来越多的趋势。
2.1.4压气机蜗壳
压气机蜗壳的作用是收集从扩压器出来的空气.将其引导到发动机的进气管，由于扩压器出来的空气仍有较大的速度，在蜗壳中还将进一步把动能转化为压力能，因此，压气机蜗壳也有一定的扩压作用。
蜗壳效率是动能转化为压力能的实际转化量和定嫡转化量之比。
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=118（mm），=3.856（L）；
发动机过量空气系数=1.7；
容积系数=0.98；
扫气系数=1.02；
扫气过量空气系数==1；
压气机的主要工作参数是增压比、效率、流量和转速。
通常以增压比为纵坐标，流量为横坐标，转速为参变数，并以等效率线绘制压气机的特性曲线，从而可方便地看出各种工况下，压气机各主要工作参数的相互关系。
1）增压比：
增压比是压气机出口压力和进口压力之比。
增压比是压气机最主要的工作指标，也是对压气机提出的基本要求。
压气机的增压比主要是在工作轮和扩压器中获得的。
离心式压气机工作压力的提高，主要靠离心力作用产生。
离心力与工作轮外径处的圆周速度的平方成正比，而且在理想情况下，工作轮能加给空气的最大功也与工作轮外径处的圆周速度的平方成正比。
因此，选用高强度的材料制造工作轮，可以提高圆周速度，进而提高压气机的工作压力。
2）效率：
效率是压气机的经济性指标，说明压气机设计制造的完善程度。
其中最重要的有多变效率和等熵效率。
多变效率是指压气机的多变压缩功和压气机总功之比。
等熵效率是等熵压缩功和压气机消耗的总功之比。
在涡轮增压器中，压气机的等熵效率一般为0.70～0.85，个别的更高。
由于多变压缩功大于等熵压缩功，故多变效率大于等熵效率。
一般等熵效率等于多变效率的0.97～0.99。
3）流量：
单位时间内流过压气机的气体重量或容积称为压气机的流量。
每一台压气机有一定的流量范围，可以用给定增压比下，其最大流量和最小流量之比来表示。
压气机的流量范围决定了它适用的柴油机功率范围。
流量范围愈宽，则其适用的柴油机功率范围愈大。
4）转速：
压气机工作轮每分钟的转数称为压气机的转速。
因为压气机工作轮和涡轮工作轮装在同一根转轴上，所以压气机的转速就是涡轮的转速，也是涡轮增压器的转速。
初步设计的主要参数如下：
空气流量GC=0.35kg/s；
增压比nc=2.9；
环境压力p0=1.033Mpa；
环境温度T0=293K；
压头系数=0.72
2.3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
进气道是把气体引入压气机。
它是压气机流程的第一部分，对压气机的工作有直接的影响。
叶轮进口有轴向进气，正预旋和负预旋3种情况，本设计采用轴向进气道。
气体沿着和转轴平行的方向进入压气机。
轴向进气具有进气均匀、流动阻力损失小和结构简单等优点，因此应尽可能采用此种型式。
但通常当轴承布置为内支承结构或内外支承结构（压气机叶轮为悬臂支承）时，才能采用轴向进气道。
因此，在小型涡轮增压器上得到广泛的应用。
一般对进气道的要求是:
（1）进气均匀，使气流均匀地充满工作轮的每个叶片通道。
（2）流动阻力损失小。
进气道的流动损失对压气机的效率有显著的影响，因为这流动损失导致工作轮进口的气流温度增加，所以压缩功也就按比例增加，从而降低了压气机的效率。
（3）结构应尽可能简单和紧凑。
（4）要便于消音和清除杂质。
图2-1轴向进气道的结构
Figure2-1thestructureoftheaxialinlet
根据设计参数进行热力计算：
等熵压缩功=8328.47kg.m
—为空气绝热指数，=1.39；
—为空气气体常数，=22.4；
T0—环境温度T0=293K；
2.3.2导风轮的初步设计
气体从进气道流出后，进入旋转的导风轮。
它是压气机工作轮进口的叶片扭转部分。
由于导风轮的叶片造型比较复杂，为了加工制造方便，在多数情况下，导风轮和叶轮是分开制造的。
但在一些小型涡轮增压器上，常把导风轮和叶轮做成一体，把叶轮进口部分的叶片做成扭曲的形状。
本次设计也采用将导风轮和叶轮做成一体的结构。
导风轮的叶片型线主要有圆弧、椭圆和抛物线等三种型线。
近来较多采用抛物线型线，因为用抛物线构成的型面有下列优点：
能使气流以较低的流动损失平顺地从周向转到轴向；
导风轮叶片具有
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