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1、目 錄 CAD圖紙 ，聯(lián)系153893706 前.言 1 1 廢氣渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 1.1 工作輪結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 1.1.1 工作輪結(jié)構(gòu) 2 1.2 相關(guān)參數(shù)計算 2 1.2.1 設(shè)計原始數(shù)據(jù) 2 1.2.2廢氣在單級渦輪內(nèi)的膨脹過程及效率 2 2 廢氣渦輪工藝設(shè)計 7 2.1葉輪的材料 7 2.2 材料的獲得…… 7 2.3造型材料和造型方法…… 7 2.4零件的獲得…… 7 3 結(jié)論 8 參考文獻(xiàn) 9 1 課程設(shè)計 前言 1905 年瑞士工程師波希(Alfred Buchi)首先提出渦輪增壓柴油機(jī)概念，這是一件對

2、內(nèi)燃機(jī)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義的大事，五十年代以來，渦輪增壓技術(shù)在國內(nèi)外均得到飛速的發(fā)展，它已經(jīng)成為增加內(nèi)燃機(jī)功率，降低單位功率重量，降低制造成本的最有效方法。自從20世紀(jì)70年代渦輪增壓在車用發(fā)動機(jī)上得到推廣以后，更有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。目前，己被世人公認(rèn)為內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向之一，迄今仍保持著方興未艾的發(fā)展勢頭。渦輪增壓是一項新技術(shù)，幾十年的發(fā)展歷史有力地表明，渦輪增壓是提高發(fā)動機(jī)功率和改善經(jīng)濟(jì)性的最有效措施，也是發(fā)動機(jī)強(qiáng)化的必然途徑，它已成為當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的重要方向。渦輪增壓是使柴油機(jī)動力裝置降低成本、縮小體積、減輕重量最成功的方法。實踐證明，對于安裝尺寸受限制的應(yīng)用(如船舶、機(jī)車、卡車等)上是最

3、受歡迎的，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非增壓發(fā)動機(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年代各國對環(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策以謀生存。新開發(fā)的柴油機(jī)必須在諸多方面能體現(xiàn)出優(yōu)越性，否則就無法適應(yīng)未來劇烈的市場競爭。縱觀我國中速機(jī)的現(xiàn)狀，應(yīng)該說己初步具備了研究、設(shè)計和生產(chǎn)體系，但就總體水平而言，強(qiáng)化度不高，部分關(guān)鍵部件的可靠性尚待進(jìn)一步提高，自動化程度低，減振降噪，措施尚未實際應(yīng)用(但高速機(jī)

4、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；部分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)保等方面具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)而被眾多柴油機(jī)所采用，而且發(fā)展越來越迅速。從發(fā)展趨勢來看，增壓程度越來越高，現(xiàn)在最大平均有效壓力已超過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題，因此對增壓系統(tǒng)提出了越來越高的要求：要具有良好的全工況性能，主要是有利于

5、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，國內(nèi)外研究人員通過各種途徑做了大量的工作，并取得了較顯著的成績。 1　廢氣渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計 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。當(dāng)流量較大時，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。在流量較小時，它的效率較高，制造又較簡單，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 1.1　工作輪結(jié)

6、構(gòu)設(shè)計 1.1.1　工作輪結(jié)構(gòu) 工作輪是把從噴嘴環(huán)出來的高速廢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)動慣量、提高強(qiáng)度改善加速性能。 1.2　相關(guān)參數(shù)設(shè)計 1.2.1 設(shè)計的原始數(shù)據(jù) 設(shè)計選擇4102型柴油機(jī) D=102（mm），S=118（mm）， =3.856（L）； 發(fā)動機(jī)過量空氣系數(shù)=1.7； 容積系數(shù)=0.98； 掃氣系數(shù)=1.02； 掃氣過量空氣系數(shù)==1； 1.2.2 廢氣在單級渦輪內(nèi)的膨脹過程及

7、效率 為了計算廢氣在單級渦輪內(nèi)的膨脹過程，常利用I—S圖來分析廢氣在單級渦輪內(nèi)的膨脹過程，I—S圖繪出了廢氣的膨脹過程在圖點(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)時的速度，它的動能為。廢氣進(jìn)入噴嘴環(huán)時的狀態(tài)用滯止參數(shù)表示（點(diǎn)），=，即=+。 圖2-1廢氣在單級渦輪內(nèi)的膨脹過程圖 I S 當(dāng)廢氣的初始狀態(tài)為、在單級渦輪中膨脹時，壓力由降到。如果，廢氣在單級渦輪中按理想過程進(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程，可以認(rèn)為在過程中沒有流動損失及與外界沒有熱量交換。此時廢氣的焓

8、降是—，以H表示，即H=—。它表示在單級渦輪中進(jìn)行的膨脹功，通常稱為絕熱膨脹功（或稱可用焓降），即廢氣在單級渦輪中所作功的最大值。 1）絕熱膨脹功 它表示在單級渦輪中進(jìn)行的膨脹功，即廢氣在單級渦輪中所能作功的最大值[4]。 （J/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)動功率

9、 （kW） （2—3） 式中 —為廢氣每秒鐘進(jìn)入渦輪的流量，=1.3； —單位時間內(nèi)通過柴油機(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； —渦輪實際輸出的有效功率； 3）渦輪的反作用度 在渦輪中常用反

10、作用度來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，=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)動方向的改變（因相對速度不變），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，而有一部分在工作輪內(nèi)膨脹，則 ，這種渦輪成為反作用式渦輪。此時，因氣體相對

11、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加速度和相對加速度，從而減少了流動損失，提高了渦輪的效率。 （J/kg） （2—5） 取 =0.44； （J/kg）； 4）渦輪機(jī)的膨脹比 （2—6）

12、 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）；

13、 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Γ?=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，工作輪葉片也為6片，由此可以計算出大圓半徑r r2 6Fr

14、 （2—12） r==4 (cm) 2　廢氣渦輪工作輪工藝設(shè)計 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成本，并且可以大批量的生產(chǎn)，減少加工工藝，設(shè)計成星形可以更好的減輕重量、減小工作輪轉(zhuǎn)動慣量，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)，因為鋁合金有良好的流動性，方便澆鑄，使其具有良好的流動性、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

15、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)動功率等使渦輪機(jī)能夠有充分功率驅(qū)動壓氣機(jī)使其達(dá)到增壓的效果 。在整個

16、的設(shè)計過程中，使大學(xué)所學(xué)的課程更加扎實，并且學(xué)了一些沒有學(xué)過的理論。但是，在設(shè)計過程中用到的一些理論并不完善有待于學(xué)習(xí)和提高。 在整個設(shè)計的過程中，由于時間關(guān)系有些參數(shù)在計算和選擇過程中，一些次要的因素和環(huán)境因素沒有考慮。一些具體的系統(tǒng)沒有進(jìn)行理論的計算，只是進(jìn)行了選型設(shè)計。需要在以后的工作中去提高。 參考文獻(xiàn) [1] 孫軍，汽車發(fā)動機(jī)原理[M].合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，2001.01. [2] 過學(xué)迅，鄧亞東.汽車設(shè)計[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：

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