柴油机.废气涡轮增压器

第四节废气涡轮增压器（TURBOCHARGER）简介一、废气涡轮Turbine二、增压器Charger三、轴和轴承ShaftandBearing及油、气的密封AirandOilSeal四、废气涡轮增压器的典型构造STRUCTUREOFTHETURBOCHARGER简介废气涡轮增压器是由废气涡轮和压气机两部分组成。压气机一般采用离心式压气机废气涡轮船用大、中型柴油机采用轴流式；中小型柴油机采用径流式所以废气涡轮增压器又可分为轴流式涡轮增压器和径流式涡轮增压器。一、废气涡轮TURBINE1.废气涡轮概述2.组成1)进气箱(涡壳)(gasinletcase)2)排气涡壳(gasoutletcase)3)喷嘴环(nozzlering)4)工作叶轮((propeller)5)导流器3.工作原理废气涡轮概述废气涡轮是压气机的动力来源它的作用是把柴油机的废气能量转变成推动增压器转子旋转的机械功，从而带动压气机旋转。喷嘴环由铸铁铸成的喷嘴内、外环和喷嘴叶片组成，如图所示。I.喷嘴叶片：等距离的数十个由耐热钢制成的叶片按一定规律浇铸在喷嘴内、外环上而组成一个圆环式的喷嘴装置。II.喷嘴叶片形成的通道从进口到出口呈收缩状。为使叶片、内、外环在工作中有径向膨胀的余地i.在外环上铣有数道通槽ii.外环与涡壳之间也留有一定的间隙。工作叶轮由合金钢锻成的轮盘和耐热合金钢制成的工作叶片组成I.工作叶片固定在轮盘外缘上，其叶根有纵树形和球形两种，如图所示。II.由一个喷嘴环与相邻的工作叶轮组成一个“级”，仅有一个级的涡轮称单级涡轮。绝大多数增压器采用单级涡轮。导流器起导流作用，用在涡轮工作叶片出口后面，在高比压的废气涡轮增压器中使用较多，以便提高涡轮叶片前后的压力降，提高涡轮效率。图废气涡轮的工作原理I.废气经过烟管、蜗壳以P0、T0、C0流入喷嘴。在喷嘴收缩形流道中膨胀加速，部分压力能转换成速度能。II.冲击力矩的产生：进入叶轮叶片间的流道时，气流被迫转弯。由于离心力作用，使叶片凹、凸面间产生压力差。合力pu对转轴产生一个冲击力矩，使叶轮旋转。III.反动力矩的产生：叶轮叶片的通道是收缩的，当气流在旋转的叶轮中流动时因膨胀加速，而给涡轮以反作用力，使叶片得到一个反作用力矩，使叶轮回转。燃气的热能和动能转换成叶轮的机械功，在冲击力矩和反动力矩两种力矩作用下回转的涡轮机称反动式涡轮机，只具有冲击力矩者称冲动式涡轮机。废气涡轮增压器多为反动式涡轮机。IV.轴向推力pa：废气在通过叶片通道时产生，此力将使转轴发生向压气机侧轴向窜动，因此必须在压气机端装置推力轴承。二、增压器Charger1.压气机概述2.组成1)进气道（airinletcase）2)工作叶轮（propeller）3)扩压器（pressureexpander）4)排气蜗壳（airoutletcase）5)进口气滤器和消音器（silencer）3.离心式压气机（centrifugalaircharger）的工作原理压气机概述增压器即压气机是废气涡轮增压器的增压元件作用是将吸入的新鲜空气进行压缩，提高它的压力和密度，最后送入气缸，从而达到增压的目的。废气涡轮增压器的压气机多采用单级离心式工作叶轮是压气机的主要部件，有半开式和闭式两种结构。1)半开式：工作叶片固定在轮盘上，没有盖板，回转质量较轻，一般用于大型高转速增压器。其特点是强度好、制造工艺简单、允许有较高的轮缘速度、能获得较高的增压压力。导风轮（与叶轮分开制造或一体制造）又称旋转导向装置：为了保证空气无冲击地进入叶轮2)闭式叶轮：与半开式叶轮所不同的是它有一个轮盖3。避免了空气与静止的蜗壳间的摩擦，从而使叶轮的气流流动损失小，效率较高。此外，轮盖可以加强叶片的刚性，减少叶片的振动。但是重量增加，制造工艺复杂，目前较少采用。一般只用在中小型增压器中。扩压器叶片式扩压器由叶片和金属圆环形平板组成其叶片间的气流通道呈扩张形一个工作轮与相邻的扩压器组成一个“级”。蜗壳排气蜗壳其流道也是扩张形的。离心式压气机的工作原理I.压气机由涡轮带动旋转，当压气机工作时，空气沿进气道进入工作轮的气流通道，并随叶轮作高速旋转而产生离心力，使空气受到压缩而被抛向工作轮外缘。压缩空气消耗了压气机的机械功。II.空气在压气机中的流动损失有：空气与壁面的摩擦损失、空气流内部相互摩擦损失、空气的撞击损失。三、轴和轴承及油、气的密封1.轴和轴承SHAFTANDBEARING1)轴的支承方式I.外支承II.内支承III.悬臂支承IV.内外支承2)涡轮增压器轴承I.滚动轴承II.滑动轴承2.气、油的密封AIRSEALANDOILSEAL外支承两个轴承安装在压气机和涡轮转子的两端。在大型废气涡轮增压器中应用得很多其特点是转子的稳定性好、便于转子轴的密封(轴承远离叶轮，轴向空间的地位较多)、轴承受高温气体的影响较小。另外增压器转子轴的中部刚性已较大，支承轴颈可以适当细一些，不致影响转子的临界转速，这样可以保证轴承有较低的表面切向速度，这对延长轴承的寿命是很有利的。同时放在两端的轴承工作条件较有利，更换轴承较方便，缺点是增压器结构相对复杂，重量尺寸较大，清洗增压器叶轮较困难。内支承两个轴承在涡轮与压气机之间的内侧，叶轮两端悬臂放置，在小型废气涡轮增压器上获得广泛的应用。特点：重量较轻，造价也较低，维护保养转子较方便。轴向长度较短，但其油、水、气的密封布置较困难，缺点是有一侧的轴承很靠近涡轮端，轴承的工作条件较差，更换轴承很不方便，需先拆去叶轮后才能更换轴承。悬臂支承两个轴承布置在转轴的一侧，压气机和涡轮的叶轮背对背的靠着布置在转轴的另一侧。优点是减少了轮盘的摩擦损失，从而改进了综合效率。两个轴承均在冷的壳体内，轴承的工作条件很有利。在设计时需要仔细地解决热传导，不同的线膨胀等问题以及转子有较大的悬臂力矩，要仔细地研究转子和轴承组合的动力特性，目前亦已开始在大型废气涡轮增压器上应用。滚动轴承俗称弹子盘。摩擦损失较小，加速性能较好，适用于高转速。但其构造复杂，寿命短，使用后无法修复。润滑：采用自备的润滑系统，齿轮油泵供油或甩油环飞溅润滑轴承布置：膨胀自由端放在涡轮一侧，为单排滚动支承轴承；推力轴承放在压气机一端，为双排滚动轴承轴向减振片：径向采用弹簧片束成弹性支承；轴向采用多环状簿片组合装在止推轴承的外圈端面。滑动轴承采用滑动轴承时，由于它的摩擦损失较大，所需滑油循环量很大，滑油还需进行冷却，因此轴承的滑油是强制循环的。一般滑油可单独使用或与主机同一系统共用，轴承结构较简单。无论采用何种轴承，都要考虑轴在受热后有膨胀的余地。一般把自由端留在涡轮侧，热膨胀时可以向涡轮端外侧伸胀。由于涡轮和压气机的轴向推力是朝向压气机一侧，因此在压气机轴端装有翻边推力轴承或止推块来承受轴向推力。滑动轴承与止推轴承气、油的密封AIRSEALANDOILSEAL密封原理：小量的气体(或油)经由密封件和轴之间的很小的间隙漏过，当通过间隙时受到节流，漏过后由于容积突然增大而使气体(或油)产生膨胀旋涡，速度减慢，压力下降；然后又从下一个密封环的间隙漏过，又再一次的节流膨胀和减压。经过几次以后气(油)压降低到接近于低压侧的压力就再也不能漏过了，就这样实现了密封。h静止件转动件钢丝铜片密封环h静止件h静止件转动件梯形螺纹（a）（b）（c）转动件四.典型构造介绍空气的进排气壳隔热墙轴与轴承油、气密封装置润滑冷却废气涡轮废气的进排气壳1-涡轮进气蜗壳；2-喷嘴环；3-废气排气壳；4-叶片；5-叶轮；6-导流器；7、8-气封；9-压气机排气蜗壳；10-扩压器；11、12-增压器叶轮；13-进气壳；14-消音器；15-推力盘；16-滑块；17-电动转速表；18、36-滑动轴承；19-消音器盖；20、21-金属滤网；22-导风环；23-消音环；24-定位臂；25-螺栓；26-消音器底座；27、34-挡油环；28-油封和气封；29-螺母；30-支座；31-隔热墙；32-支座；33-管子；35-滑套；37-油封；38-气封；A-气封空气通道；B-大气通道；C-节流旋塞压气机①750涡轮增压器工作参数750涡轮增压器工作参数•在额定工况下工作时主要：•空气流量为13kg/s，•增压压力为0.22MPa，•转速为8250r/min，•涡轮进口温度达450℃。②VTR-4系列增压器四.典型构造介绍③NA/S和NA/T特点：●内支承式浮动轴承；●高效率：压气机连续后弯叶片，加长的涡轮叶片并配有消除尾迹的废气扩散器；●轴承箱/S为非冷却式，T为冷却式四.典型构造介绍涡轮叶片废气排气壳浮动轴承和推力轴承压气机排气壳轴与轴承滑动轴承与止推轴承分解图1扩压器喷嘴环分解图2应急滑油系统涡轮与叶轮•前倾后弯叶片应用于增压器以来，已大幅度地改善了压气机的性能，从而使增压器的高性能化、大容量化成为现实。一般，前倾后弯叶片压气机比径向直叶片压气机的工作流量范围可扩大30~50%，甚至70%，效率也有所提高。•增加压气机叶片数并采用薄叶片有利于提高压气机的效率。但由于存在制造和强度上问题，目前只在出口边叶片厚度采取减薄的措施，已在产品上得到实际应用。叶片出口边厚度减薄40％，效率可提高约1.5％；并可提高叶片的自振频率。薄片型叶片改为螺桨叶型叶片，因为矮胖的螺桨叶型叶片使膨胀后的燃气流很少发生尾迹，从而提高效率，使性能得到改善。另外，由于尾迹减少，由尾迹引起的激振及其影响减小，因而在动叶上取消了为减少叶片振动而设置的拉筋，可提高效率1~2％。叶轮涡轮④PTL…turbinecharger轴与轴承涡轮与叶轮47、48-油泵⑤VTR-0与VTR-1油泵TCS动力涡轮