专利名称：J80蜗轮增压器及其应用的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及到内燃机增压技术，系小型径流式涡轮增压器，特别适用于车用发动机。
目前国内生产的涡轮增压器有上海柴油机厂的J110增压器，用于发电机组；七零研究所研制生产的J125增压器适于大功率履带车辆发动机。我们从专利文献上检索到一种现有技术CN86100943A，它采用导流环与碟阀机构，结构较为复杂，不适合车辆使用。
我国是一个幅员辽阔、地形复杂、多高原国家，近年来，随着国民经济的发展，汽车运输事业起着举足轻重的作用，尤其是在广大高原地区更是如此。而在我国高原上行驶的车辆大多装的是非增压发动机，海拔越高，空气越稀薄，非增压发动机越不能适应，功率要下降，油耗要上升，海拔每升高1000米，发动机功率要下降15％；油耗要上升8％，这就严重影响了高原地区的运输效益。
本实用新型的目的在于克服非增压发动机的缺点，发展我国高原地区的运输事业，为高原上使用的汽车发动机，设计、匹配J80涡轮增压器。
本实用新型是一种由压气机、涡轮组件和轴承组件三大部分构成的涡轮增压器(见附图1)，其特征在于压气机蜗壳5和涡轮箱2均计入气体在通道内沿程摩擦损失，其通道比流通面积A／R是沿圆周角θ非线性分布的，压气机叶轮6为前倾分流、不等节距的长短叶片和椭圆叶型且其导风轮修尖，涡轮1设计成后倾式并按应力分布规律造型。为了适应高原汽车发动机的需要，我们在设计时旨在获得一个高效率、可用流量范围宽的诸元组件的最佳匹配。
在设计涡轮1时，其叶片径向截面一改过去的单梯度形式(见附图2、图2A)，而按应力分布规律来造型，使之趋于“等强度”即叶片外缘较薄，随着半径变小叶片逐渐加厚，接近根部时突然加厚。按此种方式设计，其叶片质量分布比较合理，既保证了叶片强度又减小了转动惯量。同时沿叶片轴向将其设计成后倾式(见附图2、图2B)，既增加了叶片刚度又使得海拔高度升高时涡轮转速有增加裕度的可能(由8万超速到11.6万r／min)。
涡轮箱2采用无叶涡轮箱的设计方案，这是经我所多年设计研究目前已趋于成熟的方案，由于J80涡轮增压器是针对汽车用发动机设计的，考虑到小型化和低成本以及发动机低速特性，决定选用双通道360度全进气形式的无叶涡轮箱以便适用流量范围宽、进口气体脉冲小、继而对涡轮叶片激振也小的轻巧叶轮，从而改善了J80涡轮增压器的反应灵敏度。
六、七十年代，世界各国几乎均采用比流通面积A／R与圆周角θ成线性规律的设计方法，后来发现涡轮叶轮入口处的气体静压沿圆周分布极不均匀，这对涡轮效率十分不利。自八十年代中期，经过多次实践，我们搞了自己的设计方法，这次本实用新型就采用沿圆周角θ计入在通道内沿程摩擦损失、其比流通面积A／R为非线性分布规律的设计方法(见附图3)。
轴承系统的好坏将关系到增压器能否可靠有效地运转，我们设计时既要考虑到工作可靠性，又要使其具有较高的机械效率。为此，我们采用径向进油、内置全浮动浮环轴承3，并用厚壁、大跨距、较小轴颈即所谓柔性轴方案(见附图4)。轴承体4，采用HTM－3B耐磨铸铁，以提高其可靠性。
压气机蜗壳5，采用三圆弧通道计入气体在通道中沿程流动损失的蜗牛式蜗壳(见附图5)并采用无叶扩压器(外径D3＝130mm)，尽管它比叶片式扩压器在压比和效率方面有些逊色，但其特性变化平坦，这无疑更适用于车用发动机。
压气机叶轮6，采用前倾分流、不等节距的长短叶片和椭圆叶型曲线叶轮(外径D2＝78mm)，并将导风轮叶片前沿修尖。试验表明，带前倾的直叶片叶轮，出口处气体流场的分布更均匀，适用流量范围较宽，效率也较高。通过对叶轮通道内三元流场的计算分析，发现短叶片的位置偏向长叶片压力面一侧的长短叶片叶轮(即不等截距叶轮见附图6)较之常规的等截距叶轮具有更优越的性能，效率可提高2％，而且高效区的范围也扩大了，在相同的圆周速度下所能达到的压比也提高了。针对车用发动机的特点，采用椭圆叶型曲线(见附图7)，在造型基圆上的叶型方程为Z′＝(b／a)a2-(a-Y′)2]]>通过给定叶型前倾角γ、展开弧长So、轴线长度Zo和叶片安装角β0诸参数，可求出椭圆的长短轴a和b。
为了减小气流在叶轮入口处的撞击损失以提高压气机效率，我们将导风轮叶片前沿修尖(见附图8)。
止推轴承板7、止推片10、转子轴11和密封套13、密封环14、挡油板15以及间隔套16共同构成双向止推系统与双重密封系统(见附图9)。
为了减少热端向冷端传热以提高增压器效率、延缓润滑油老化，J80涡轮增压器采用了与轴承体4分为两体的隔热罩12，它与轴承体4一起形成两个隔热腔。
涡轮箱2压气机蜗壳5和轴承体4的连接，均采用压板与螺钉，既保证了连接可靠，又可使三大壳体的周向位置任意调整，使增压器在发动机上安装有较大的调整自由度。外形尺寸为200×215×186(mm)。
J80涡轮增压器是在吸收军用增压器技术的基础上独立设计、研制而成的，经台架试验和装车试验证明，工作可靠，其压气机效率已达75％，处于国内领先地位，并达到国际八十年代先进水平。采用本实用新型的汽车，在高原上发动机功率提高23％，扭距增加31％，燃油消耗率降低8％，排气温度降低100℃，百公里油耗降低8％左右。
图1是J80涡轮增压器结构图。
其中1、涡轮；2、涡轮箱；3、浮环轴承；4、轴承体；5、蜗壳；6、压气机叶轮；7、止推轴承板；8、背盘；9、锁紧螺母；10、止推片；11、转子轴；12、隔热罩。
图2是涡轮叶片型式；图2A是图2的A－A剖面；图2B是图2的B－B剖面。
图3是无叶涡轮箱通道比流通面积A／R的变化规律。
图4是轴承系统示意图。
图5是三圆弧蜗壳通道图。
图6是不等节距叶轮示意图。
图7是压气机叶轮椭圆叶型曲线图。
图8是导风轮叶片前沿修尖示意图。
图9是双向止推和双重密封结构图。
图10是压气机出口空气密度γ2和压比πC的关系曲线。
图11是J80涡轮增压器压气机特性曲线。
图12是J80涡轮增压器涡轮流通特性曲线。
图13是J80涡轮增压器与6102QA发动机连接示意图。
其中1、J80增压器；2、6102QA发动机。
下面举出本实用新型与车用发动机匹配的实施例涡轮增压器与发动机匹配比较复杂，需要预先进行匹配计算以便合理地确定压气机设计参数，并据此确定涡轮及涡轮箱的流通面积。先给出设计工况大气状况Po＝100KP。
大气温度to＝20℃发动机型号6102QA1 6102QA型发动机匹配J80增压器后主要技术参数型式直列、六缸、水冷、四冲程、直接喷射式增压方式脉冲涡轮增压、无中冷缸径×行程 102×115(mm)气缸总排量 5.638L额定工作转速 3000r／min额定功率 99KW进排气门重迭角30°2 压气机匹配计算根据发动机的结构参数和增压后要达到的技术指标，首先确定其所需的空气量Gc，而后再确定其所需的压比πc，根据所得出的Gc、πc来选择合适的压气机。
2·1 发动机在额定工况时所需的空气量GcGc＝ (ge·He·a·b)/250 (Kg／s)ge－发动机的燃油消耗率，取ge＝234(g／KW·h)Ne－发动机的额定功率，一般增压发动机海拔高度升高2000米功率约下降6％。将海拔2000米处的发动机功率换算到标准地区的功率值为99／0.94＝105.32(KW)α·φ－发动机总过量空气系数，取α·φ＝2.21则
Gc＝ (0.234×105.32×2.21)/250 ＝0.218(Kg／s)2·2 发动机额定工况的压比πcGC确定后，其压比πc决定发动机的排量Vh、转速ne和充气系数ηv、扫气系数φ以及压气机的效率ηc。
所需的压气机出口的气体密度γ2γ2＝ (60·GC·π)/(ηV·φ·Vh·ne) (Kg／m3)对四冲程发动机则冲程系数τ＝2对进排气重迭角为30°的发动机取ηv·φ＝0.94则γ2＝ (60×0.218×2)/(0.94×0.005638×3000) ＝1.645(Kg／m3)令压气机效率ηc＝0.74则由附图10曲线上得出对应的压比πc＝1.742.3 求出沿发动机外特性的空气流量和压比这是一个很难解决的问题，因为它受控于涡轮增压器的效率变化以及发动机供油规率等因素。为了计算发动机外特性与压气机特性的匹配状况，我们是依据过去的6P125、12V150、BF12L413和6130等发动机大量配机数据进行计算的。研究这些增压发动机沿外特性时增压压比πc和气体流量Gc相对变化规律，再以前面求出的额定工况的压比和流量便可计算出6102QA发动机配J80增压器后沿外特性的压比和流量，将其绘制到附图11上的J80增压器压气机特性曲线上，可看出发动机与增压器压气机的匹配是比较合理的，因为发动机外特性的耗气线正贯穿于压气机的高效率区。6102QA匹配JQ80增压器后为6102ZQA。
3 涡轮的匹配计算为了简化匹配的工作量，通常固定涡轮叶轮结构尺寸，以匹配几种不同流通面积的涡轮箱在一定的范围来实现不同发动机的匹配，因而涡轮的匹配计算便简化为对涡轮箱流通面积的选择。
3.1 所需的涡轮膨胀比πT由压气机和涡轮功的平衡可得πr=[11-0.8881(t1+273)(πc0.286-1)(t3+273)·ηto]394]]>式中t1－压气机进口温度取20℃t3－涡轮前温度参考以前试验数据取520℃ηtc－涡轮增压器的总效率取0.46
πr=[11-0.8881(20+273)(1.740.286-1)(520+273)×0.46]394=1.673]]>取涡轮后的背压P4＝0.102(MPa)则涡轮前的气体压力P3＝P4×πT＝0.102×1.673＝0.1706(MPa)3.2 所需的涡轮箱流通面积A对已有的涡轮和涡轮箱将通过平台试验求出其稳态的无因次流量GT·
／P3与膨胀比πT＝P3／P4的关系－即涡轮流通特性，再根据涡轮的流通特性来求出不同参数所需的涡轮箱流通面积。
据此得出6102ZQA所需的脉冲状态下的无因次流量为(GrT3P3)′=0.218×520+2730.1706=35.98(kg/sKMPn)]]>涡轮在稳态下所通过的流量大于在脉动下所通过的流量，它们之间存在一个换算系数a，根据过去的试验数据取a＝0.95，则6102ZQA所需的稳态无因次流量为GrT3P3=(GrT3P3)′/a=35.98/0.95=37.87(kg/sKMPa)]]>
将πT＝1.673，GT·
／P3＝37.87点在附图12涡轮流通特性上，便可看出所需的涡轮流通面积A＝18(cm2)到此求出了J80涡轮增压器与6102QA型发动机全部最佳匹配参数。
图13是本实用新型与6102QA发动机气道和润滑油路连接示意图。
权利要求1.一种由压气机、涡轮组件和轴承组件三部分构成的涡轮增压器，其特征在于压气机蜗壳5和涡轮箱2均计入气体在通道内沿程摩擦损失，其通道比流通面积A/R是沿圆周角θ非线性分布的，压气机叶轮6为前倾分流、不等节距的长短叶片和椭圆叶型且其导风轮修尖，涡轮1设计成后倾式并按应力分布规律造型。
2.按权利要求1所述的涡轮增压气器，其特征在于压气机蜗壳5采用三圆弧通道的蜗牛壳，并采用外径D3＝130mm的无叶扩压器。
3.按权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于采用双通道360°全进气的流通面积A＝18cm2的无叶涡轮箱2。
4.按权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于外形尺寸为200×215×186(mm)。
5.按权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于压气机叶轮6的外径D2＝78mm。
专利摘要本实用新型涉及到内燃机增压技术，系小型径流式蜗轮增压器，特别适用于车用发动机。其压气机叶轮6采用不等节距、长短叶片、前倾分流且叶尖修圆的新型结构，从而保持有较高的效率。蜗壳5采用外形小巧、内通道为三圆弧形的蜗牛壳。在通道截面设计上计入了气体沿通道的摩擦损失，使压气机效率达到75％，居国内领先地位。采用360°全进气双通道无叶蜗轮箱2，具有较小的径向结构尺寸，重量较轻，具有宽广的流量适应范围，适合高原汽车应用。
文档编号F02B33/40GK2147357SQ9223204
公开日1993年11月24日 申请日期1992年9月5日 优先权日1992年9月5日
发明者董复兴, 刘宝光, 刘天清, 郗健 申请人:中国兵器工业第七○研究所