3298 汽车废气余能回收利用装置设计
3298 汽车废气余能回收利用装置设计,汽车,废气,回收,利用,应用,装置,设计
目 录第一章 引言 .51.1 、研究背景及意义.51.1.1、汽车废热利用的空间.51.1.2、汽车废热利用特点.51.2、研究进展综述.61.2.1、涡轮增压技术.61.2.2、余热制冷技术.61.2.3、余热发电.81.2.4、余热采暖 .91.3、小结 .101.4、本文主要工作.10第二章 针对ZH4100柴油机及排气系统的涡轮部分设计.112.1、ZH4100柴油机的相关资料.112.2、排气系统管路图.112.3、涡轮设计.12231、涡轮型式选择.12232、涡轮设计前需确定的参数.13233、具体计算步骤.14234、涡轮损失计算和涡轮参数的计算进一步确定.17第三章 其他部件的匹配设计 .193.1、轴设计.193.1.1 、轴的结构设计.193.1.2 、轴的材料选择.20 3.1.3 、轴的强度校核 .203.2、涡壳设计 .223.3、小端涡盖设计 .233.4、大端涡盖设计.233.5、部分图片预览.24第四章 感谢.24参考文献 .25附录1:符号表附录错误:引用源未 : 文文献 文及其 文2汽车废气余 利用 设计要汽车工 发展的三大主 一 源 的 汽车 的关 关研究资料表 汽车料发的 三分 一currency1 “利用 其的 排大气 fifl 源的 fi” 采用 “ 分利用汽车排的废热 汽车 、 排的一研究 本文对前的汽车余热利用 进分 综 分 汽车废气涡轮发电 的汽车余热利用式 进 步设计 本文 对汽车废气 进分 用 “ 的 算 分 汽车废气 废气 的 废气 用 的 其 本文分 fi 排气系统废气 利用的 利用“ 的排气系统 针对一 发 机进设计 针对一 柴油发 机利用 制的 设计 进涡轮部分设计 本文 针对一 具体的发 机排气系统设计涡轮机壳 涡轮管 轴 轴 对 部分的设计 涡轮设计的 其部分 涡轮计算 制 者 的发电机设计技术相熟 本文fi 具体针对发电系统部分进设计 本 设计 轴部分 轴端 以 万 连接器 也 以与要设计的发电机 轴 需要 意的本 设计的轴 一端为悬浮 即 一端轴 固定 另一端的轴 固定 需要电 机里面的轴 本文将具体每零件三维图及其cad图已经一一画 本文 附以三维几部分平面图片 一边读者心对设计更 清晰!关键词:汽车;废气;余热; 利用;涡轮3From car exhausts to recycle the device designAbstractEnergy conservation is one of three big subjects in automobile industry developmentBecauseenergy consumption intensifying the question of automobile energyconservation prepares peopleSattentionThe related research material indicated the energy sending oat from automobile fuel burningonly has about 13 effectively been used other energies discharge into the atmosphere not only hascreated the energy waste butalso has brought the poor environmental influenceTherefore adopting theeffectivemethod to fully utilize the waste heat discharging from the automobile has to be a researchdirectionThis article has classified the method of the current from a variety of the use of a classification yuremeans, and comprehensive analysis and comparison, the turbine generation are more likely to exhaust thecar, and yure of the preliminary design. The first to exhaust the energy was analysed and efficiency of energy shall be in a republican wayanalysis is to exhaust the energy that had to exhaust the energy for the proposed increase in exhaust can useof energy. second, this article analyzes the different systems in the exhaust the energy of differences andenergy efficient use of the higher the exhaust system solutions and an engine of the design.This article has analyzed the difference in the exhaust gas energy utilization of different exhaustsystem proposed the exhaust system plan which can bring about higher efficiency of energyutilization and carried on the design which aims at a diesel engine This article for a specific the engine exhaust system design, the turbine, the turbine, bearings, shaft,owing to limited ability, knowledge is limited, and furthermore, the generator design skills are quite ripe,and this is no specific system for electricity generation of design. the specific each component three vitouand cad is a picture of a graph and, in this paper attached to a few parts of the 3d images, and the plane wasto design more clear!Key words:automobile;exhaust gas;waste heat;energy utilization;turbine4 第一章 引 言1.1 、研究背景及意义社会经济的发展使 源 急 增 源供需矛盾日益突 严重的” 汽车保 越越大 汽车的 源 总 源 占的 例越越 汽车 越越 国家的关 为今世界汽车工 发展的主国一石油存储相对欠缺的国家 目前已为世界第二大石油进口国 而汽车 的 源主要石油料 随着国汽车工 的迅速发展 汽车料 “利用和减少”污染 国具 更为重要的战略意义 调查研究表 汽车料发的 三分 一currency1 “利用 其的 散发、排 大气 这 源的 fi” “利用汽车废热汽车 汽车 源 的一 “途径 1.1.1、汽车废热利用的空间从目前汽车用发 机的热平 看 用 输的功一般占油总热的30一45(柴油机)或20一30(汽油机) 以废热形式排车 的 占总 的55一70(柴油机)或80S一70S(汽油机) 主要包括循冷却水走的热和尾气走的热 81 表1.1为内机的热平 4表从表l 以看汽车废热利用 大的空间 其 “利用自然 越越多的关 fi少 致 面研究 1.1.2、汽车废热利用特点车用发 机特殊的使用场 汽车废热利用具 鲜 的特点和特殊的要求 将这些特点简单归结如下 853 :一汽车废热的品位 困难;二废热利用 要结构简单 体积小 重轻 “ :三废热利用 要抗震 抗冲击 适汽车运”:四要保证汽车使用的安 ; 要fi发 机工热平 分 汽油机 速柴油机 速柴油机为 “功的热 20 30 30 40 35 45冷却 走的热 25 30 20 25 10 20废气走的热 40 45 35 40 30 40其热损失 5 10 5 10 10 155作特 发 机 和经济 汽车废热利用具 述特点 使研究的 多 的fi多 废气涡轮增压面 用 进展 1.2、研究进展综述目前 国内 汽车余热利用的技术 从热源看 利用发 机冷却水余热和利用排气余热 从用途看 废气涡轮增压、制冷空调、发电、采暖、 料 式 一述 废气涡轮增压 其他 技术和其他面 研制或 未 以下从用途分 国内相关技术的研究 8 1.2.1、涡轮增压技术废气涡轮增压技术利用废气的部分 内机的进气压 进而增 气、以 和经济 的内机 技术 废气涡轮增压 主要 轴 配的涡轮和压气机 发 机排的废气经排气管进 涡轮 涡轮运 从而压气机压鲜空气 进气管 发 机汽currency1内 废气涡轮增压 内机的和经济 这 的主要目的“废气的部分 内机的进气压 增 气 而fi 利用废气的 ;另 内机与涡轮增压 工作 fi的特点 使增压内机的 速 和fl 特 增压内机的使用增 一些强制附 件 使用的fi ; 这技术和 汽油机与小型柴油机使用“ fi 目前多 大型柴油机使用 使用面 与 一定 制 随着汽油机电”技术的运用 汽油机废气涡轮增压也将 发展 汽油机废气涡轮增压 需 发 机 震、热增 大 使用 1.2.2、余热制冷技术目前 车空调 占统位的 汽压式空调系统 采暖利用发 机冷却水余热 车空调一般要 8 12的发 机 5 这一面增 油 大废气排 空气的污染;另一面引 水热 车 ; 汽压式空调系统采用的制冷工 为利 致 “ 适 与制冷功 间的矛盾已为 车空调研制的难 和利用发 机排气余热 制冷系统 车空调 的 也目前世界国 研究的 目前的这面技术主要 式和 附式 式制冷式制冷 以热 为 制冷循的 利用汽车循冷却水余热和利用排气余热 途径 86 相关文献 研究 多的利用循冷却水余热 式制冷 排气 度 冷却水 度 利用热大 冷却水 然也 6以利用排气余热 式循 式制冷循系统 采用的工 水一 、 一水、R22-ETEG、R22、R22-DMF 式制冷系统 大的COP(相对 附式而言 结构 、体积大、 而 四器(发 器、冷 器、 器、 发器)需要自 水平面 fi 适用 经 、运 的汽车 附式制冷附式制冷利用些固体 一定 度、压 下 附气体或水 汽 另一 度、压 下 的特 制冷 这 附与 致压从而 压机的作用 制冷系统 发 器、冷 器、 发器和 余热 以考 式 8 利用冷却水的热和利用发 机排气的热 如 使用从发 机冷却水 的热 水与 附器的热“ 气体与 附器的热“ 对热 为 利; 热源 度相对 ( 100 与用 冷却的空气 度相fi大 这 循的 小 使循的 附 对工作fi利的 如 使用从发 机排气 的热 气体与 附器的热“ 热困难 发 机排气的 度 (汽油机500 600 冷却水的 度) 对热 利的 而 度与冷却空气的 度相 大 以使系统循 大 从而 大的 附 附式系统结构简单、 的热 的 下 大大 系统的 为 的系统 附式制冷的COPfi 需要 预 间 单位 的 附 的制冷功 小 系统重 废热利用fi 而汽车空调要求体积小、制冷大、 、作 这 制的用和发展 要 以要求 系统COP 及单位 附制冷功 目前 附制冷系统 用的 附 (制冷) 氢气、水、甲醇、 气、RJ34a、R22 ”式制冷郑爱平、赵乱、钟琼香 利用以HCFC-123为工 的汽车余热 的”式制冷系统 ”式制冷循的主要特点以”器 替压机 以 热 作为补偿制冷的 543 其工作循如下: 热器 热的 压工作 汽 ”管进绝热膨胀 形一股 压、 速气 将 发器内的 压气制冷抽 ”器内 与 混 扩压器内增压进 冷 器 冷却 冷 液体 然 一部分 结液作为制冷 阀压 发器 热气 压 汽;另一部分循如下: 热器 热的 压工作 汽 ”管进绝热膨胀 形一股 压、 速气 将 发器内的 压气制冷抽 ”器内 与 混 扩压器内增压进 冷 器 冷却 冷 液体 然 一部分 结液作为制冷 阀压 发器 热气 压 汽;另一部分循泵 压 热器 用作工作 汽 ”式制冷系统除循泵 没 其运 部件 而 系7统的工作 汽与制冷 fi需要 似 式制冷机的制冷分离设而结构简单 功少 以利用 品位热 以适用 余热 以利用的汽车空调器 1.2.3、余热发电利用废气 发电的 基本 三 分别为利用半 体 发电、龙透平发电和废气涡轮发电 半 体 发电 8 o随着半 体材料及其 工技术的发展 金属 体热电 “逐渐 利用半体 发电 畴 用的 资料表 :半 体 发电材料的热电 “ 33 甚至7 吉林大学的董桂田 证 用汽车发 机排气废热发电 够 统的汽车发电机 发电 热 对汽车整体 大 稗益 为 发电截 部分 热枫冷源的热使其热“ 度 致排气压 减少也 “ 汽车I噪声水平下 这 使汽车 音器的结构简 紧凑 发电本身静下 没 旋 部件 勿需 系统 热电 “ 利用发 机废热的一小部分 待 进一步 热电 “和寻具 更 热电 “的材料 龙透平发电 8日本的一色 利用发 机废热的龙透平发电 浚 利用一 的 度下 为 压气体的 沸点 ( 为利)作为工 使其 发 机废热 液 为 压 汽从而 透平机发电 利用 品位热 面 势 其缺陷系统 为 重 废气涡轮发电 9青岛大学的张铁柱利用废气 涡轮 发电机发电的设 设计一 获专利一 日本的吉圉佑也曾作 面的 证 利用废气 涡轮发的电 以供汽车运需电 未 进一步研究 结构简单 对发 机工作 图1的发 机模型 涡轮发电系统模块 对系统 进分 发电涡轮模型采用 模型建立 涡轮系统 如图1示 A 采用朗肯循 发 机排气管的热器作为朗肯循的 发器和热器 B 采用布雷登循 发电系统与微型气轮机 似 C 采用电辅“涡轮增压器 增压器轴安 电机/发电机 排气 超增压需 利用发电机 D 排气系统 涡轮发电机 与 涡轮增压器 工作 E 也 排气系统 涡轮发电机 与 涡轮增压器串工作 图一 涡轮发电系统 81.2.4、余热采暖余热式暖气 利用汽车发 机工作剩余热供暖 型式利用发 机冷却水的热 称为水暖式;利用发 机排气系统的热 称为气暖式 余热式暖气 的点既fi需要 汽车增 热源 fi增 发 机本身的热 本 、经济好、使用 其缺点发热的大小 发 机工 的制约 而 fl 冬季发挥作用 废气 利用fi分 水暖式暖风 用 汽车采暖系统 其发热 小 主要用 非严寒区 暖容 小的货车和车 ” 度 会使发 机 冷 增 发 机fi 要的机械磨损 发 机的功 气暖式暖风 的发热大 采暖“ 好 ” 度小 对发 机:作小 要 意fi要增 排气背压 否将 发 机的工作 1.3、小结9 从述 以如下结论:1.3.1、对废气涡轮增压说 目前存 的 大 发 机的工作 特别 工 下的 为 fifi使用混 形式的增压系统 即 工下利用蓄电池电 涡轮增压器 其他 下使用废气涡轮增压 赢工 采用废气旁 涡轮 速 的 如 将废气 为电 进而 压气机 这 一面 简 增压系统 另一面 工 fi 采用旁 而分利用废气 多余的电 供蓄电池和其他用电设 使用 1.3.2、对利用废气 制冷空调说 无论 式 附式 存 coP 小(对压式) 体积大 fi适汽车运 致命缺陷 用 科 替 汽车空调fi 的 如 将废气 为电 从而 的汽车空调压机 一面 fi 的汽车空调 另一面 分利用废气 以 小的 大的“益 1.3.3、对利用汽车废热供暖说 非严寒区 冬季车内供 利用发 机冷却水的余热 而fi 的供暖系统; 严寒区利用废气余热供暖存 着的季 废气 的利 fi分 如废气 为电 的“ 够 考利用 的电 供热 一面 分利用 而fifl 冬季 另一面 减少供暖系统布 的困难 1.3.4、对半 体 发电说 “的热电 材料 未发 已 的热电 材料“ 至少 目前 fi 分 1.3.5、对利用废热 料说 这 利用余热的 小部分 经济 fi 作为废气 利用主要 者 为利用废气 为机械 进而为电 作为废气 利用的主要研究 对废气 的利用 的电 使用 更重要的这 fi需对 汽车设 大 需 的主要 :一 会对发 机工作 如 减少甚至 除这非 重要的;二 的 “ 够 多少需要 确 “定其用 1.4、本文主要工作1.4.1、工作目 为 汽车废气 利用 存 的 “fi 困难 用途单一 结构 体积大 缺陷 设计一将汽车废气 机械 的型 将其用 内机 供的 以 或部分 内机没 定要求的附件 如电 机、蓄电池、水泵、 油泵、 空泵甚至空调 为10述目的 本 涡轮废气 的 和 机械 的 为 本文对前的废气利用 面的调查 前废气的利用发展形势 利用式 针对一 具体柴油机 1 排气管废气 的机械部分 设计 包括涡轮设计计算 涡壳的匹配设计 轴的设计 第二章 针对 1 柴油机及排气系统的涡轮部分设计112.1、 1 柴油机的相关资料表 1 柴油机相关参数2.2、排气系统管路图图 排气系统管路图2.3、涡轮设计31、涡轮型式选择 81前 用的涡轮主要 三:轴 式、径 式和混 式 轴 式涡轮用 设计简单 其“ 其他形式涡轮 而 少采用 径 式涡轮“ 、体积小、结构简单 设计 熟 多的 数 预 使用 多 速 会 轮口排气损失大 轮内部 fi 使涡轮 混 式涡轮结构 制 困难 速“ currency1数 currency1径 currency1“ 排currency1“ 发 进气大 速 currency1 fi“currency1fl “排 currency1度“1 1 3 1 1 3 自然 气 1 12 速 与径 式涡轮相 其 数 欠缺 设计和 预 fi 综 考 定 本文研究采用径 式涡轮 3 、涡轮设计前需确定的参数1、涡轮 口废 ( 大 速1 fl 计算“经查文献3”表3 设研究为 大气压为 510 大气 度为1度 下大气度为1 3m 计算式为:进气 料查 1 资料 其气currency1每 ”料为1以:16015004225.16015001061.3 3 G kg310556.210 11 currency1 1“、 口压 0P排气管内表面无 查文献 3 0P与大气压基本相 压 为大气压1 33fi 3、 口绝对 度定位 4500 T 0C、 口绝对速度smSGC 05.004.0 1225.1 211.010 sm currency1 “ 、涡轮 速参考 的涡轮增压器的 速currency1 fl “ 考 涡轮径总体大小 fl 、口压 2Pcurrency1静压“这里将 界”简 为与大气压相 为 大气压 2P 0P1 33 7、废绝热 数 气体工 相关资料 二 气体绝热系数为1 气 绝热系数为1 一 绝热系数1 综 废气分 平 计算 步定位1 3 、气体 数13 查气体工 3o 31、具体计算步骤如下:1、 步 定参数 :径 度 8.0静气体 绝对 1 015气 口相对 2 020静速度损失系数 速度损失系数 90.0、计算使涡轮 大“的 参数 22212422221coscos111optm 31 currency1 3“ 222221222222211coscos optoptoptoptmmmU 37 currency1 “ 2224111cos1optoptoptopt mmU currency1 “3、计算进口速度及其 度currency11“、 绝热速度:okkOOod CppTRkkC 21021112 currency1 “ 14 currency1 “、涡轮 径的 速度smCUU odopt 3211 currency1 7“smUU 268.03212 currency1 “:以结 已经 整 保 至整数 currency13“、静口 论速度和 速度smCC optodt 388.018611 currency1 “ smCC t 363895.011 currency1 1 “ currency1 “、工作轮 口相对速度和相对速度 11121211 cos2 CUUCW 7fl 1 fl currency1 11“ 0221 106321023632100cos r currency1 1 “ 、静进口 参数计算currency11)、进口气 音速;1314503.293.1 000 KRT currency1 13“ ( )、 数66.013186000 CM currency1 1 “(3)、进口 压 paMKPP KK512000 1036.1211 currency1 1“currency1 “、进口 度02000 480)(2 11 MKTT currency1 1“、静口参数确定currency11“、 多 数;15 208.03.113.195.011 2221 kknn currency1 17“currency1 “、口压 ;papppkkpkoptkk kk51110121 1001.112 currency1 1 “currency13“、口 度;010101 4401 nnPPTT currency1 1“、 进口 参数currency11“、音速;011 129 KRT currency1 “currency1 “、 数;08.012910111 WMW currency1 1“currency13“相对压 ; paMkpp KKWw512111 1002.1211 currency1 “currency1 “ 相对 度;02111 441)(2 11 Ww MKTT currency1 3“7、 口参数计算currency11“、多 数;104.011 211 kknn currency1 “currency1 “、口绝对 度;011212 42022 nnWW PPTT currency1 “、涡轮基本16 currency11“、工作轮进口径;mmnUD 1086011 currency1 “currency1 “、工作轮口径;848.010812 DD currency1 7“currency13“、 静口 片 度;mmPCDGRTL 15sin 111111 currency1 “currency1 “、工作轮口 片 度;mmPWD GRTL 28sin222222 currency1 “31、涡轮损失计算和涡轮参数的计算进一步确定1、 器的损失计算器口片半径;mmDr 5.565.2545.2211 currency1 3 “ 经 和涡轮 形 制 步 器进口片半径 2r 求 器片数;122ln12rrtbz currency1 31“式 为 度 将 tZ 整1 求 2r 17图 3 涡轮的三维立体图 18第3章 其他部件的匹配设计3 1、轴设计图 轴 3 1 1 、轴的结构设计轴零件的 配 以设计 轴需 配的零件从currency1 片 涡轮 轴 轴 从端 涡轮从currency1端 将涡轮与轴 间设计一轴 轴的 径和 度确定确定currency1端 度 步定为 1 为考 涡轮 将 定为13 为 度为 另 将 至3 度的无 区 作为减 涡轮轮 度为 确定轴 度为 轴径定为13 为考 涡轮的轴 定位 涡轮端设计一轴 为3 的径为1 以涡壳 度为3 为保证涡轮与涡壳 够的间 fi致 工作 将涡轮下端面与涡壳 间设计为3 将轴 度定为 轴 的端 轴 选 的轴 的 数 将 轴径设计为1 度定为 轴的零件定位以涡轮端轴 定位 采用 紧固定位 涡轮的端采用轴 定位 涡轮的 定为采用 平键定位 键 设计为 如图示 键 为 19 3 1 、 轴的材料选择轴的材料要求为 fl 要求fi 而 用 件 经查文献 10 表1 1 将轴的材料定为3 fl13 采用调制热 轴的补说 :如图示 轴端设计未 待 进一步 轴的端设计 待 设计 将需要 的fl 接fi发电机的 将机械 为电 以将 轴与电 机 轴 这里 电 机设计技术今 为熟 本 者电 机的轴 设计 电 机本身的配 这里 fi 设计 3 1 、 轴的强度校核 10fl 强度计算: 前面设计 轴为 轴 flfl fl fl 强度计算 tTt dnPWT 32.09550000 currency13 1“式参数的确定: 轴的 速 前面设计确定 fl/ 计算截面 轴的径 图 校核 轴的fl 强度的截面 弱面即截面半径 小的面:20 图 轴的结构简图图 轴的分布简图以分 确定截面计算径为 1P 轴的fi功以下为 路 :废气 涡轮 部机械 电 /气压 轴校核 fi无损失计算 即轴 的 fl 计算 废气 管的 涡轮 减少 涡轮的 增 本文 设 部无穷大 既 1S内废气的 减少即为轴fi功 :P 222211 2121 vmvmW currency13 “图 看 相 为涡轮 前管内压 fi大 其度也未 以 也fi kgvshsvmm 2107.08605.004.0225.1221 currency13 3“其 smv 861 smv 362 currency13 3“式计算 P 3W 3 W查文献 10 表1 3 MPaT 35 1120 A式currency13 1“:mmHPAd 880000643.0112330 currency13 “21 而 轴的径为1 以轴的强度 fl 强度需求 校核 毕!3 、涡壳设计以涡轮设计数 涡轮径 大为1 而涡轮要 涡壳 内工作 为保证 步确定涡壳径为11 涡壳厚度 涡轮厚度定 保证的前件下 涡轮厚度为 确定涡轮下端面离涡壳 离为3 确定涡壳径为11 1 为 约材料将涡壳表面设计为 弧 其三维图设计如下:图 7 涡壳3 3、小端涡盖设计小端涡盖即与涡壳相连 为废气口的封端盖! 以涡壳设计 采用钉连接 涡壳小端径为 1 与 匹配的小端涡盖一侧径也为1 设计为四孔 孔径为1 为 减少空气 从1 的端口径度 的排气管 间采用 弧度 涡盖 厚设计为 22图 小端涡盖3 、大端涡盖设计图 大端涡盖设计3 、部分图片预览23 图 1 配图图 11 三维体 配图24第四章 致谢衷心感谢学校这 毕 设计的学习锻炼机会 这 毕 设计 获颇多 面 大的 综 运用 强 以说经这 一 设计 毕 的要求 感觉这 设计 的 一 目前 怎 呢?这fi哪本书 说清楚的 这 要求 分 这 一 的 平 少 这 的机会 学的 运用 这 设计 予 一 好的机会 其 这 设计考 的自学 整设计 许多 fi以前学的 特别软件的用面 这让意 学习 的重要 学 用 立 fi败 这 设计锻炼的综 运用 设计 fi 要用 机械面的 要用 许多计算机面的 如 握许多面的 综 运用这些 这 要求 掌握重点 运用 fi然难以 设计的 的 整设计 特别感谢的 老师朱石砂教授 他悉心 心教育 以 许多百思fi其 的 尤其许多论文的 这些 让内心深 感激fi !参考文献:25 【1】、张铁柱 张洪信汽车安 、 与保fi”北京:国防工 版社 【 】、钟琼香内机废热制冷与发电 探讨J”肉 工 17(3): 3、【3】、袁玉和 光 车辆用涡轮增压器 构 、 、使用与维修fi” 国防工 版社 1 年 1 【 】、杨培毅 林 汽车余热空凋的研究 体工 13 【】、汽车用 式制冷 P”用型专利 L11 【】、北汽车 辑部利用汽车排气与冷却水的余热采暖和制冷的 专利技术J” 湖托汽车 1(1、 ): 【7】、 德 朱泗芳 著 工 图学fi” 湖南科学技术版社 【 】、 朱智富 张铁柱 汽车废气 的研究J” 青岛大学硕士论文 1 3 【】、黄卫东 废气涡轮结构设计PPT http:/www.docin.com/p-44695529.htm.2010.3【1 】、濮贵 纪名刚 机械设计第八版fi” 教育版社 3 3 【11】、董桂田汽车发 机排气废热的 发电J”北京 17( ):7附录1:符号表26A: 英文字: : “ A: 面积 : 反 度A: 喉口 度 : 径 度B: 片轴 弦 : 运 粘度 : 绝对速度 : 度: 径 : 静损失系数: : 损失系 u: 轮 功I: 冲 : 绝热 数L: 度I: 片 度fi: 数N: 功N: 速0P: 口压 0P : 口 压 2P: 口压 (静压): 气体 数e: 雷诺数: 半径0T : 口绝对 度T: 口 绝对 度T: U: 速度W: 相对速度: 片数希腊字:: 气 口或口绝对 : 气 口或口相对 : 厚度: 损失系数27附录错误:引用源未 : 文文献 文及其 文Effects of structure elastic deformations of wheelset and track on creep forces of wheel/rail in rolling contactAbstractIn this paper the mechanism of effects of structure elastic deformations of bodies in rolling contact on rolling contact performance is briefly analyzed. Effects of structure deformations of wheelset and track目 录第一章 引言 51.1 、研究背景及意义 51.1.1、汽车废热利用的空间 51.1.2、汽车废热利用特点 51.2、研究进展综述 61.2.1、涡轮增压技术 61.2.2、余热制冷技术 61.2.3、余热发电 81.2.4、余热采暖 91.3、小结 101.4、本文主要工作 10第二章 针对 ZH4100 柴油机及排气系统的涡轮部分设计 112.1、ZH4100 柴油机的相关资料 112.2、排气系统管路图 112.3、涡轮设计 12231、涡轮型式选择 12232、涡轮设计前需确定的参数 13233、具体计算步骤 14234、涡轮损失计算和涡轮参数的计算进一步确定 17第三章 其他部件的匹配设计 193.1、轴设计 193.1.1 、轴的结构设计 19 3.1.2 、轴的材料选择 203.1.3 、轴的强度校核 203.2、涡壳设计 223.3、小端涡盖设计 233.4、大端涡盖设计 233.5、部分图片预览 24第四章 感谢 24参考文献 25附录 1:符号表附录 II:外文文献翻译原文及其译文汽车废气余能回收利用装置设计摘 要节能足汽车工业发展的三大主题之一。由于能源消耗的加剧,汽车节能问题备受人们的关注。有关研究资料表明,汽车燃料燃烧所发出的能量只有三分之一左右被有效利用,其它的能量被排放到大气中,不仅造成了能源的浪费,还带来了不良环境影响。因此,采用有效手段充分利用汽车排放的废热应当是我们实现汽车节能、降低排放的一个研究方向。本文对当前提出的各种汽车余热利用手段进行了分类,并做了综合分析比较,提出汽车废气涡轮发电可能是比较理想的汽车余热利用方式,并进行了初步设计。本文首先对汽车废气能量进行了分析,提出应当用有效能的能量衡算方法分析汽车废气能量,指出了影响废气能量的因素并提出了提高废气中可用能量的措施。其次,本文分析了不同排气系统在废气能量利用上的差异,提出了能量利用效率较高的排气系统方案并针对一台发动机进行了设计。再次,针对一台柴油发动机利用编制的优化设计程序进行了涡轮部分设计。本文还针对一台具体的发动机排气系统设计了涡轮机壳,涡轮管道,轴,轴承,对此部分的设计是依照涡轮尺寸来设计的。其部分尺寸由涡轮计算得出。由于能力有限,知识限制,再者现在的发电机设计技术相当成熟,本文不再具体针对发电系统部分进行设计,本装置只设计到轴部分,轴端可以装万向连接器,也可以与要设计的发电机同轴,需要注意的是本装置设计的轴承一端为悬浮,即只有一端轴向固定,另一端的轴向固定还需要电动机里面的轴承来实现。本文将具体每个零件三维图及其 cad 图已经一一画出,并在本文之中附以三维几部分平面图片,一边读者心中对设计更加清晰!关键词:汽车;废气;余热;能量利用;涡轮From car exhausts to recycle the device designAbstractEnergy conservation is one of three big subjects in automobile industry developmentBecause energy consumption intensifying,the question of automobile energyconservation prepares peopleS attentionThe related research material indicated,the energy sending oat from automobile fuel burning only has about 13 effectively been used,other energies discharge into the atmosphere, not only has created the energy waste, butalso has brought the poor environmental influenceTherefore ,adopting the effectivemethod to fully utilize the waste heat discharging from the automobile has to be a research directionThis article has classified the method of the current from a variety of the use of a classification yure means, and comprehensive analysis and comparison, the turbine generation are more likely to exhaust the car, and yure of the preliminary design. The first to exhaust the energy was analysed and efficiency of energy shall be in a republican way analysis is to exhaust the energy that had to exhaust the energy for the proposed increase in exhaust can use of energy. second, this article analyzes the different systems in the exhaust the energy of differences and energy efficient use of the higher the exhaust system solutions and an engine of the design.This article has analyzed the difference in the exhaust gas energy utilization of different exhaust system,proposed the exhaust system plan which can bring about higher efficiency of energy utilization,and carried on the design which aims at a diesel engine,This article for a specific the engine exhaust system design, the turbine, the turbine, bearings, shaft, owing to limited ability, knowledge is limited, and furthermore, the generator design skills are quite ripe, and this is no specific system for electricity generation of design. the specific each component three vitou and cad is a picture of a graph and, in this paper attached to a few parts of the 3d images, and the plane was to design more clear!Key words:automobile ;exhaust gas ;waste heat ;energy utilization;turbine第一章 引 言1.1 、研究背景及意义社会经济的发展使能源消耗量急剧增加,能源供需矛盾日益突出,并造成了严重的环境问题。由于汽车保有量越来越大,汽车的能源消耗在总能源消耗中所占的比例越来越高,汽车节能问题越来越受到各个国家的关注,成为当今世界汽车工业发展的主题。我国是一个石油存储量相对欠缺的国家,目前已成为世界第二大石油进口国,而汽车消耗的能源主要是石油燃料。随着我国汽车工业的迅速发展,提高汽车燃料有效利用率和减少环境污染在我国具有更为重要的战略意义。调查研究表明,汽车燃料燃烧所发出的能量只有三分之一左右被有效利用,其它的能量被散发、排放到大气中,这造成了能源的浪费,并带来了不良环境影响。因此有效利用汽车废热是实现汽车节能,降低汽车能源消耗的一个有效途径。1.1.1、汽车废热利用的空间从目前汽车所用发动机的热平衡来看,用于动力输出的功率一般只占燃油燃烧总热量的 30一 45(柴油机)或 20一 30(汽油机)。以废热形式排出车外的能量占燃烧总能量的 55一 70(柴油机)或 80S 一 70S(汽油机),主要包括循环冷却水带走的热量和尾气带走的热 。热平衡各分项 汽油机 高速柴油机 中速柴油机转变为有效功的热量 2030 3040 3545冷却介质带走的热量 2530 2025 1020废气带走的热量 4045 3540 3040其它热量损失 510 5 10 1015表 1.1 为内燃机的热平衡从表 l 中可以看出汽车废热利用有较大的空间,其有效利用自然受到人们越来越多的关注,不少人致力于此方面研究。1.1.2、汽车废热利用特点由于车用发动机特殊的使用场合,汽车废热利用具有鲜明的特点和特殊的要求,可将这些特点简单归结如下 :一是汽车废热的品位较低,能量回收较困难;二是废热利用装置要结构简单,体积小,重量轻,效率高:三是废热利用装置要抗震动,抗冲击,适应汽车运行环境:四是要保证汽车使用中的安全;五是要不影响发动机工作特性,避免降低发动机动力性和经济性。由于汽车废热利用具有上述特点,使得研究的成果虽多,但投入商业化生产的不多,只在废气涡轮增压方面取得实用性进展。1.2、研究进展综述目前,国内外汽车余热利用的技术,从热源来看,有利用发动机冷却水余热和利用排气余热两种,从用途上来看,有废气涡轮增压、制冷空调、发电、采暖、改良燃料等方式。在所有一述方法中,只有废气涡轮增压实现了产业化,其他方法由于技术和其他方面原因,仍处于研制或试验阶段,尚未投入商业化生产。以下从用途上分类介绍国内外相关技术的研究状况 。1.2.1、涡轮增压技术废气涡轮增压技术是利用废气中的部分能量来提高内燃机的进气压力进而增加充气量、以改善动力性和经济性的内燃机性能提高技术。废气涡轮增压装置主要由同轴装配的涡轮和压气机组成,发动机排出的废气经排气管进入涡轮推动涡轮运转,从而带动压气机压缩新鲜空气并通过进气管送入发动机汽缸内。废气涡轮增压改善了内燃机的动力性和经济性,但这种处理方法的主要目的是借助废气中的部分能量来提高内燃机的进气压力增加充气量,而不是回收再利用废气中的能量;另外,由于内燃机与涡轮增压装置联合工作时能量传递的特点,使增压内燃机的加速性能和扭矩特性受到影响,给增压内燃机的使用增加了一些强制附加条件,造成使用上的不便“” ;此外,这种技术和装置在汽油机与小型柴油机上使用时效果不明显,目前多在大型柴油机上使用,使用面向与范围受到一定限制。随着汽油机电子喷射技术的广泛运用,汽油机废气涡轮增压也将得到发展。但是汽油机废气涡轮增压还需解决发动机爆震、热负荷增加等问题后才能大批量投入使用。1.2.2、余热制冷技术目前,在轿车空调中,占统治地位的是蒸汽压缩式空调系统,采暖则利用发动机冷却水余热。轿车空调一般要消耗 812的发动机动力 ,这一方面增加了油耗,加大了废气排放量,加剧了空气的污染;另一方面易引起水箱过热,影响轿车动力性;同时由于蒸汽压缩式空调系统采用的制冷工质为氟利昂类化合物,导致温室效应加剧。因此解决舒适性与制冷功耗之间的矛盾已成为现代轿车空调研制中的难题。回收和利用发动机排气余热来驱动制冷系统,实现轿车空调,是理想的节能方案,也是目前世界各国都在研究的课题。目前提出的这方面技术主要有吸收式和吸附式两种。吸收式制冷吸收式制冷原理是以热能为动力来完成制冷循环的,有利用汽车循环冷却水余热和利用排气余热两种途径 。在相关文献中,研究最多的是利用循环冷却水余热来实现吸收式制冷,由于排气温度高于冷却水温度,且可利用热量大于冷却水,当然也可以利用排气余热来实现吸收式循环。在吸收式制冷循环系统中,所采用的工质有水一溴化锂、氨一水、R22-ETEG、R22、R22-DMF等。吸收式制冷系统有较大的 COP(相对于吸附式而言,但结构复杂、体积大、造价高,而且四器(发生器、冷凝器、吸收器、蒸发器)需要自由水平面,不太适用于经常处于颠簸、运动状态的汽车。吸附式制冷吸附式制冷是利用某些固体物质在一定温度、压力下能吸附某种气体或水蒸汽,在另一种温度、压力下又能把它释放出来的特性。来实现制冷。这种吸附与解吸过程导致压力变化,从而起到了压缩机的作用。该制冷系统由发生器、冷凝器、蒸发器和节流装置组成。在余热回收中可以考虑两种方式 ,利用冷却水中的热量和利用发动机排气中的热量。如果使用从发动机冷却水中回收的热量,由于水与吸附器的换热效率高于气体与吸附器的换热效率,对热量回收较为有利;但是热源温度相对较低(低于 100,与用于冷却的空气温度相差不大,这样循环的温差比较小,使循环的吸附解吸量较低,对工作是不利的。如果使用从发动机排气中回收的热量,气体与吸附器的换热效率低,造成回收热量困难,但由于发动机排气的温度较高(汽油机 500600,远高于冷却水的温度),对热量回收又是有利的,而且此温度与冷却空气的温度相差较大,可以使系统循环温差较大,从而产生较大的吸附解吸量。吸附式系统结构简单、造价低,在提高床的传热传质能力的情况下,可大大提高系统的性能,是较为理想的系统。但吸附式制冷的 COP 不高,需要较长预备时间,单位质量的吸附剂产生的制冷功率较小,系统笨重,废热利用率不高,而汽车空调要求体积小、制冷量大、性能可靠、操作方便。这限制了它的应用和发展。要达到以上要求,必须提高系统 COP 值及单位质量吸附剂制冷功率。目前,在吸附制冷系统中,常用的吸附质(制冷剂) 有氢气、水、甲醇、氨气、RJ34a、R22 等。喷射式制冷郑爱平、赵乱成、钟琼香等提出了利用以 HCFC-123 为工质的汽车余热驱动的喷射式制冷系统。喷射式制冷循环的主要特点是以喷射器代替压缩机,以消耗热能作为补偿来实现制冷的 。其工作循环如下:被加热器加热的高温高压工作蒸汽,通过喷管进行绝热膨胀,形成一股低压、高速气流,将蒸发器内的低压气态制冷剂抽吸到喷射器内,并与之混合,在扩压器内增压后进入冷凝器,被冷却介质冷凝成液体。然后,一部分凝结液作为制冷剂通过节流阀降压降温,在蒸发器中吸热气化变成低温低压蒸汽;另一部分则通过循环如下:被加热器加热的高温高压工作蒸汽,通过喷管进行绝热膨胀,形成一股低压、高速气流,将蒸发器内的低压气态制冷剂抽吸到喷射器内,并与之混合,在扩压器内增压后进入冷凝器,被冷却介质冷凝成液体。然后,一部分凝结液作为制冷剂通过节流阀降压降温,在蒸发器中吸热气化变成低温低压蒸汽;另一部分则通过循环泵被提高压力后送回加热器,用作工作蒸汽。喷射式制冷系统除循环泵外没有其它运动部件,而且系统中的工作蒸汽与制冷剂是同种物质,不需要类似吸收式制冷机中的制冷剂分离设备,因而结构简单,耗功量少。再加上可以利用低品位热能,所以适用于有余热可以利用的汽车空调器。 1.2.3、余热发电利用废气能量发电的方法基本有三种,分别为利用半导体温差发电、氟龙透平发电和废气涡轮发电。 半导体温差发电 o随着半导体材料及其加工技术的发展,金属导体热电转化效率逐渐提高,利用半导体温差发电在动力范畴有了应用的可能。资料表明:半导体温差发电材料的热电转化效率可达 33,甚至是 7。吉林大学的董桂田通过试验证明用汽车发动机排气废热温差发电能够取代传统的汽车发电机,且温差发电吸热降温对汽车整体性能大有稗益。因为温差发电截流了部分传入热枫冷源的热量使其热效率有所提高,且温度降低导致排气压力减少也有助于汽车 I 噪声水平下降,这可使汽车消音器的结构简化紧凑。同时温差发电本身是静态下能量转换,没有旋转部件,勿需传动系统。但由于热电转换效率低,此种方法只利用了发动机废热的一小部分,有待于进一步提高热电转换效率和寻找具有更高热电转换效率的材料。 龙透平发电日本的一色尚次提出了利用发动机废热的氟龙透平发电装置,浚装置利用一种在比较低的温度下能成为高压气体的低沸点物质(通常为氟利昂)作为工质,使其在吸收发动机废热后由液态变为高压蒸汽从而推动透平机发电。此种装置在利用低品位热能方面有优势,其缺陷是系统较为复杂笨重。 废气涡轮发电青岛大学的张铁柱提出了利用废气能量驱动涡轮带动发电机发电的设想,并设计了一种新装置来实现,获得专利一项。日本的吉圉佑也曾作过此方面的实验,证明了利用废气能量驱动涡轮所发出的电能足以提供汽车运行所需电能,但未做进一步研究。此种装置结构简单,但有可能对发动机工作性能产生影响。在图 1 的发动机模型中加入涡轮发电系统模块,对系统方案进行分析,发电涡轮模型采用通流模型建立。各种涡轮系统方案如图 1 所示。方案 A 采用朗肯循环,发动机排气管上的换热器作为朗肯循环的蒸发器和过热器。方案 B 采用布雷登循环,发电系统与微型燃气轮机类似。方案 C 采用电辅助涡轮增压器,在增压器轴上安装电机/发电机,在排气能量超过增压所需能量时利用发电机回收能量。方案 D 在排气系统中加入涡轮发电机,与原涡轮增压器并联工作。方案 E 同样也是在排气系统中加入涡轮发电机,但与原涡轮增压器串联工作。图一 涡轮发电系统方案1.2.4、余热采暖余热式暖气装置利用汽车发动机工作剩余热量供暖,有两种型式利用发动机冷却水的热量,称为水暖式;利用发动机排气系统的热量,称为气暖式。余热式暖气装置的优点是既不需要在汽车上增加热源,又不增加发动机本身的热量消耗,成本较低、经济性好、使用方便。其缺点是发热量的大小受发动机工况的制约,而且仅在冬季发挥作用,废气能量利用不充分。水暖式暖风装置广泛应用于汽车采暖系统中,但其发热量较小,主要用于非严寒地区取暖容量较小的货车和轿车。在环境温度较低时,会使发动机处于过冷状态,增加了发动机不必要的机械磨损,降低了发动机的功率。气暖式暖风装置的发热量大,采暖效果较好,受环境温度影响小,对发动机:作影响小,但要注意不要增加排气背压,否则将影响到发动机的工作性能。 1.3、小结从上述介绍中我们可以得出如下结论:1.3.1、对废气涡轮增压来说,目前存在的最大问题是影响了发动机的工作性能,特别是在低工况下的性能。为解决此问题,不得不使用混合形式的增压系统,即在低工况下利用蓄电池电能驱动涡轮增压器,其他情况下使用废气涡轮增压,并在赢工况时采用废气旁通来解决涡轮转速过高的问题。如果将废气能量转换为电能进而驱动压气机,这样一方面可简化增压系统,另一方面高工况时不必采用旁通方法而充分利用废气能量,多余的电能可供给蓄电池和其他用电设备使用。1.3.2、对利用废气能量实现制冷空调来说,无论是吸收式还是吸附式,由于存在 coP 值较小(对压缩式),体积过大,不适应汽车运行状况等致命缺陷,用此科方法替代现有汽车空调是不可能的。如果将废气能量转换为电能从而驱动现有的汽车空调压缩机,一方面可不必改装现有的汽车空调,另一方面可充分利用废气能量,实现以较小的代价取得较大的效益。1.3.3、对利用汽车废热供暖来说,在非严寒地区,冬季车内供暧利用发动机冷却水的余热就可满足而不必改装现有的供暖系统;在严寒地区利用废气余热供暖存在着明显的季节性,废气能量的利厢不充分,如废气能量转换为电能的效率足够高,可考虑利用转换得来的电能供热,一方面可充分利用能量而不仅限于冬季,另一方面可减少供暖系统布置的困难。1.3.4、对半导体温差发电来说,由于高效率的热电转换材料尚未发现,已知的热电转换材料效率太低,至少在目前此种方法还不十分可行。1.3.5、对利用废热改良燃料来说,这种方法只利用了余热的极小部分,经济性较差,不能作为废气能量利用主要方向。因此,笔者认为利用废气能量转换为机械能进而转换为电能应作为废气能量利用的主要研究方向。此种方法对废气能量的利用率较高,且通过转换得来的电能可灵活方便地使用,更重要的是这种方法不需对原有汽车设备做较大改动,易于实现产业化。但此种方法需解决的主要问题有:一是加装能量回收装置后会对发动机工作性能产生影响,如何尽量减少甚至消除这种影响是非常重要的;二是能量转换装置的转换效率能够达到多少需要通过试验来明确,转换效率决定其实用性。1.4、本文主要工作1.4.1、工作目标为克服现有汽车废气能量回收利用装置巾存在的能量转换效率不高,实施过程困难,用途单一,且结构复杂,体积大等缺陷,设计一种将汽车废气能量转换成机械能的新型装置,并将其应用到所有内燃机,所提供的动力可以完全或部分地驱动内燃机没有定时要求的附件,如电动机、蓄电池、水泵、动力转向油泵、真空泵甚至空调等。为了实现上述目的,本装置拟通过动力涡轮实现废气能量的回收和向机械能的转换。为此本文对当前的废气利用做了全面的调查,指出当前废气的利用发展形势,利用方式,同时针对一台具体柴油机 ZH-4100DE 排气管废气能转化的机械部分做详细设计,包括涡轮设计计算,涡壳的匹配设计,轴的设计等等。第二章 针对 ZH4100 柴油机及排气系统的涡轮部分设计2.1、ZH4100 柴油机的相关资料缸数 缸径|行程 (mm) 排量(升) 发火次序 进气最大转速转矩(n.M)(r|min)排温(摄氏度)4 100|15 3.61 1-3-4-2自然吸气 220|1500 500表 2.1 柴油机相关参数2.2、排气系统管路图 图-2 排气系统管路图2.3、涡轮设计231、涡轮型式选择当前实际应用中的涡轮主要有三种:轴流式、径流式和混流式。轴流式涡轮应用较早,设计简单,但由于其效率低于其他形式涡轮,因而实际中很少采用。径流式涡轮效率高、体积小、结构简单,设计方法比较成熟,有较多的试验数据支持,性能预测方便,实际使用较多。但当比转速过高时,会造成叶轮出口排气损失过大,叶轮内部流动状况不佳,使得涡轮性能恶化。混流式涡轮结构比较复杂,制造困难,在高比转速时效率较高,低比转速时性能与径流式涡轮相仿。但由于其试验数据欠缺,给设计和性能预测造成不便。通过综合考虑,决定在本文研究中采用径流式涡轮。232、涡轮设计前需确定的参数1、涡轮入口废弃流量 G(按最大转速 1500r|min 计算)经查阅文献3表 3-4,设研究海拔为 0m,大气压为 0.98 pa,大气温度为 15 摄氏度,且此种情况下大气密度为 1.225kg| ,则计算公式为:G=进气流量+燃料量 据查阅 ZH4100 资料,其燃气缸每次喷射燃料为 1g所以:=0.211kg (2-1)2、入口压力由于排气管内表面无明显阻碍装置,查文献 得知 与大气压基本相等,先取压力为大气压 1.033Mpa3、入口绝对温度定位4、入口绝对速度=86 (2-2) 5、涡轮转速参考现有的涡轮增压器的转速(60000-200000r|min)并考虑涡轮直径总体大小取 n=80000r|min6、出口压力 (静压)这里将外界环境简化为与大气压相同,且为标准大气压,= =1.033pa7、废弃绝热指数 K根据气体工业手册相关资料,二氧化碳气体绝热系数为 1.2,氮气化合物绝热系数为 1.4,一氧化碳绝热系数 1.225。综合废弃中个气成分含量平均计算,初步定位 K=1.3。8、气体常数查阅气体工业手册得知 R=29.3kg|mol|kg231、具体计算步骤如下:1、初步假定参数值:径向度 静叶气体流出绝对角 =动叶气流出口相对角 =静叶速度损失系数 =0.95动叶速度损失系数2、计算使涡轮达到最大效率的最优参数=0.31 (2-3) =0.37 (2-4)=0.8 (2-5)3、计算进口速度及其角度(1)、理想绝热速度: =86m|s (2-6) (2)、涡轮外径上的圆周速度(2-7)(2-8)注:以上结果均已经圆整,保留至整数。(3)、静叶出口理论速度和实际速度(2-9) (2-10) (4)、工作轮入口相对速度和相对速度角=9.7rad|s=10rad|s (2-11) (2-12) 4、静叶进口滞止参数计算(1)、进口气流音速;(2-13) (2)、当地马赫数; (2-14)(3)、进口滞止压力;(2-15)(4)、进口滞止温度;(2-16)5、静叶出口参数确定(1)、 多变指数;(2-17) (2)、出口压力 ;(2-18) (3)、出口温度;(2-19)6、动叶进口滞止参数(1)、当地音速;(2-20) (2)、马赫数;(2-21)(3)相对压力;(2-22) (4) 相对温度;(2-23) 7、动叶出口参数计算(1)、多变指数;(2-24)(2)、出口绝对温度;(2-25)8、涡轮基本尺寸(1)、工作轮进口直径;(2-26)(2)、工作轮出口直径;(2-27)(3)、 静叶出口处叶片高度; (2-28) (4)、工作轮出口处叶片高度;(2-29)231、涡轮损失计算和涡轮参数的计算进一步确定1、导向器中的损失计算导向器出口叶片半径;(2-30) 根据经验和涡轮外形尺寸限制初步导向器进口叶片半径 =60mm求得导向器叶片数;(2-31)式中 b|t 为直叶栅稠度,将 圆整得Z=18返回求得 =60mm 图-3 涡轮的三维立体图 第三章 其他部件的匹配设计3.1、轴设计图-4 轴 3.1.1 、轴的结构设计轴上零件的装配方案由以上设计可知,轴上需装配的零件从右到左有螺母,垫片,涡轮,轴承。轴承从左端装入,涡轮从右端装入。则可将涡轮与轴承之间设计一轴肩。轴的各段直径和长度确定首先确定右端螺纹长度,初步定为长 10mm,为考虑涡轮装入方便将螺纹段尺寸定为 13mm。螺距为 2mm,螺纹高度为 2mm,另外将向左延伸至 3mm 长度的无纹区,作为减载。涡轮轮毂宽度为 28mm,则可确定轴此段长度为 28mm,此段轴直径定为 13mm。为考虑涡轮的轴向定位,涡轮左端设计一轴肩,肩高为3mm,则此段的直径为 19mm,由于根据以上涡壳宽度为 34mm,为保证涡轮与涡壳壁有足够的间隙,不致影响正常工作,将涡轮上下端面与涡壳壁间隙设计为3mm,由此可将轴此段长度定为 8mm,轴肩的左端装轴承,根据选取的轴承的标准数据,将此段轴直径设计为 15mm,此段长度定为 59mm。轴上的零件定位 由以上涡轮左端轴向定位,采用螺纹螺母紧固定位。涡轮的左端采用轴肩定位,涡轮的周向定为采用圆底平键定位,键长设计为 20mm,如图所示,键高为 2mm。3.1.2、 轴的材料选择轴的材料要求为耐高温,扭矩要求不是很高,而且用于腐蚀条件,经查阅文献 ,表 15-1,将轴的材料定为 3Cr13。采用调制热处理。轴的补充说明:如上图所示,该轴左端设计未完成,有待于进一步改善,该轴的左端设计有待于设计,若将需要转化的扭矩直接传递给发电机的线圈,将机械能转化为电能,则可以将此轴与电动机同轴,这里由于电动机设计技术当今较为成熟,加之本人能力有限,再者电动机的轴承设计须依据电动机本身的尺寸来配置,这里就不在设计。3.1.2、 轴的强度校核按扭转强度计算注:由前面设计可知,此轴为传动轴,仅仅承受扭矩,因此按扭转强度计算。(3-1)式中各参数的确定:n-轴的转速,由前面设计确定 n=80000r/mind-计算截面处轴的直径,由上图可知,校核此轴的扭矩强度的截面取承受最弱面即截面半径最小的面: 图-5 轴的结构简图图-6 轴的载荷分布简图由以上分析确定截面计算直径为 d=15mmP-轴的传递功率以下为能量转化路线:废气动能-涡轮角动能-外部机械能-电能/气压能此处轴校核按能量传递无损失计算,即按轴所能承受的极限扭矩计算,废气在管道的动能通过涡轮装置后减少量等于涡轮的角动能增加量,本文假设外部负载无穷大,既有 1S 内废气的所有动能减少量即为轴传递功率则有:P= (3-2)图中两个质量可看做相等,因为通过涡轮装置前后管内压力变化不大,其密度也未变,所以质量也不变。 (3-3)其中 代入(3-3)式计算得 P=642.635W=0.643KW查文献 表 15-3 可知,取 由式(3-1)推得:(3-4)而实际轴的直径为 15mm,所以轴的强度完全满足扭转强度需求。校核完毕!3.2、涡壳设计由以上涡轮设计数据可得涡轮直径最大为 108mm,而涡轮要装入涡壳,并在内工作,为保证装入方便初步确定涡壳直径为 114mm。涡壳厚度则根据涡轮厚度来定,同样保证装入的前提条件下,涡轮厚度为 28mm,确定涡轮上下端面离涡壳两壁距离为 3mm,则可确定涡壳直径为 114+28+6=148mm。并且为节约材料将涡壳表面设计为圆弧。其三维图设计如下: 图-7 涡壳3.3、小端涡盖设计小端涡盖即与涡壳相连,且同时为废气出口的密封端盖!由以上涡壳设计,采用螺钉连接,涡壳小端直径为 120mm, 则与之匹配的小端涡盖一侧直径也为120mm,并设计为四个螺孔,螺孔直径为 10mm,为尽量减少空气阻力,从 120mm的端口直径过度到 40mm 的排气管之间采用圆弧过度,同样涡盖壁厚设计为5mm,图-8 小端涡盖3.4、大端涡盖设计 图-9 大端涡盖设计3.5、部分图片预览图-10 装配图图-11 三维实体装配图第四章 致谢衷心感谢学校这次毕业设计的学习锻炼机会,通过这次毕业设计,我收获颇多,知识面有了很大的提高,综合运用能力得到加强,可以说经过这样一次设计,我们才真正达到了毕业的要求。首先,我感觉这次设计提高了我们解决实际问题的能力。在一个实际题目当前,怎样才能解决问题呢?这不是哪本书上能说清楚的。这就要求我们根据实际情况,分析实际问题,想出解决方案,这就是一个能力的问题了。平时我们很少有这样的机会,能把所学的知识运用于解决实际问题当中,但这次设计就给予了我们一个很好的机会。其次,这次设计考验了我的自学能力。在整个设计过程中,许多知识都不是我以前所学过的,特别是软件的应用方面。因此这让我意识到学习能力的重要性,活学活用,才能立于不败之地。再次,这次设计锻炼了我的综合运用知识能力。在设计时,我不但要用到机械方面的知识,还要用到许多计算机方面的知识。如何把握许多方面的知识,综合运用这些知识,这就要求我们掌握重点,灵活运用,不然是难以解决设计中的问题的。最后在整个设计过程中,特别感谢我的指导老师朱石砂教授,是他悉心指导,耐心教育,我才得以解决许多百思不得其解的问题,尤其是许多论文的细节。所有这些,都让我内心深处感激不尽!参考文献:【1】、张铁柱,张洪信汽车安全、节能与环保M北京:国防工业出版社,20045【2】、钟琼香内燃机废热制冷与发电之探讨J肉类工业,1997(3):4-453、【3】、袁玉和,高光有,车辆用涡轮增压器-构造、原理、使用与维修M。国防工业出版社,1990 年,1-228【4】、杨培毅,程林,汽车余热空凋的研究现状,流体工程,19936 5459【5】、汽车用溴化理吸收式制冷装置P实用新型专利,ZL991166892【6】、北汽车编辑部利用汽车排气与冷却水的余热采暖和制冷的两项专利技术J。 湖托汽车,2001(1、2):899l【7】、 周良德,朱泗芳等编著,现代工程图学M。湖南科学技术出版社,2002.9.2-50.【8】、 朱智富,张铁柱。汽车废气能量回收装置的研究J.青岛大学硕士论文, 2005.5.1-53 【9】、黄卫东,废气涡轮结构设计 PPT,http:/www.docin.com/p-44695529.htm.2010.3【10】、濮良贵,纪名刚,机械设计第八版M,高等教育出版社,2006,5.62-383.【11】、董桂田汽车发动机排气废热的温差发电J北京节能,1997(4):79附录 1:符号表A: 英文字母: : 效率 A: 流通面积 : 反动度A: 喉口宽度 : 径向度B: 叶片轴向弦长 : 运动粘度 C: 绝对速度 : 密度D: 直径 : 静叶损失系数G: 流量 : 叶损失系 Hu: 轮周功I: 冲角K: 绝热指数L: 流道长度I: 叶片高度M: 马赫数N: 功率N: 转速: 入口压力: 入口滞止压力: 出口压力(静压)R: 气体常数Re: 雷诺数R: 半径: 入口绝对温度T: 入口滞止绝对温度T: 栅距U: 周向速度W: 相对速度Z: 叶片数希腊字母:: 气流入口或出口绝对角: 气流入口或出口相对角: 厚度: 损失系数附录 II:外文文献翻译原文及其译文Effects of structure elastic deformations of wheelset and track on creep forces of wheel/rail in rolling contactAbstractIn this paper the mechanism of effects of structure elastic deformations of bodies in rolling contact on rolling contact performance is briefly analyzed. Effects of structure deformations of wheelset and track on the creep forces of wheel and rail are investigated in detail. General structure elastic deformations of wheelset and track are previously analyzed with finite element method, and the relations, which express the structure elastic deformations and the corresponding loads in the rolling direction and the lateral direction of wheelset, respectively, are obtained. Using the relations, we calculate the influence coefficients of tangent contact of wheel and rail. The influence coefficients stand for the occurring of the structure elastic deformations due to the traction of unit density on a small rectangular area in thecontact area of wheel/rail. They are used to revise some of the influence coefficients obtained with the formula of Bossinesq and Cerruti in Kalkers theory of three-dimensional elastic bodies in rolling contact with non-Hertzian form. In the analysis of the creep forces, the modified theory of Kalker is employed. The numerical results obtained show a great influence exerted by structure elastic deformations of wheelset and track upon the creep forces. 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.Keywords: Wheel/rail; Rolling contact; Creep force; Structure elastic deformationIntroductionDuring running of a train on track the fierce action between wheelset and rails causes large elastic deformations of structure of wheelset and track. The large structure deformations greatly affect performances of wheels and rails in rolling contact, such as creep forces, corrugation 13, adhesion, rolling contact fatigue, noise 4,5 and derailment 6. So far rolling contact theories widely used in the analysis of creep forces of wheel/rail are based on an assumption of elastic half space 712. In other words, the relations between the elastic deformations and the traction in a contact patch of wheel/rail can be expressed with the formula of Bossinesq and Cerruti in the theories. In practice, when a wheelset is moving on track, the elastic deformations in the contact patch are larger than those calculated with the present theories of rolling contact. It is because the flexibility of wheelset/rail is much larger than that of elastic half space. Structure elastic deformations (SED) of wheelset/rail caused by the corresponding loads are shown in Figs. 1 and 2. The bending deformation of wheelset shown in Fig. 1a is mainly caused by vertical dynamic loads of vehicle and wheelset/rail. The torsional deformation of wheelset described in Fig. 1b is produced due to the action of longitudinal creep forces between wheels and rails. The oblique bending deformation of wheelset shown in Fig. 1c and the turnover deformation of rail shown in Fig. 2 are mainly caused by lateral dynamic loads of vehicle and wheelset/rail. The torsional deformations with the same direction of rotation around the axle of wheelset (see Fig. 1d), available for locomotive, are mainly caused by traction on the contact patch of wheel/rail and driving torque of motor. Up to now very few published papers have discussions on the effects of the SED on creepages and creep forces between wheelset and track in rolling contact. In fact, the SED of wheelset/rail mentioned above runs low the normal and tangential contact stiffness of wheel/rail. The normal contact stiffness of wheel/rail is mainly lowed by the subsidence of track. The normal contact stiffness lowed doesnt affect the normal pressure on the contact area much. The lowed tangential contact stiffness affects the status of stick/slip areas and the traction in the contact area greatly. If the effects of the SED on the rolling contact are taken into account in analysis of rolling contact of wheel/rail, the total slip of a pair of contacting particles in a contact area is different from that calculated with the present rolling contact theories. The total slip of all the contacting particles and the friction work are smaller than those obtained under condition that the SED is ignored in the analysis of creep forces of wheel/rail. Also the ratio of stick/slip areas in a contact area is larger than that without consideration of the effects of the SED.In this paper the mechanism of effects of structure elastic deformations of bodies in rolling contact on rolling contact performance is briefly analyzed, and Kalkers theoretical model of three-dimensional elastic bodies in rolling contact with non-Hertzian form is employed to analyze the creep forces between wheelset and track. In the numerical analysis the selected wheelset and rail are, respectively, a freight-car wheelset of conical profile, China “TB”, and steel rail of 60 kg/m. Finite element method is used to determine the SED of them. According to the relations of the SED and the corresponding loads obtained with FEM, the influence coefficients expressing elastic displacements of the wheelset and rail produced by unit density traction acting on the contact area of wheel/rail are determined. The influence coe
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