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1、燃气涡轮增压器 资阳晨风精密机械有限责任公司2009年 3月编制说明1. 涡轮增压器是在高温下高速运转的动力机械，是机车或船用柴油机增压系统中的关键部件，工作条件十分恶劣。为对涡轮增压器的结构原理、性能参数、制造工艺、使用原则、维护保养等知识的理解和掌握，使产品得到精细制造和可靠的运用，以满足产品制造及使用需求，特编制本书。2. 本书是根据涡轮增压器图样、技术文件、产品使用维护说明书、机车发动机等资料编制而成。3. 本书主要叙述了柴油机增压的基本概念; 介绍了涡轮增压器的结构与工作原理、主要零件的加工与装配方法、增压器试验步骤与要求、增压器同柴油机的匹配与调整、增压器的运用与维护保养等内容。4
2、. 本书可适用于从事涡轮增压器制造和使用的工程技术人员和操作工人，亦可作为机车用户的涡轮增压器培训教材。5. 随着社会的高速发展，产品不断改进升级，本书中的部分内容可不一定完全适用，可按改进后的要求执行。6. 因时间仓促，本说明书可能存在不完善、不确切，甚至有错误之处，敬请相关人员阅后批评指正!编制者：谭奇太2009年3月目 录第一章 柴油机增压简述1 概述-12. 柴油机增压系统- 23 柴油机增压系统的分类-33.1 机械增压系统-33.2 废气涡轮增压系统-33.3 复合式增压系统-34 燃气涡轮增压系统的两种基本形式-34.1 恒压增压和脉冲增压的特点-34.2 恒压增压和脉冲增压的比
3、较-4 第二章 涡轮增压器 第一节 涡轮增压器概述1. 涡轮增压器的种类-52. 涡轮增压器的配机型号-63. 涡轮增压器的主要技术参数-6第二节 涡轮增压器的结构及作用1.ZN310G型涡轮增压器-71.1转子装配- 81.2扩压器装配-81.3涡轮进气壳装配-91.4压气机端轴承装配和涡轮轴承装配-101.5涡轮出气壳装配-111.6蜗壳装配-121.7润滑、油封和冷却-122. ZN240A型涡轮增压器-132.1 转子组装-142.2 蜗壳组装-152.3支承体组装-162.4涡轮出气壳组装-172.5轴承组装-182.6涡轮进气壳组装-182.7润滑、密封及冷却-203. ZN310
4、与ZN240系列涡轮增压器结构的主要区别-20 第三节 压气机工作原理及特性1. 压气机工作原理-212. 离心式压气机的特性- 243. 压气机流量特性曲线-254. 压气机喘振的物理概念和性质-26 第四节 燃气涡轮机工作原理及特性1. 燃气涡轮工作原理-272. 燃气涡轮机特性-30第五节 涡轮增压器零部件制造1. 涡轮叶片制造-312. 导风轮制造-343. 涡轮轮盘制造-354. 喷嘴环制造-385. 扩压器制造-396. 涡轮出气壳制造-407. 涡轮增压器油漆-418. 涡轮增压器零部件的加工特点-42第六节 涡轮增压器的装配与拆卸1. ZN240A型涡轮增压器零部件组装及总组装
5、技术条件-422. ZN240A型涡轮增压器装配-463. ZN240A型涡轮增压器拆卸-494. ZN310G型涡轮增压器装配-515. ZN310G型涡轮增压器的拆卸-56第七节 涡轮增压器试验1. 涡轮增压器试验验收技术条件-582. ZN240A型涡轮增压器型式试验-603. ZN310G型涡轮增压器出厂试验-624. 涡轮增压器试验工艺守则-64 第三章 涡轮增压器和柴油机的配合特性和调整1. 涡轮增压器和柴油机配合的一般要求-742. 涡轮增压器和柴油机的配合特性-743. 涡轮增压器和柴油机配合特性的调整-74 第四章 涡轮增压器的运用1. 涡轮增压器的安装2. 涡轮增压器的初运
6、转 第五章 涡轮增压器的维护保养1. 涡轮增压器的定期保养及大修-772. 涡轮增压器的常见故障及处理-783. 涡轮增压器的主要故障原因分析及改进措施-79 第六章 同涡轮增压器相关的装置 第一节 涡轮增压器机油精滤器1. 滤清器性能-842. 滤清器的主要性能特点-843. YFL-A8015LW型滤清器的总体结构-854. 滤清器的外形尺寸及接口-865. 滤清器的主要技术参数及要求-86 第二节 涡轮增压器磁电式频率转速传感器1.主要技术参数-872.使用环境条件-873.使用安全条件-87 第三节 涡轮增压器试验台1. 试验台结构-882. 试验台的安全及维护保养-953. PCI-
7、8310模入接口卡输入信号端口定义-964. 涡轮增压器试验台仪器仪表明细表-97 第一章 柴油机增压简述1. 概述柴油机的有效功率：Ne=PeVhIn / 225Z(马力)式中：Ne柴油机有效功率(马力) Pe柴油机平均有效压力(公斤/厘米2 ) Vh-柴油机气缸工作容积(升) I -柴油机气缸数目 n-柴油机转速(转/分) Z-柴油机每循环的冲程数从上式可看出，影响有效功率Ne的因素较多，但是柴油机作为内燃机车的动力装置，必然受到机车空间尺寸的限制。因此，增加气缸数目I和气缸工作容积Vh就有严格要求; 转速n的提高，又会增加柴油机的机械应力，影响零部件强度; 机车柴油机一般采用四冲程柴油机
8、，二冲程柴油机很少采用。通过增大进入气缸的空气密度来提高平均有效压力，却是提高柴油机功率的一条有效途径，它可以成倍地提高功率并改善柴油机的各项经济技术指标。于是通过增压提高空气密度，对柴油机来说是一个必然趋势。随着机车柴油机的发展，增压技术及其增压系统对柴油机也就显得越来越重要了。当柴油机为低增压时，增压压力Pk0.25-0.30Mpa时，脉冲能量利用已甚微。(2) 废气涡轮效率脉冲增压绝热效率为60-70%。恒压增压绝热效率为65-80%。恒压增压绝热效率高于脉冲增压绝热效率的原因：恒压系统的涡轮前压力恒定，喷嘴环全进气，所以涡轮效率高。而脉冲系统在柴油机刚开始排气时，废气以很高的速度进入涡
9、轮，流动损失大，同时废气压力和温度周期性变化，进气工作轮的工作叶片的废气方向也周期性变化，而工作叶片的安装角是固定的，所以气流和叶片不断发生冲击，气流分离，造成较大的冲击损失。此外还存在着部分进气损失，所以涡轮效率低。(3) 扫气效果 脉冲优于恒压。因为柴油机在扫气期间，脉冲系统的排气管压力Pt正处于波谷，所以即使在低增压或高增压的部分负荷工况仍能保持足够的扫气压力，保持气缸有良好的扫气; 恒压系统由于Pk波动较小，扫气压差就小，所有不易保证气缸的良好扫气。(4) 加速性 涡轮的加速性，脉冲优于恒压。由于脉冲系统排气管容积小，当柴油机负荷改变时，排气压力波就立刻发生变化，并迅速传递到涡轮，引起
10、增压器转速较快变化。而恒压系统排气管容积较大，涡轮前的压力改变较迟缓，特别在低增压时，排气压力低，排气能量的利用少，所以涡轮的加速性能就更差。(5) 结构 脉冲系统由于脉冲的瞬时最大流量比恒压系统的流量(相当于脉冲系统的平均流量)大，所以要求涡轮的流通面积大，它的排气管结构也复杂; 为了与柴油机的排气系统相呼应，脉冲系统的涡轮进气壳结构要比恒压系统的涡轮进气壳结构复杂。结论：当低增压时，只需正确设计排气系统，应采用脉冲系统。当高增压时，采用脉冲还是恒压系统取决于柴油机气缸数、增压器数、柴油机的安装位置和用途。一般增压压力Pk0.3Mpa时，常采用恒压增压系统。 由于16V240ZJB和16V2
11、40ZJC型柴油机的增压压力较高，16个气缸又不利于进行脉冲增压系统的布置，该型柴油机又是装用于大功率干线内燃机车上，它经常用于大负荷工况，因此该机采用恒压系统。 在6240ZJ型柴油机(配GK1C型机车)增压系统示意图(图1-2)中，1-涡轮增压器、2-排气总管、3-排气总管、4-波纹管、5-进气支管、6-排气支管、7-空冷器、8-进气系统安装座、9-进气道、10-压气机出气道。从图中看出：柴油机的每三个气缸排出的燃气进入一个排气总管，六个缸则有两个排气总管，因此，6240ZJ型柴油机增压系统属于脉冲增压系统。 图1-2 6240ZJ型柴油机增压系统示意图图中、1-涡轮增压器; 2-排气总管
12、一; 3-排气总管二; 4-波纹管; 5-进气支管; 6-排气支管; 7-空冷器; 8-进气系统安装座; 9-进气道; 10-压气机出气道。第二章 涡轮增压器第一节 涡轮增压器概述1. 涡轮增压器的种类资阳晨风精机公司是生产铁路机车柴油机及船用柴油机配件的专业公司，也是中国西南地区生产涡轮增压器的重要基地。自1973年以来，已生产ZN310及ZN240两大系列涡轮增压器数十种，产品行销全国各主要机务段及冶金、石油、矿山、港口等企业。ZN310系列涡轮增压器有ZN310A4型涡轮增压器、ZN310G型涡轮增压器、ZN310G-1型涡轮增压器、45GP804A型涡轮增压器等; ZN240系列涡轮增
13、压器有ZN240A型涡轮增压器、ZN240A1型涡轮增压器、ZN240B型涡轮增压器、ZN246型涡轮增压器、ZN290型涡轮增压器等。基本满足了资阳机车公司各型机车柴油机的配机要求。另有CZW303型船用涡轮增压器。2. 涡轮增压器的配机型号各主要型号的涡轮增压器的配机型号见下表。序号涡轮增压器名称配属于柴油机的型号配属于内燃机车的型号01ZN310A4型涡轮增压器16V280ZJA型柴油机DF8型内燃机车DF8B型内燃机车DF11型内燃机车02ZN310G型涡轮增压器16V240ZJB型柴油机DF4B型内燃机车DF12型内燃机车03ZN310G-1型涡轮增压器8240ZJ型柴油机DF5型内
14、燃机车0445GP804A型涡轮增压器12V180ZJ型柴油机DFH5型内燃机车DFH5B型内燃机车GK1B型内燃机车05ZN240A型涡轮增压器(双进口)ZN240A1型涡轮增压器(单进口)6240ZJ型柴油机GK1C型内燃机车06ZN240B型涡轮增压器6240ZJD型柴油机GK1C-B型内燃机车07ZN246型涡轮增压器12V240ZJ型柴油机GKD3B型内燃机车08ZN290型涡轮增压器16V240ZJC型柴油机DF4C型内燃机车09CZW303型涡轮增压器6320ZCD-2 型船用柴油机上述涡轮增压器型号中， Z一表示轴流式涡轮 N-表示轴承为内置支承结构 240一表示压气机叶轮外径
15、为240mm左右 A、Al、B一表示增压器的变型代号3. 涡轮增压器的主要技术参数涡轮增压器是由单级轴流式涡轮和单级离心式压气机组成。采用滑动轴承内置支承结构形式，压力油润滑。涡轮增压器利用改变通流部分的结构参数，可满足多种柴油机的配机需要。 主要技术数据如下表：序号项目名称单位ZN240系列涡轮增压器ZN310系列涡轮增压器ZN240AZN240BZN246ZN310A4ZN310G01标定折合转速r/min330003460034129225002250002标定折合流量kgs2.202.382.362.582.782.472.6303压比2.983.403.032.682.802.72.
16、804机组总效率%57.55757575705转子最高转速r/min380003800038000260002600006涡轮前最高允许温度 68065007润滑油进油压力Mpa0.25-0.400.25-0.4508润滑油进口温度40-7509润滑油出口温度9510润滑油滤清精度um1511冷却水进口温度50-8012冷却水出口温度9013冷却水压力Kpa300-400第二节 涡轮增压器的结构及作用各型涡轮增压器的原理相同、结构相似。现分别以ZN310G型及ZN240A型涡轮增压器为代表，说明增压器的具体结构及作用。1. ZN310G型涡轮增压器该型涡轮增压器是由转子装配、蜗壳装配、支承体装
17、配、压气机端轴承装配、涡轮端轴承装配、涡轮进气壳装配、涡轮出气壳装配等七大部分构成。另外还有润滑、冷却及密封装置(见图2-1 ZN310G型增压器结构图)。图2-1 ZN310G型涡轮增压器结构图图2-1中：1.螺钉; 2. 螺钉; 3. 导流壳; 4. 蜗壳装配; 5. 扩压器装配. 6. 涡轮出气壳装配; 7. 螺钉; 8. 压气机轴承装配; 9. 转子装配; 10. 喷嘴环; 11. 涡轮进气壳装配; 12. 螺钉; 13. 螺钉; 14. 螺钉; 15. 螺母; 16. 螺母; .17. 涡轮轴承装配; 18. 支架。1.1 转子装配涡轮增压器转子装配是由导风轮、压气机叶轮、衬套、轴承
18、套、主轴、涡轮轮盘及涡轮叶片等零件组成(见图2-2 转子装配结构图)。转子装配是由两个滑动轴承紧固于涡轮出气壳的两个轴承座上，压气机工作轮和涡轮分别在支承的两侧。 图2-2 转子装配结构图图2-2中：1. 轴承套; 2. 甩油盘; 3. 油封; 4. 压气机叶轮; 5. 压紧圈; 6. 主轴螺母; 7. 销A618; 8. 导风轮; 9. 涡轮叶片; 10. 锁紧片; 11. 圆柱销; 12. 螺栓; 13. 涡轮轮盘。压气机工作轮是由锻铝合金制成的，由导风轮和叶轮共同热套在钢制衬套上组成。工作轮用压紧圈以双键与主轴连接，并以螺母压紧。工作轮的工作表面经阳极氧化处理。导风轮采用10片长叶片和1
19、0片短叶片间隔分布，以增大流量范围，避免气流在导风轮进口处发生堵塞。导风轮叶片型面为空间抛物曲面，采用数控铣削中心加工成型; 压气机叶轮为半开式直叶片; 涡轮叶片采用无余量真空精密浇铸，由于承受相当高的热负荷和冲击负荷，其材料采用高强度镍基高温耐热合金，叶根部分通过强力磨削使榫齿成型; 涡轮轮盘采用GH2132高温锻造合金，轮盘榫槽是采用自动拉削装置和成型拉刀加工成型; 涡轮轮盘用3个轴向圆柱销及3个螺栓与主轴联接; 涡轮叶片用纵树形榫头镶在涡轮轮盘榫槽内，并用锁紧片防止其轴向移动。整个转子装配经过了严格的动平衡，其动不平衡量3g.cm，并打有装配标记，故不可任意调换其中的零件及组装位置。1.
20、2 扩压器装配图2-3 扩压器装配结构图图2-3中：1. 扩压器; 2. 扩压器盖板; 3. 螺钉M445; 4. 垫圈4; 5. 螺母M4。扩压器装配是由扩压器、扩压器盖板等零件组成(见图2-3 扩压器装配结构图)。叶片扩压器是由铸铝合金制造，叶片为机翼型，用10个螺钉与扩压器盖板固定在一起，便于组装和调整，整个扩压器流道具有高效区域宽广的特点，尤其在部分负荷时更为突出。扩压器组件被蜗壳压紧在涡轮出气壳上。扩压器与压气机工作轮间设有气封装置，以防止增压空气过多的漏泄。1.3 涡轮进气壳装配 图2-4 涡轮进气壳装配结构图图2-4 涡轮进气壳装配结构图图2-4中：1. 涡轮进气壳; 2. 喷嘴
21、环紧固螺栓;3. 锁紧丝; 4. 喷嘴环; 5.喷嘴环镶套; 6. 双止动垫圈; 7. 喷嘴环紧固螺栓。涡轮进气壳装配是由涡轮进气壳、喷嘴环、喷嘴环镶套等零件组成(见图2-4 涡轮进气壳装配结构图)。喷嘴环紧固在涡轮进气壳上，涡轮进气壳装配装在涡轮出气壳装配上。涡轮进气壳的进口连接柴油机的排气管，从柴油机气缸排出的燃气经过涡轮进气壳进入喷嘴环和涡轮。涡轮进气壳的作用是引导燃气的流动方向，使其能按照喷嘴环的形状均匀地进入喷嘴环，以减少流动损失，更好地利用燃气能量。涡轮进气壳是由耐热球铁铸造及机加工成型。喷嘴环是由喷嘴叶片、喷嘴环外圈、喷嘴环内圈组成，采用1Cr18Ni9Ti合金钢整体精铸而成。靠
22、六个耐热合金螺栓固定在涡轮进气壳上，螺栓用耐热钢丝贯穿防松。喷嘴环的主要作用是导向。喷嘴叶片以一定的安装角度均匀地分布在喷嘴环上，燃气从叶片间流道流出时，能够沿着一定的方向均匀地冲击涡轮。喷嘴环的另一个作用是将燃气的热能和压能转换成动能。由于喷嘴环作成收敛形流道，并具有一定的出口面积，因此高温高压的燃气在喷嘴环流道内膨胀后，其温度和压力降低而速度增高。这样，使气流沿着一定的方向高速冲向涡轮，使增压器转子迅速旋转。喷嘴环对涡轮的工作性能有很大的影响，因此其制造精度要求较高，除流道表面要求光洁外，喷嘴叶片出口安装角度和喷嘴环出口面积都必须严格控制在设计规定范围内。喷嘴环镶套也紧固在涡轮进气壳上，以
23、保护喷嘴环。1.4 压气机轴承装配和涡轮轴承装配压气机轴承装配主要由压气机端轴承座、径向轴承、止推垫板、推力轴承、推力轴承体、推力轴承端板、辅助推力轴承等零件组成(见图图2-5)。涡轮轴承装配主要由涡轮端轴承座、径向轴承、石墨密封环等零件组成(见图2-6)。压气机轴承和涡轮轴承均采用相同规格的径向轴承。两个高锡铝基合金的三油楔径向轴承分别装在压气机轴承座及涡轮轴承座上，转子的轴向推力由在压气机端的推力轴承和辅助推力轴承承受。为便于主轴的装拆，有一个与主轴配合的轴承套作主轴的推力凸缘，轴承套借螺母的压紧力与主轴一起旋转。 图2-5 压气机轴承装配结构图图2-5中、1. 压气机端轴承座; 2. 径
24、向轴承; 3.止推垫板; 4. 推力轴承体; 5.推力轴承端板; 6.导流壳; 7. 销钉; 8. 辅助推力轴承; 9. 推力轴承; 10. 轴承套 ;12螺栓;13.锁紧丝。 图2-6 涡轮轴承装配结构图 图2-6中：1.螺钉; 2.石墨密封环; 3. O型密封圈; 4.压盖; 5.密封胶;6 涡轮端轴承座;7.销钉; 8.径向轴承。1.5 涡轮出气壳装配图2-7 涡轮出气壳装配结构图 图2-7中：1.出水盖板垫; 2.出水盖板; 3.螺栓; 4.垫圈; 5.盖板; 7.螺堵; 8.进油接头; 9.、冷却水接头; 10.铭牌; 11.铆钉; 12.螺栓; 14.涡轮出气壳; 16.盖板垫;
25、18.引气接头; 19.进油接头护盖; 21.引气孔压板; 22.螺栓; 23.锁紧丝; 24.支架)。涡轮出气壳装配主要由涡轮出气壳、支架、冷却水接头、出水盖板、盖板、进油接头等零件组成(见图2-7)。涡轮出气壳为特种耐热合金铸铁制成，它是安装转子和轴承的基座。壳中有气、油、水腔和增压空气引气道，油腔和水腔要经400-500Kpa的水压试验，确保壳体不泄漏。出气壳采用了大排气腔结构，流埸分布均匀，可大大降低余速损失。1.6 蜗壳装配图2-8 蜗壳装配结构图图2-8中：1.蜗壳; 2.钢套; 3.螺套; 4.垫圈; 5.六方螺塞; 6.衬垫。蜗壳装配是由蜗壳、六方螺塞、钢套等零件组成(见图2-
26、8)。蜗壳采用铝合金铸造并经加工成型。它的作用是收集从扩压器来的空气，其蜗壳的通流截面沿其圆周逐渐增大，其增大的规律按照气流的运动规律确定，因此气流损失较小，而且不会出现脱流现象。1.7 润滑、油封和冷却涡轮增压器的润滑：经仔细滤清后的滑油（可与柴油机共用同一润滑系统），由涡轮出气壳上的进油口经进油接头进入轴承座上的进油槽，再进入径向轴承和推力轴承进行润滑(润滑油牌号为增压柴油机油)，而后由回油腔接回油管道流回柴油机油底壳。涡轮增压器的密封：压气机端轴承的润油密封，是由油封和安装在油封上的两道铸铁密封环与压气机油封盖内圆面配合及甩油盘组成。压气机叶轮背面的气封，是由压气机气封圈和压气机叶轮背面所组成的径向迷宫式气封完成。涡轮端反螺纹油封槽车在主轴上与涡轮气封圈内圆面配合，并且装有一道石墨密封环，构成涡轮端的滑油密封。涡轮气封圈上车有轴向迷宫式气封槽与涡轮轮盘内侧凸肩组成迷宫式气封(见涡轮增压器油封结构简图2-9)。涡轮增压器的冷却：冷却水进口在
