CN101603436A - 一种高效混流涡轮 - Google Patents

Abstract

一种高效混流涡轮，适用于船用以及陆用柴油机涡轮增压器；目的是提高内燃机涡轮增压有效性；本发明包括涡轮叶片、轮毂和轮盘；轮盘为半开式轮盘；涡轮叶片的叶型曲线采用双方程模式；沿涡轮轴线方向座标如右式，式中：c₁、b₂、c₂为方程待定系数，由叶片最大轴向高度Zm、涡轮出口平均直径D_2p上的叶片安装角β_2p和叶片包路角θ_b来确定，对于混流涡轮，一般的，Zm/D_1P＝0.4～0.5，β_2p＝30～40°；θ_b＝360°/叶片数+2～5°；D_1P为涡轮进口平均直径，D_2P＝[(D²+D_o ²)/2]^0.5；p₁、p₂、q₂为方程指数，其值影响叶型曲线的曲率变化规律，一般为1.8～3.0。

Description

一种高效混流涡轮

技术领域

本发明涉及一种混流涡轮，属于变容式机械技术领域。

背景技术

涡轮是涡轮增压器中一个在高温下高速旋转的关键零件，其作用是将内燃机的废气能量转换为带动压气机同轴高速旋转的机械功。常见的涡轮有轴流式、径流式、混流式三种型式，就工作方式而言，混流式是一种介於轴流式和径流式之间的混合模式，优点是效率较高，使内燃机的涡轮增压更加有效，但不足是设计难度大，使人望而却步。

发明内容

本发明目的是为克服上述已有技术的不足，提供一种可提高内燃机涡轮增压有效性的高效混流涡轮。

为提高涡轮的效率，需要从减小气体入射损失、拐弯损失、余速损失入手。而合理的叶型曲线，在保证叶片强度的前提下适当的叶片厚度分布规律，以及按气体流场分布来确定的轮毂和罩毂线是涡轮设计的关键。

本发明包括涡轮叶片、轮毂和轮盘；轮盘为半开式轮盘；轮毂形状参数为：涡轮轮毂底弧半径R₂＝59mm，涡轮进口轮毂倾斜角度α₂＝30°，涡轮出口轮毂倾斜角度α₃＝5°，涡轮出口轮毂直径D_o＝φ40.6mm，涡轮进口轮毂直径D_b＝φ122mm，涡轮叶片轴向高度Zm＝68mm。涡轮叶片数为十二片，叶片的叶型曲线采用双方程模式，即：

沿涡轮轴线方向座标Z＝0～15.3[mm]，

圆周角 $\mathrm{\θ}=C_1*{{\left(\frac{15.3-Z}{15.3}\right)}^{(Z/2)}}^{p_1}---\left(1\right)$

Z＝15.3～70[mm]，

圆周角 $\mathrm{\θ}=C_2\{1-{[1-{\left(\frac{Z-15.3}{b_2}\right)}^{p_2}]}^{\frac{1}{q_2}}\}---\left(2\right)$

式中：θ的单位为弧度；c₁、b₂、c₂为方程待定系数，由叶片最大轴向高度Zm、涡轮出口平均直径D_2p上的叶片安装角β_2p和叶片包路角θ_b来确定，对于混流涡轮，一般的，Zm/D_1P＝0.4～0.5，β_2p＝30～40°；

D_1P为涡轮进口平均直径，D_2P＝[(D²+D_o ²)/2]^0.5；p₁、p₂、q₂为方程指数，其值影响叶型曲线的曲率变化规律，一般为1.8～3.0。

叶片厚度沿轮毂和外基圆柱的分布规律为：

Tg＝5+0.491072*Z-0.02017862*Z²+0.00044202629*Z³

-0.000005076025975*Z⁴+0.0000000214671533*Z⁵[mm]            (3)

Z＝0～24.59[mm]，

Tw＝1.8-0.0162668*Z                                        (4)

Z＝24.59～70[mm]，

Tw＝1.4+0.069354*(Z-24.59)-0.0018687365*(Z-24.59)²

+0.00001189781*(Z-24.59)³                                  (5)

式中：Tg为沿轮毂的叶片厚度[mm]，

Tw为外基圆柱上的叶片厚度[mm]，

Z为沿涡轮轴线方向座标[mm]，

叶片上任意点的叶片厚度：

$T=\mathrm{Tg}-(\mathrm{Tg}-\mathrm{Tw})\·{{\left(\frac{R-\mathrm{Rg}}{\mathrm{Rw}-\mathrm{Rg}}\right)}^{\left(\frac{\mathrm{Rg}}{1.5R}\right)}}^m---\left(6\right)$

式中：T为叶片上任意点的叶片厚度[mm]，

Tg，Tw为按(3)、(4)、(5)中方程求得的Tg，Tw值[mm]，

Rg为对应Z的轮毂半径[mm]，

Rw为外基圆柱的半径[mm]，

R为从Rg到Rw的任意半径[mm]，

m为厚度控制指数，沿轴向为一变量：

m＝0.6+0.0021429*Z；                                            (7)

涡轮叶片在进口段R≥Rx的修正区，按下式修尖：

T＝Tx[0.5+0.003333(R-Rx)-0.14(R-Rx)²+0.08666647(R-Rx)³-0.04(R-Rx)⁴]                                                       (8)

式中：T为修正区的叶片厚度[mm]，

Tx为按(6)中方程计算得出的对应Z、Rx点的叶片厚度[mm]，

Rx为修正区的起始半径[mm]，

R为修正区任意点的半径[mm]，

沿b_T1的进口叶片安装角的分布规律：

β₁＝β₁/β_1max；b＝b/b_T1

其中：β₁为进口相对叶片安装角，

β₁为进口叶片安装角，[°]，

β_1max为最大进口叶片安装角，一般为20～25°，

b为相对进口叶片宽度，

B为任意一点的进口叶片宽度[mm]，

b_T1为最大进口叶片宽度[mm]。

涡轮叶片由凸面和凹面构成；设定一基圆柱，在该圆柱上建立圆周角θ*＝f(Z)(或弧长S*＝f(Z))的叶型曲线，沿Z轴给定一系列的点，逐一通过Z轴上这一系列的点，并穿过叶型曲线引出平行X-Y平面的一系列径向射线，这些射线便形成一个没有厚度的叶片中弧面，按照一定规律在每一射线两侧(平行X-Y平面)对称附上叶片的厚度即形成了叶片的凸凹面。

本发明适用于船用以及陆用柴油机涡轮增压器。经国内多家柴油机厂配机试验表明，发动机配装采用本发明混流涡轮的增压器后，与进口的同档增压器相比，燃油耗率下降3～6g/kwh，排气温度下降了30℃左右，明显提高了内燃机涡轮增压有效性，可完全替代进口。

附图说明

图1为本发明混流涡轮外形结构示意图；

图2为本发明混流涡轮子午通道示意图；

图3为沿着图2中涡轮出口平均直径D_2P所在圆柱面剖切的叶型曲线示意图；

图4为沿着图2中围绕叶片进口A-A的剖视图；

图5为涡轮的一个叶片包络角θ_b示意图

图6为沿着图2中一轴向截面剖切后的叶片厚度示意图；

图7为进口叶片安装角β₁分布规律示意图；

图中：1、涡轮叶片，2、轮毂，3、轮盘，4、叶片凸面，5、叶片凹面。

具体实施方式

如图1所示，轮盘3为半开式轮盘，涡轮叶片1共有十二片。涡轮叶片1由叶片凸面4和叶片凹面5构成(图6)。叶型曲线采用双方程模式。

沿涡轮进口宽度b_T1的叶片安装角β₁分布规律：为减小涡轮进口处在叶片凸面的涡流损失，当沿气流方向斜切叶片时，应使叶片形状和气流相对速度相吻合，即形成一个所谓的“斜切前弯涡轮”，它是靠叶型曲线和叶片厚度分布规律的调整来实现的。图7示出了β₁的分布规律。

沿轮毂和外基圆柱的叶片厚度如图6所示，其厚度和涡轮的大小、叶片数、叶片强度、流场分布有关，为实现叶片厚度分布规律的可塑性，一般以高次方程来表示。

为减小涡轮进口处的气体撞击损失，要对进口叶片进行修尖，在进口段确定一修正区，对应每一Z值均有一Rx(修正起始点到回转中心的半径)。

涡轮子午通道结构如图2所示，其参数为：涡轮叶片外圆弧半径R₁＝25mm，涡轮轮毂底弧半径R₂＝59mm，涡轮进口叶片倾斜角度α₁＝30°，涡轮进口轮毂倾斜角度α₂＝30°，涡轮出口轮毂倾斜角度α₃＝5°，涡轮出口叶片倾斜角度α₄＝15°，涡轮进口叶片直径D₁＝φ131.2mm，涡轮出口叶片直径D₂＝φ135mm，涡轮出口轮毂直径D_o＝φ40.6mm，涡轮进口轮毂直径D_b＝φ122mm，涡轮进口叶片宽度b_T1＝25.75mm，叶片轴向高度Zm＝68mm。根据选定的叶片包络角θ_b、出口叶片安装角β_2p、Zm以及叶型方程指数p₁、q₁、p₂、q₂确定叶型方程(1)和(2)的待定系数b₁、c₁、b₂、c₂。并根据流场分析确定涡轮的轮毂线及罩毂线。

Claims (4)

1、一种高效混流涡轮，其特征是包括涡轮叶片、轮毂和轮盘；轮盘为半开式轮盘；涡轮叶片数为十二片，叶片的叶型曲线采用双方程模式，即：

沿涡轮轴线方向座标Z＝0～15.3[mm]，

$\mathrm{\θ}=C_1*{\left(\frac{15.3-Z}{15.3}\right)}^{{(Z/2)}^{p_1}}---\left(1\right)$

Z＝15.3～70[mm]，

$\mathrm{\θ}=C_2\{1-{[1-{\left(\frac{Z-15.3}{b_2}\right)}^{p_2}]}^{\frac{1}{q_2}}\}---\left(2\right)$

式中：θ为圆周角[弧度]；c₁、b₂、c₂为方程待定系数，由叶片最大轴向高度Zm、涡轮出口平均直径D_2p上的叶片安装角β_2p和叶片包路角θ_b来确定，对于混流涡轮，一般的，Zm/D_1P＝0.4～0.5，β_2p＝30～40°；

D_1P为涡轮进口平均直径，D_2P＝[(D²+D_o ²)/2]^0.5；p₁、p₂、q₂为方程指数，其值影响叶型曲线的曲率变化规律，一般为1.8～3.0。

2、如权利要求1所述的高效混流涡轮，其特征是叶片厚度沿轮毂和外基圆柱的分布规律为：

Tg＝5+0.491072*Z-0.02017862*Z²+0.00044202629*Z³

-0.000005076025975*Z⁴+0.0000000214671533*Z⁵[mm]        (3)

Z＝0～24.59[mm]，

Tw＝1.8-0.0162668*Z                                    (4)

Z＝24.59～70[mm]，

Tw＝1.4+0.069354*(Z-24.59)-0.0018687365*(Z-24.59)²

+0.00001189781*(Z-24.59)³                              (5)

式中：Tg为沿轮毂的叶片厚度[mm]，

Tw为外基圆柱上的叶片厚度[mm]，

Z为沿涡轮轴线方向座标[mm]，

叶片上任意点的叶片厚度：

$T=\mathrm{Tg}-(\mathrm{Tg}-\mathrm{Tw})\·{\left(\frac{R-\mathrm{Rg}}{\mathrm{Rw}-\mathrm{Rg}}\right)}^{\left(\frac{\mathrm{Rg}}{1.5R}\right)m}---\left(6\right)$

式中：T为叶片上任意点的叶片厚度[mm]，

Tg，Tw为按(3)、(4)、(5)中方程求得的Tg，Tw值[mm]，

Rg为对应Z的轮毂半径[mm]，

Rw为外基圆柱的半径[mm]，

R为从Rg到Rw的任意半径[mm]，

m为厚度控制指数，沿轴向为一变量：m＝0.6+0.0021429*Z。

3、如权利要求1或2所述的高效混流涡轮，其特征是涡轮叶片在进口段R≥Rx的修正区，按下式修尖：

T＝Tx[0.5+0.003333(R-Rx)-0.14(R-Rx)²+0.08666647(R-Rx)³

-0.04(R-Rx)⁴]                                         (8)

式中：T为修正区的叶片厚度[mm]，

Tx为按(6)中方程计算得出的对应Z、Rx点的叶片厚度[mm]，

Rx为修正区的起始半径[mm]，

R为修正区任意点的半径[mm]，

沿b_T1的进口叶片安装角的分布规律：

β₁＝β₁/β_1max；        b＝b/b_T1

其中：β₁为进口相对叶片安装角，

β₁为进口叶片安装角，[°]，

β_1max为最大进口叶片安装角，一般为20～25°，

b为相对进口叶片宽度，

B为任意一点的进口叶片宽度[mm]，

b_T1为最大进口叶片宽度[mm]。

4、如权利要求1或2所述的高效混流涡轮，其特征是轮毂形状参数为：涡轮轮毂底弧半径R₂＝59mm，涡轮进口轮毂倾斜角度α₂＝30°，涡轮出口轮毂倾斜角度α₃＝5°，涡轮出口轮毂直径D_o＝φ40.6mm，涡轮进口轮毂直径D_b＝φ122mm，涡轮叶片轴向高度Zm＝68mm。

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