CN101629584A - 一种抛物线型叶片式扩压器 - Google Patents

一种抛物线型叶片式扩压器 Download PDF

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董复兴
韩国强
朱爱国
张晋东
孙燕华
刘文奇
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Abstract

本发明公开了一种抛物线型叶片式扩压器，将通用抛物线方程用于叶片的凸面、凹面的设计，其中叶片入口安装角范围为16°～22°，叶片出口安装角范围为28°～40°，叶片扩压器入口直径之半与叶轮出口直径之半比为1.05～1.15，叶片扩压器出口直径之半与叶片扩压器入口直径之半之比为1.3～1.5，叶片凹面的叶片包络角比凸面的叶片包络角大2～3°，叶片入口尖点的偏转角小于1°，叶片扩压器的叶片数少于叶轮的叶片数且排除整倍数关系。本发明设计出的抛物线形叶片的叶片扩压器具有较大的可塑性，扩压效率高，改善发动机性能，工艺简单可行，创造了良好的经济效益和社会效益。

Description

一种抛物线型叶片式扩压器
技术领域：
本发明专利属于变容式机械技术领域，具体涉及一种抛物线型叶片式扩压器。
背景技术：
涡轮增压器是现代发动机提高功率、节油和改善排放必不可少的部件，它主要由压气机和涡轮组成，涡轮吸收发动机的排气能量带动压气机高速旋转，压气机吸入大气并升压，将气体压入发动机气缸。压气机由叶轮、扩压器和蜗壳三部分组成，压气机叶轮为高速旋转件，借以提高吸入空气的动能(速度能)，扩压器和蜗壳为静止件，前者的作用是梳理由叶轮高速流出的气流并降低气体流速，将气体的速度能转化为压力能，蜗壳的作用是收集从扩压器流出的气体并进一步降低流速扩压，而后将气体导入发动机的进气管。扩压器又分无叶(缝隙式)扩压器和有叶扩压器，无叶扩压器由于其宽广的适用流量范围而广泛应用于车用发动机，有叶扩压器适用流量范围窄，但扩压效率高，用于船用和发电用发动机。叶片扩压器可分为平板式、三角形、薄壁圆弧型、管式、通道式等型式，以上几种型式或因其扩压效率低或因其工艺复杂均不理想。为此我们创建了一种高效的抛物线叶型的叶片扩压器。
发明内容：
本发明就是针对现有技术中存在的缺陷，提供一种抛物线型叶片式扩压器，解决上述产品在使用中存在因扩压效率低或因工艺复杂不理想的问题。
本发明采用以下技术方案：一种抛物线型叶片式扩压器，包括圆环形底板和叶片，将通用抛物线方程用于叶片式扩压器叶片的凸面、凹面的设计，其中叶片入口安装角范围为16°～22°，叶片出口安装角范围为28°～40°，叶片扩压器入口直径之半与叶轮出口直径之半之比为1.05～1.15，叶片扩压器出口直径之半与叶片扩压器入口直径之半之比为1.3～1.5，叶片凹面的叶片包络角应比凸面的叶片包络角大2～3°，叶片入口尖点的偏转角小于1°。叶片扩压器的叶片数少于叶轮的叶片数且排除整倍数关系。
抛物线叶型方程
本发明是将通用抛物线方程应用于叶片式扩压器叶片凸、凹面的设计上。
二次曲线的通用表达式为：
ax2+bxy+cy2+dx+ey+d＝0
当b2-4ac＝0时，上式变为
x2+2axy+a2y2+bx+cy+d＝0............(1)
(1)式为顶点过座标原点的通用抛物线方程
式中a、b、c、d为方程待定系数。
通过对(1)式求导、座标平移、旋转得出
Figure G2009100750420D00021
Figure G2009100750420D00022
(2)式中
xm＝[R4*sinθb+(R4*cosθb-R3)*tg(α4-θb)]*cos(α4-θb)    (mm)
ym＝[(R4*cosθb-R3)/cos(α4-θb)]-xmtg(α4-θb)          (mm)
x＝[R4*sinθb-x0*cos(α4-θb)+y0*sin(α4-θb)]*cosβ0
-[R4*cosβ0-x0*sin(α4-θb)-y0*cos(α4-θb)]*sinβ0    (mm)......(3)
y＝[R4*sinθb-x0*cos(α4-βb)+y0*sin(α4-θb)]*sinβ0
+[R4*cosβ0-x0*sin(α4-θb)-y0*cos(α4-θb)]*cosβ0    (mm)......(4)
上述几式中：
R3----叶片扩压器入口直径之半(mm)
R4----叶片扩压器出口直径之半(mm)
α3----扩压器叶片入口安装角  (°)
α4----扩压器叶片出口安装角  (°)
θb----叶片包络角            (°)
β0----叶片入口尖点的偏转角  (°)
当计算凸面、凹面抛物线时分别将α3、α4、θb置换为α3t、α4t、α3w、α4w、θbt、θbw即可。
选定R3、R4、α3、α4、θb、β0后先求出结构参数xm和ym，将之带入(2)式，给定一系列y0(y0＝0-ym)，用(2)式求出一系列的x0，再按序将x0、y0代入(3)、(4)式即可求出在以回转中心为原点的x、y座标系中凸、凹面抛物线上的x、y点的座标值。
叶片扩压器结构参数选择
(1)叶片数选择
其选择原则是在保证通道扩张角θeq＝8°～10°，θeq＝2tg-1[(d4-d3)/2l])的前提下，为减小叶片扩压器入口的阻塞和保证叶片扩压器各通道间气体参数的均匀性，应尽量选择较少的叶片数(一般少于叶轮叶片数)，为避免共振，且不允许和叶轮叶片数成整倍数关系。
(2)入口安装角α3和出口安装角α4的选择
α3的大小将直接影响到压气适用流量范围的位置，α3减小则适用流量范围向小流量方向移动，α3增大则适用流量范围向大流量方向移动。将根据配机情况来选择α3，α3的最佳范围为16°～22°。在保证θeq处于合理范围8°～10°、且又能达到较大扩压度的前提下，α4应在α3+(12°～18°)范围内选择。
(3)叶片扩压器入口直径R3的选择
R3/R2＝1.05-1.15，试验表明，在此范围内对压气机的性能影响不大(R2为叶轮出口直径之半)，可视结构情况选定。
(4)叶片扩压器出口直径R4的选择
以R4/R3来度量，R4/R3太小扩压不充分，R4/R3太大则摩擦损失增加，试验表明其合理值为R4/R3＝1.3-1.5。
(5)叶片包络角θb的选择
在α3、α4、R4/R3选定的前提下，θb的大小将直接影响叶片的走向，它对压气机的效率和适用流量范围的影响甚大，一般R4/R3小θb应小，R4/R3大θb应大，为保证叶片凸、凹面的夹角形成“锥形”效果，其凹面的叶片包络角θb应比凸面的叶片包络角θb大2～3°。
(6)偏转角β0的确定
设置β0的目的是为了在R3处形成一定的叶片厚度，在保证叶片强度的前提下为减小入口阻塞和撞击损失，一般β0＜1°。
本发明与传统的叶片扩压器相比，它具有诸多的优越性，下表为几种叶片扩压器的对比。
Figure G2009100750420D00031
Figure G2009100750420D00041
从上表中可看出，抛物线型叶片扩压器具有较大的可塑性，因而扩压更有效。试验表明，和当前应用较广泛的薄壁圆弧型扩压器相比，在同一线速度下，压气机压比提高0.1～0.35，压比越高优势越明显，压气机效率提高2～3％，配机试验表明，发动机比油耗降低5～6g/kw·h，发动机排气温度可降低50～60℃，显著地改善了发动机性能，创造了良好的经济效益和社会效益。
附图说明：
图1为本发明结构示意图；
图2为叶片扩压器结构参数示意图；
图3为抛物线型叶片扩压器叶片结构示意图。
具体实施方式
实施例1
叶片扩压器的抛物线形叶片，将通用抛物线方程用于叶片扩压器叶片的凸面、凹面按以下步骤设计：a、当b2--4ac＝0时，ax2+bxy+cy2+dx+ey+d＝0变为顶点为过坐标原点的通用抛物线方x2+2axy+a2y2+bx+cy+d＝0............(1)，其中a、b、c、d为方程待定系数；b、对步骤(a)中的(1)式求导、坐标平移、旋转得出
Figure G2009100750420D00042
Figure G2009100750420D00043
其中xm＝[R4*sinθb+(R4*cosθb-R3)*tg(α4-θb)]*cos(α4-θb)    (mm)
ym＝[(R4*cosθb-R3)/cos(α4-θb)]-xmtg(α4-θb)              (mm)
x＝[R4*sinθb-x0*cos(α4-θb)+y0*sin(α4-θb)]*cosβ0
-[R4*cosβ0-x0*sin(α4-θb)-y0*cos(α4-θb)]*sinβ0         (mm)......(3)
y＝[R4*sinθb-x0*cos(α4-θb)+y0*sin(α4-θb)]*sinβ0
+[R4*cosβ0-x0*sin(α4-θb)-y0*cos(α4-θb)]*cosβ0         (mm)......(4)
其中叶片入口安装角α3为16°，叶片出口安装角α4为28°，叶片扩压器入口直径之半R3与叶轮出口直径之半R2比为1.05，叶片扩压器出口直径之半R4与叶片扩压器入口直径之半R3比为1.3，叶片凹面的叶片包络角θbw应比凸面的叶片包络角θbt大2°，叶片入口尖点的偏转角β0小于1°。在计算凸面抛物线时，将α3置换为α3t，α4置换为α4t，θb置换为θbt、在计算凹面抛物线时，将α3置换为α3w，α4置换为α4w，θb置换为θbw。叶片扩压器的叶片数少于叶轮的叶片数且排除整倍数关系。
c、用选定的R3、R4、α3、α4、θb、β0求出结构参数xm和ym，再代入(2)式，给定一系列y0＝0-ym，求出一系列的x0，再按序将x0、y0代入(3)式、(4)式求出在以回转中心为原点的x、y坐标系中凸、凹面抛物线上的x、y点的坐标值，即可设计出本发明的叶片式扩压器的抛物线形叶片。
实施例2
叶片式扩压器的抛物线形叶片，将通用抛物线方程用于叶片扩压器叶片的凸面、凹面按以下步骤设计：a、当b2-4ac＝0时，ax2+bxy+cy2+dx+ey+d＝0变为顶点为过坐标原点的通用抛物线方x2+2axy+a2y2+bx+cy+d＝0............(1)，其中a、b、c、d为方程待定系数；b、对步骤(a)中的(1)式求导、坐标平移、旋转得出
Figure G2009100750420D00051
Figure G2009100750420D00052
其中xm＝[R4*sinθb+(R4*cosθb-R3)*tg(α4-θb)]*cos(α4-θb)    (mm)
ym＝[(R4*cosθb-R3)/cos(α4-θb)]-xmtg(α4-θb)               (mm)
x＝[R4*sinθb-x0*cos(α4-θb)+y0*sin(α4-θb)]*cosβ0
-[R4*cosβ0-x0*sin(α4-θb)-y0*cos(α4-θb)]*sinβ0          (mm)......(3)
y＝[R4*sinθb-x0*cos(α4-θb)+y0*sin(α4-θb)]*sinβ0
+[R4*cosβ0-x0*sin(α4-θb)-y0*cos(α4-θb)]*cosβ0          (mm)......(4)
其中叶片入口安装角α3为19°，叶片出口安装角α4为34°，叶片扩压器入口直径之半R3与叶轮出口直径之半R2比为1.1，叶片扩压器出口直径之半R4与叶片扩压器入口直径之半R3比为1.4，叶片凹面的叶片包络角θbw应比凸面的叶片包络角θbt大2.5°，叶片入口尖点的偏转角β0小于1°。在计算凸面抛物线时，将α3置换为α3t，α4置换为α4t，θb置换为θbt、在计算凹面抛物线时，将α3置换为α3w，α4置换为α4w，θb置换为θbw。叶片扩压器的叶片数少于叶轮的叶片数且排除整倍数关系。c、用选定的R3、R4、α3、α4、θb、β0求出结构参数xm和ym，再代入(2)式，给定一系列y0＝0-ym，求出一系列的x0，再按序将x0、y0代入(3)式、(4)式求出在以回转中心为原点的x、y坐标系中凸、凹面抛物线上的x、y点的坐标值，即可设计出本发明叶片式扩压器的抛物线形叶片。
实施例3
叶片扩压器的抛物线形叶片，将通用抛物线方程用于叶片式扩压器叶片的凸面、凹面按以下步骤设计：a、当b2-4ac＝0时，ax2+bxy+cy2+dx+ey+d＝0变为顶点为过坐标原点的通用抛物线方x2+2axy+a2y2+bx+cy+d＝0............(1)，其中a、b、c、d为方程待定系数；b、对步骤(a)中的(1)式求导、坐标平移、旋转得出
Figure G2009100750420D00061
Figure G2009100750420D00062
其中xm＝[R4*sinθb+(R4*cosθb-R3)*tg(α4-θb)]*cos(α4-θb)    (mm)
ym＝[(R4*cosθb-R3)/cos(α4-θb)]-xmtg(α4-θb)              (mm)
x＝[R4*sinθb-x0*cos(α4-θb)+y0*sin(α4-θb)]*cosβ0
-[R4*cosβ0-x0*sin(α4-θb)-y0*cos(α4-θb)]*sinβ0         (mm)......(3)
y＝[R4*sinθb-x0*cos(α4-θb)+y0*sin(α4-θb)]*sinβ0
+[R4*cosβ0-x0*sin(α4-θb)-y0*cos(α4-θb)]*cosβ0         (mm)......(4)
其中叶片入口安装角α3为22°，叶片出口安装角α4为40°，叶片扩压器入口直径之半R3与叶轮出口直径之半R2比为1.15，叶片扩压器出口直径之半R4与叶片扩压器入口直径之半R3比为1.5，叶片凹面的叶片包络角θbw应比凸面的叶片包络角θbt大3°，叶片入口尖点的偏转角β0小于1°。在计算凸面抛物线时，将α3置换为α3t，α4置换为α4t，θb置换为θbt、在计算凹面抛物线时，将α3置换为α3w，α4置换为α4w，θb置换为θbw。叶片扩压器的叶片数少于叶轮的叶片数且排除整倍数关系。c、用选定的R3、R4、α3、α4、θb、β0求出结构参数xm和ym，再代入(2)式，给定一系列y0＝0-ym，求出一系列的x0，再按序将x0、y0代入(3)式、(4)式求出在以回转中心为原点的x、y坐标系中凸、凹面抛物线上的x、y点的坐标值，即可设计出本发明叶片式扩压器的抛物线形叶片。

Claims (2)

1、一种抛物线型叶片式扩压器，包括圆环形底板和叶片，其特征在于：将通用抛物线方程用于叶片的凸面、凹面的设计，其中叶片入口安装角范围为16°～22°，叶片出口安装角范围为28°～40°，叶片扩压器入口直径之半与叶轮出口直径之半比为1.05～1.15，叶片扩压器出口直径之半与叶片扩压器入口直径之半之比为1.3～1.5，叶片凹面的叶片包络角比凸面的叶片包络角大2～3°，叶片入口尖点的偏转角小于1°。
2、根据权利要求1所述的抛物线型叶片式扩压器，其特征在于：所述叶片扩压器的叶片数少于叶轮的叶片数且排除整倍数关系。
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