CN101915126B - 串列叶型混流或径流涡轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及叶片式流体机械技术领域，特别涉及一种串列叶型混流或径流涡轮。该串列叶型混流或径流涡轮由轮毂、前排叶片和后排叶片组成，串列叶型前、后排叶片数之比Z1∶Z2为1∶1或1∶2，前、后排叶片长度的比值变化范围为0.1～0.5，后排叶片前缘与前排叶片尾缘的相对周向角度的变化范围为0～2π/Z1，前排叶片尾缘到后排叶片前缘距离的变化范围为整个叶片弦长-0.3～0.3。通过前后排叶片间的间隙形成的气流吹除作用，抑制叶片前缘附近的流动分离，减弱二次流动，扩大高效运行范围，改善涡轮在非设计工况及脉冲进气条件下的总体性能。

Description

串列叶型混流或径流涡轮
技术领域
本发明涉及叶片式流体机械技术领域，特别涉及一种可应于柴油机、汽油机增压器、小型燃气轮机、膨胀机等领域的串列叶型混流或径流涡轮。
背景技术
涡轮是一种将工质能量转换为机械能输出的叶片式流体机械。按照工质在涡轮中的流动方向，可分为轴流式、径流式和混流式涡轮。径流式涡轮的结构特点是工质总体近似径向流入叶轮，轴向流出。与轴流式涡轮相比，它具有结构紧凑、制造成本低、小流量时具有较高的效率、级膨胀比较大等特点，在中小型动力装置、涡轮增压器等领域有广泛的应用。混流式涡轮的结构特点是工质以一定的角度倾斜流入叶轮，在子午面上入口气流速度具有径向和轴向分量。混流涡轮较径流涡轮在流量有所提高，性能曲线也更为理想，日益受到重视和应用。
工质在混流/径流涡轮内部流动为复杂的三维流动，叶轮通道内存在通道涡、泄漏涡、角涡等旋涡，是流动损失的重要来源。涡轮叶型对各类旋涡有着直接的影响，决定了涡轮的工作性能。同时涡轮往往要求具有较宽广的高效范围，在设计工况和非设计工况下均具有良好的性能。对于与往复式活塞发动机联合工作的涡轮，如车用增压器涡轮、余热发电涡轮等，入口是脉冲进气条件，流量、压力等参数随时间变化。在脉冲进气条件下，涡轮入口攻角在较大范围内变化，内部流动更为复杂，在叶片前缘附近容易出现较大流动分离，使涡轮效率显著降低。串列叶型通过前后排叶片间形成的间隙，在叶片吸力面和压力面间形成气流吹除效应，减弱叶片前缘附近的分离流动。另外，后排叶片的附面层从新的起点开始，相对于单个叶片，其到尾缘处的附面层能有所减薄，也有利于抑制流动分离的发生，改善叶轮中的流动。
发明内容
本发明目的是提供一种具有串列叶型的混流或径流涡轮，该串列叶型能抑制叶片表面的流动分离，减弱二次流动，扩大高效运行范围，改善涡轮总体性能。
本发明目的通过以下技术方案实现：
所述串列叶型的混流或径流涡轮包括轮毂和叶片，叶片由前排叶片和后排叶片组成，前后排叶片分别均匀地周向分布在轮毂上，前排叶片与后排叶片的数量分别定义为Z1和Z2，定义M为叶轮叶片从前排叶片前缘到后排叶片尾缘的子午线长度，M1为前排叶片从前缘到尾缘的子午线长度，M2为后排叶片从前缘到尾缘的子午线长度，ΔM为前排叶片尾缘到后排叶片前缘的子午线长度，且ΔM＝M-(M1+M2)，后排叶片前缘相对前排叶片尾缘沿叶片旋转反方向的相对角度为Δθ；为便于不同叶高间的比较，用相对弦长表示，即m＝M /M＝1，m1＝M1/M，m2＝M2/M，Δm＝ΔM/M＝m-(m1+m2)；并定义串列叶片长度系数
Figure GDA0000048056180000021
周向位置系数流向位置系数
Figure GDA0000048056180000023
ΔM＝M-(M1+M2)；当前后排叶片在子午面上交错时
Figure GDA0000048056180000024
前排叶片尾缘与后排叶片前缘在子午面上重叠时
Figure GDA0000048056180000025
当前后排叶在子午面上无交错且前排叶片尾缘位于后排叶片前缘上游时
Figure GDA0000048056180000026
所述前排叶片与后排叶片的数量比为Z1∶Z2＝1∶1或Z1∶Z2＝1∶2。
所述串列叶片长度系数的变化范围为0.1～0.5。
所述串列叶片周向位置系数
Figure GDA0000048056180000028
变化范围为0～1。
所述串列叶片流向位置系数
Figure GDA0000048056180000029
变化范围为-0.3～0.3。
本发明的优点在于：涡轮叶片由前排叶片和后排叶片组成，通过串列叶型吸力面和压力面间的抽吸作用，抑制叶片表面的流动分离，减弱二次流动，提高叶轮出口流动的均匀性，扩大高效运行范围，改善涡轮在变工况及脉冲进气条件下的总体性能。
附图说明
图1为本发明中串列叶型的子午视图；
图2为本发明中串列叶型的三维视图；
图3(a)为本发明中相关参数的子午视图；
图3(b)为本发明中相关参数的50％叶高视图；
图4(a)、图4(b)和图4(c)分别为本发明一应用实例的主视图、俯视图和子午视图。
图中标号：
1-轮毂；2-前排叶片；3-后排叶片。
具体实施方式
本发明提供了一种串列叶型混流或径流涡轮，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
如图1和图2所示，该串列叶型混流或径流涡轮包括轮毂1和叶片，叶片由前排叶片2和后排叶片3组成，前后排叶片分别均匀地周向分布在轮毂1上，前排叶片2与后排叶片3的数量分别定义为Z1和Z2，前排叶片数与后排叶片数之比应为Z1∶Z2＝1∶1或Z1∶Z2＝1∶2。定义M为叶轮叶片从前排叶片2前缘到后排叶片3尾缘的子午线长度，M1为前排叶片2从前缘到尾缘的子午线长度，M2为后排叶片3从前缘到尾缘的子午线长度，ΔM为前排叶片2尾缘到后排叶片3前缘的子午线长度，且ΔM＝M-(M1+M2)，后排叶片3前缘相对前排叶片2尾缘沿叶片旋转反方向的相对角度为Δθ；为便于不同叶高间的比较，用相对弦长表示，即m＝M/M＝1，m1＝M1/M，m2＝M2/M，Δm＝ΔM/M＝m-(m1+m2)；并定义串列叶片长度系数周向位置系数
Figure GDA0000048056180000042
流向位置系数ΔM＝M-(M1+M2)；当前后排叶片在子午面上交错时
Figure GDA0000048056180000044
前排叶片2尾缘与后排叶片3前缘在子午面上重叠时
Figure GDA0000048056180000045
当前后排叶在子午面上无交错且前排叶片2尾缘位于后排叶片3前缘上游时
Figure GDA0000048056180000046
一般实施方案中，不同叶高时相应结构参数
Figure GDA0000048056180000047
为一定值，否则以不同叶高下相应结构参数的平均值定义。
所述串列叶片长度系数
Figure GDA0000048056180000048
的变化范围为0.1～0.5。
所述串列叶片周向位置系数
Figure GDA0000048056180000049
变化范围为0～1。
所述串列叶片流向位置系数变化范围为-0.3～0.3。
以下给出一种混流涡轮的具体实施方案：
如图4(a)、图4(b)和图4(c)所示，前排叶片和后排叶片的数量均为12，前排叶片的相对弦长m1＝M1/M＝0.3，后排叶片的相对弦长m2＝M2/M＝0.74，则Δm＝ΔM/M＝m-(m1+m2)＝-0.04，串列叶片长度系数
Figure GDA00000480561800000411
周向位置系数流向位置系数
Figure GDA00000480561800000413

Claims (5)

1.一种串列叶型混流或径流涡轮，其特征在于，包括轮毂(1)和叶片，叶片由前排叶片(2)和后排叶片(3)组成，前后排叶片分别均匀地周向分布在轮毂(1)上，前排叶片(2)与后排叶片(3)的数量分别定义为Z1和Z2，定义M为叶轮叶片从前排叶片(2)前缘到后排叶片(3)尾缘的子午线长度，M1为前排叶片(2)从前缘到尾缘的子午线长度，M2为后排叶片(3)从前缘到尾缘的子午线长度，ΔM为前排叶片(2)尾缘到后排叶片(3)前缘的子午线长度，且ΔM＝M-(M1+M2)，后排叶片(3)前缘相对前排叶片(2)尾缘沿叶片旋转反方向的相对角度为Δθ；为便于不同叶高间的比较，用相对弦长表示，即m＝M/M＝1，m1＝M1/M，m2＝M2/M，Δm＝ΔM/M＝m-(m1+m2)；并定义串列叶片长度系数
Figure FDA0000061881650000011
周向位置系数
Figure FDA0000061881650000012
流向位置系数
Figure FDA0000061881650000013
当前排叶片和后排叶片在子午面上交错时前排叶片(2)尾缘与后排叶片(3)前缘在子午面上重叠时
Figure FDA0000061881650000015
当前后排叶片在子午面上无交错且前排叶片(2)尾缘位于后排叶片(3)前缘上游时
Figure FDA0000061881650000016
2.根据权利要求1所述的串列叶型混流或径流涡轮，其特征在于，所述前排叶片(2)与后排叶片(3)的数量比为Z1∶Z2＝1∶1或Z1∶Z2＝1∶2。
3.根据权利要求1所述的串列叶型混流或径流涡轮，其特征在于，所述串列叶片长度系数
Figure FDA0000061881650000017
的变化范围为0.1～0.5。
4.根据权利要求1所述的串列叶型混流或径流涡轮，其特征在于，所述串列叶片周向位置系数
Figure FDA0000061881650000018
变化范围为0～1。
5.根据权利要求1所述的串列叶型混流或径流涡轮，其特征在于，所述串列叶片流向位置系数
Figure FDA0000061881650000019
变化范围为-0.3～0.3。
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