CN102536330A - 一种丰满型可调喷嘴叶片的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种丰满型可调喷嘴叶片设计方法，它利用叶片的阻塞作用和特殊的叶片形状来实现理想的dh/dθ和dα/dθ的变化规律，以获得较大的dh/dθ和较小的dα/dθ，用以改善发动机的低速性能。丰满型可调喷嘴叶片叶型曲线是根据气流角α_p、凸、凹面安装角β_t、β_w四个约束条件，经过反复计算实践，创建的叶片叶型曲线方程。按此方法设计的叶片，诸多叶片同步绕各自的回转中心旋转时，叶片间始终保持一个比较理想的通道，可使发动机的低速性能得到明显的改善。

Description

一种丰满型可调喷嘴叶片的设计方法

技术领域

本发明属于透平机械技术领域，具体涉及一种可调喷嘴叶片。

背景技术

由于排放法规的日益严酷，常规行涡轮增压器已不能适应车用发动机的配机要求。因其不能满足发动机从低速到高速的全程匹配，照顾了高速则低速供气不足，导致发动机性能恶化；照顾了低速，则高速时增压器势必超速，由于增压压力太高，导致发动机爆发压力超标，由于发动机泵气功的增加，必将导致发动机性能恶化。虽然近十几年带旁通放气阀的涡轮增压器已广泛使用，使发动机的低速性能有了明显的改善，但由于在发动机高速时将部分废气放掉，排气能力的损失使发动机的高速性能仍不理想。至此，“可变涡轮几何流通截面”的涡轮增压器则顺理成章的登上了“涡轮增压”的舞台。可变涡轮几何流通截面的形式有多种，根据优胜劣汰的法则，最终人们还是对“旋转叶片”的形式情有独钟。其结构及工作原理如图一所示。其可调喷嘴叶片沿圆周D_j均布安装在“安装盘”上，根据发动机在不同转速下对增压压力的要求，电动或气动执行机构推动“拨盘”转动，“拨盘”上开有与“可调喷嘴叶片”等数量的槽与“可调喷嘴叶片”上的“拨销”啮合。“拨盘”转动时带动诸“可调喷嘴叶片”绕D_j上的各自旋转中心“0”同步旋转，从而改变了叶片间的法向距离dh，喷嘴的流通面积A＝dh*b*Z_d(其中Z_d为叶片数，b为叶片高度)，因此，dh的变化使“A，，成正比的发生改变。理想的喷嘴叶片的形式应是这样的：当可调喷嘴叶片绕“0”点旋转时，面积A的变化速率应大(θ转动范围小，则α的变化范围亦小)，而可调喷嘴出口叶片安装角α度要小。因按照理论计算，α值的最佳范围为16～22°。在此范围内可获得较高的涡轮效率。早期，可调喷嘴普遍采用的是“对称楔形”或者其他形式“瘦长”型叶片，这类形式的叶片所暴露出来的问题是：dh/dθ的梯度偏小，而dα/dθ的梯度偏大(参见图3及图4)；这两种因素导致发动机在低速时(dh小时)，α角严重偏离最佳值，致使涡轮进口前的气体速度c1也严重偏离理想方向(参见图5)，使之排气背压明显升高，而增压压力却无法随之提升，就很难获得理想的发动机低速性能。

发明内容

本发明就是要解决现有“对称楔形”和“瘦长”型叶片dh/dθ的梯度偏小，而dα/dθ的梯度偏大，导致发动机在低速时(dh小时)，α角严重偏离最佳值，致使涡轮进口前的气体速度c1也严重偏离理想方向，使之排气背压明显升高，而增压压力却无法随之提升，难以获得理想的发动机低速性能的问题。

基于上述原因，就有必要更换一种叶片形式，以期获得较大的dh/dθ和较小的dα/dθ，用以改善发动机的低速性能。这一形式的叶片我们称之为丰满型叶片，它是利用叶片的阻塞作用和特殊的叶片形状来实现理想的dh/dθ和dα/dθ的变化规律。目前，国内尚无此种叶片的设计方法，针对这一状况，我们创造了自己独特的设计方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种丰满型可调喷嘴叶片设计方法，利用叶片的阻塞作用和特殊的叶片形状来实现dh/dθ和dα/dθ的变化规律，以获得dh/dθ和dα/dθ，用以改善发动机的低速性能，在求解过程中，首先选择叶片弦长Lx，而后确定叶片的虚拟长度Lz，进而确定凹面截线Yw向和Xw向的长度，根据选定的α_p角、凸、凹面安装角β_t、β_w，求解凸面截线Xt向和Yt向的长度，则得凹凸面截线方程；一种丰满型可调喷嘴叶片叶型曲线方程创建步骤：根据气流角α_p、凸、凹面安装角β_t、β_w四个约束条件首先建立一个叶片叶型曲线方程作为的根基，而后再确定一个叶片弦长Lx以及凹面截线Yw向和Xw向的长度的位置比Ke、Kf，一般Ke＝0.76～0.78、Kf＝0.12～0.13，在保证α_p、β_t、β_w不变的前提下，计算出凸、凹面截面截线在(X_t，Y_t)和(X_w，Y_w)坐标系内的离散点数值，选定叶片旋转中心的位置(X_oz，Y_oz)，一般L_s＝0.40L_X；再根据需要将(X_t，Y_t)和(X_w，Y_w)坐标值转换到D_j圆周的特定位置上，创建了如下的叶片叶型曲线方程：

1)

式中：Zd——可调喷嘴叶片数；

叶片的虚拟长度Lz，Lz＝(1.3～1.33)*Lx

凹面截线Yw向和Xw向的长度，Ywm＝Ke*Lz

式中：Ke——比例系数，Ke＝0.76～0.78；

Xwm＝Kf*Ywm

式中：Kf——比例系数，Kf＝0.12～0.13；

选定α_p角：一般α_p＝26～28°；

2) $R_0=(L_Z-Y_{\mathrm{wm}})*\mathrm{tg}\left(\frac{{\mathrm{\α}}_p}{2}\right)...\left(2\right)$

凸、凹面安装角β_t、β_w：

一般β_t＝20～24°，

β_w＝74～76°；

求解凸面截线Xt向和Yt向的长度，

3)

$X_{\mathrm{tm}}=(L_z-X_{\mathrm{wm}}*\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_p)*\sin {\mathrm{\α}}_p+\frac{X_{\mathrm{wm}}}{\cos {\mathrm{\α}}_p}...\left(3\right)$

4)

$Y_{\mathrm{tm}}=\left\{\frac{[X_{\mathrm{tm}}-\left(\frac{X_{\mathrm{wm}}}{\cos {\mathrm{\α}}_p}\right)]}{\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_p}\right\}-(1-K_e)*L_z...\left(4\right)$

5)

$X_W={\left[\frac{A_w-{(A_w^2-4B_w*Y_w)}^{0.5}}{2B_w}\right]}^2...\left(5\right)$

6)

$X_t={\left[\frac{A_t-{(A_t^2-{4B}_t*Y_t)}^{0.5}}{2B_t}\right]}^2...\left(6\right)$

式中：

$A_t=\frac{2(Y_{\mathrm{tm}}-X_{\mathrm{tm}}*\mathrm{tg}{\mathrm{\β}}_t)}{X_{\mathrm{tm}}^{0.5}},$ $B_t=\frac{Y_{\mathrm{ttm}}-{2X}_{\mathrm{tm}}*\mathrm{tg}{\mathrm{\β}}_t)}{X_{\mathrm{tm}}},$

$A_w=\frac{2(Y_{\mathrm{wm}}-X_{\mathrm{wm}}*\mathrm{tg}{\mathrm{\β}}_w)}{X_{\mathrm{wm}}^{0.5}},$ $B_w=\frac{Y_{\mathrm{wtm}}-{2X}_{\mathrm{wm}}*\mathrm{tg}{\mathrm{\β}}_w)}{X_{\mathrm{wm}}}$

发明同现有技术相比具有以下有益效果：具有丰满型叶片的可调喷嘴环可使发动机的低速性能得到明显的改善。

附图说明

图1为可调喷嘴涡轮示意图；

图2为可调喷嘴组装示意图；

图3为喷嘴叶片转动时，两种叶片相对流通面积的变化规律示意图；

图4为喷嘴叶片转动时，两种叶片α角的变化规律示意图；

图5为楔形可调喷嘴叶片组装图；

图6为小流道截面时丰满型喷嘴叶片流道示意图；

图7为丰满型喷嘴叶片结构参数示意图；

图8为不同开度(dh)的丰满型叶片可调喷嘴的流道示意图。

具体实施方式

如图7所示，在设计叶片时，首先选择叶片弦长Lx

式中：Zd——可调喷嘴叶片数；

而后确定叶片的虚拟长度Lz

Lz＝(1.3～1.33)*Lx

进而确定凹面截线Yw向和Xw向的长度，

Ywm＝Ke*Lz

式中：Ke——比例系数，Ke＝0.76～0.78；

Xwm＝Kf*Ywm

式中：Kf——比例系数，Kf＝0.12～0.13；

选定α_p角：

一般α_p＝26～28°；

$R_0=(L_Z-Y_{\mathrm{wm}})*\mathrm{tg}\left(\frac{{\mathrm{\α}}_p}{2}\right)...\left(2\right)$

选定凸、凹面安装角β_t、β_w：

一般β_t＝20～24°，

β_w＝74～76°；

求解凸面截线Xt向和Yt向的长度，

$X_{\mathrm{tm}}=(L_z-X_{\mathrm{wm}}*\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_p)*\sin {\mathrm{\α}}_p+\frac{X_{\mathrm{wm}}}{\cos {\mathrm{\α}}_p}...\left(3\right)$

$Y_{\mathrm{tm}}=\left\{\frac{[X_{\mathrm{tm}}-\left(\frac{X_{\mathrm{wm}}}{\cos {\mathrm{\α}}_p}\right)]}{\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_p}\right\}-(1-K_e)*L_z...\left(4\right)$

则得凹凸面截线方程：

$X_W={\left[\frac{A_w-{(A_w^2-4B_w*Y_w)}^{0.5}}{2B_w}\right]}^2...\left(5\right)$

$X_t={\left[\frac{A_t-{(A_t^2-{4B}_t*Y_t)}^{0.5}}{2B_t}\right]}^2...\left(6\right)$

式中：

$A_t=\frac{2(Y_{\mathrm{tm}}-X_{\mathrm{tm}}*\mathrm{tg}{\mathrm{\β}}_t)}{X_{\mathrm{tm}}^{0.5}},$

$B_t=\frac{Y_{\mathrm{ttm}}-{2X}_{\mathrm{tm}}*\mathrm{tg}{\mathrm{\β}}_t)}{X_{\mathrm{tm}}},$

$A_w=\frac{2(Y_{\mathrm{wm}}-X_{\mathrm{wm}}*\mathrm{tg}{\mathrm{\β}}_w)}{X_{\mathrm{wm}}^{0.5}},$

$B_w=\frac{Y_{\mathrm{wtm}}-{2X}_{\mathrm{wm}}*\mathrm{tg}{\mathrm{\β}}_w)}{X_{\mathrm{wm}}}.$

利用(5)(6)式分别计算出叶片凸、凹面截面截线在(X_t，Y_t)和(X_w，Y_w)坐标系内的离散点数值，选定叶片旋转中心的位置(X_oz，Y_oz)，一般L_s＝0.40L_X；再根据需要将(X_t，Y_t)和(X_w，Y_w)坐标值转换到D_j圆周的特定位置上。按上述方法设计的叶片，诸多叶片同步绕各自的回转中心旋转时，叶片间始终保持一个比较理想的通道，这可从图8种看出。

Claims (1)

1.一种丰满型可调喷嘴叶片设计方法，其特征是：利用叶片的阻塞作用和特殊的叶片形状来实现dh/dθ和dα/dθ的变化规律，以获得dh/dθ和dα/dθ，用以改善发动机的低速性能，在求解过程中，首先选择叶片弦长Lx，而后确定叶片的虚拟长度Lz，进而确定凹面截线Yw向和Xw向的长度，根据选定的α_p角、凸、凹面安装角β_t、β_w，求解凸面截线Xt向和Yt向的长度，则得凹凸面截线方程；一种丰满型可调喷嘴叶片叶型曲线方程创建步骤：根据气流角α_p、凸、凹面安装角β_t、β_w四个约束条件首先建立一个叶片叶型曲线方程作为的根基，而后再确定一个叶片弦长Lx以及凹面截线Yw向和Xw向的长度的位置比Ke、Kf，一般Ke＝0.76～0.78、Kf＝0.12～0.13，在保证α_p、β_t、β_w不变的前提下，计算出凸、凹面截面截线在(X_t，Y_t)和(X_w，Y_w)坐标系内的离散点数值，选定叶片旋转中心的位置(X_oz，Y_oz)，一般L_s＝0.40LX；再根据需要将(X_t，Y_t)和(X_w，Y_w)坐标值转换到D_j圆周的特定位置上，创建了如下的叶片叶型曲线方程：

1)

式中：Zd——可调喷嘴叶片数；

叶片的虚拟长度Lz，Lz＝(1.3～1.33)*Lx

凹面截线Yw向和Xw向的长度，Ywm＝Ke*Lz

式中：Ke——比例系数，Ke＝0.76～0.78；

Xwm＝Kf*Ywm

式中：Kf——比例系数，Kf＝0.12～0.13；

选定α_p角：一般α_p＝26～28°；

2) $R_0=(L_Z-Y_{\mathrm{wm}})*\mathrm{tg}\left(\frac{{\mathrm{\α}}_p}{2}\right)...\left(2\right)$

凸、凹面安装角β_t、β_w：

一般β_t＝20～24°，

β_w＝74～76°；

求解凸面截线Xt向和Yt向的长度，

3)

$X_{\mathrm{tm}}=(L_z-X_{\mathrm{wm}}*\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_p)*\sin {\mathrm{\α}}_p+\frac{X_{\mathrm{wm}}}{\cos {\mathrm{\α}}_p}...\left(3\right)$

4)

$Y_{\mathrm{tm}}=\left\{\frac{[X_{\mathrm{tm}}-\left(\frac{X_{\mathrm{wm}}}{\cos {\mathrm{\α}}_p}\right)]}{\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_p}\right\}-(1-K_e)*L_z...\left(4\right)$

5)

$X_W={\left[\frac{A_w-{(A_w^2-4B_w*Y_w)}^{0.5}}{2B_w}\right]}^2...\left(5\right)$

6)

$X_t={\left[\frac{A_t-{(A_t^2-{4B}_t*Y_t)}^{0.5}}{2B_t}\right]}^2...\left(6\right)$

式中：

$A_t=\frac{2(Y_{\mathrm{tm}}-X_{\mathrm{tm}}*\mathrm{tg}{\mathrm{\β}}_t)}{X_{\mathrm{tm}}^{0.5}},$ $B_t=\frac{Y_{\mathrm{ttm}}-{2X}_{\mathrm{tm}}*\mathrm{tg}{\mathrm{\β}}_t)}{X_{\mathrm{tm}}},$

$A_w=\frac{2(Y_{\mathrm{wm}}-X_{\mathrm{wm}}*\mathrm{tg}{\mathrm{\β}}_w)}{X_{\mathrm{wm}}^{0.5}},$ $B_w=\frac{Y_{\mathrm{wtm}}-{2X}_{\mathrm{wm}}*\mathrm{tg}{\mathrm{\β}}_w)}{X_{\mathrm{wm}}}$

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