CN104358710A - 涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮增压器，涡轮增压器的压气机轮的表面上设有若干叶片，所述叶片均沿所述压气机轮的切向延伸，若干叶片分为若干组，且每组均包括形成压缩梯度且顺次排列的三个叶片，三个叶片的长度和高度均依次递减；压气机轮的轮缘外侧套设一扩压器，扩压器包括相对扣合在一起的第一轮盘和第二轮盘，第一轮盘的端面上设有第一扩压凹腔，第二轮盘的端面上设有第二扩压凹腔，且第一扩压凹腔与所述第二扩压凹腔对应扣合后形成一封闭的扩压管道，压气机轮上的叶片与扩压管道一一对应，且扩压管道均与对应的叶片的延伸方向一致。本发明的有益效果：升压效率高，保证进气量，设计合理。

Description

涡轮增压器

技术领域

本发明属于涡轮增压器技术领域，尤其涉及一种涡轮增压器。 

背景技术

涡轮增压器中的压气机叶轮对气体做功，在叶轮和扩压器的流道内，实现离心升压和降速增压。如图8和如图9中所示为现有使用的叶轮1'和扩压器5'的结构示意图，图8中叶轮的叶片数量少，使用中存在叶轮升压效率低的问题，图9中的扩压器的流道最终形成为开放式，气体流过开放式的流道时必然存在气流损失，造成气流量减少。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种涡轮增压器，以解决现有使用的涡轮增压器的叶轮升压效率低以及扩压器易产生气流损失的技术问题。 

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种涡轮增压器，所述涡轮增压器的压气机轮的表面上设有若干沿所述压气机轮周向均匀布置的叶片，所述叶片均沿所述压气机轮的切向延伸，若干所述叶片分为若干组，且每组均包括形成压缩梯度且顺次排列的三个所述叶片，三个所述叶片的长度和高度均依次递减，且每个所述叶片远离所述压气机轮中心孔的一端均延伸至所述压气机轮的轮缘，所述压气机轮的轮缘外侧套设一扩压器，所述扩压器固定安装在所述涡轮增压器的中间体与所述涡轮增压器的压气机壳体之间； 

所述扩压器包括相对扣合在一起的第一轮盘和第二轮盘，所述第一轮盘的端面上设有沿所述第一轮盘的周向均匀布置且与所述叶片等数量的第一扩压凹腔，所述第二轮盘的端面上设有与所述第一扩压凹腔相对称且等数量的第二扩压凹腔，且所述第一扩压凹腔与所述第二扩压凹腔对应扣合后形成一封闭的扩压管道，所述压气机轮上的所述叶片与所述扩压管道一一对应，且所述扩压管道均与对应的所述叶片的延伸方向一致。 

作为进一步地改进，所述第一扩压凹腔和所述第二扩压凹腔均为从进气端至出气端依次渐扩的凹腔。 

作为进一步地改进，所述第二轮盘远离所述第二扩压凹腔的一端固定设置在所述中间体上，所述第一轮盘与所述第二轮盘之间通过紧固件连接在一起， 且所述第一轮盘远离所述第二轮盘的一端也通过紧固件与所述压气机壳体连接在一起。 

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是： 

由于若干所述叶片分为若干组，且每组均包括形成压缩梯度且顺次排列的三个叶片，三个叶片的长度和高度均依次递减，这样大小中叶片可以形成压缩梯度，快速的实现压气机轮对气体做功升压以及提高涡轮增压器的效率；又由于第一扩压凹腔与所述第二扩压凹腔对应扣合后形成一封闭的扩压管道，压气机轮上的叶片与扩压管道一一对应，且扩压管道均与对应的叶片的延伸方向一致，管道式的封闭流道可以防止压气轮流出的气体损失，解决了传统开放式流道易产生气体损失的问题，结构简单，大大提高了进气量，整体结构使得涡轮增压器具有高压比和高效率，设计合理。 

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图； 

图2是图1中A-A剖视图； 

图3是图1的侧视图； 

图4是图1中压气机轮的结构示意图； 

图5是图4的侧视图； 

图6是第一扩压凹腔在第一轮盘上分布的结构示意图； 

图7是第二扩压凹腔在第二轮盘上分布的结构示意图； 

图8是现有使用的压气机叶轮的结构示意图； 

图9是现有使用的扩压器的结构示意图； 

图10是现有使用的压气机的效率图； 

图11是本发明实施例中改进后的压气机效率图； 

图中，1、压气机轮，2、第一级大叶片，3、第二级中叶片，4、第三级小叶片，5、扩压器，50、第一轮盘，51、第二轮盘，52、第一扩压凹腔，53、第二扩压凹腔，6、扩压管道。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

如图1至图7共同所示，一种涡轮增压器，涡轮增压器的压气机轮1的表 面上设有若干沿压气机轮1周向均匀布置的叶片，叶片均沿压气机轮1的切向延伸，若干叶片分为若干组，且每组均包括形成压缩梯度且顺次排列的三个叶片，即如图4中所示的第一级大叶片2、第二级中叶片3和第三级小叶片4，三个叶片的长度和高度均依次递减，且每个叶片远离压气机轮中心孔的一端均延伸至压气机轮1的轮缘，压气机轮1的轮缘外侧套设一扩压器5，扩压器5固定安装在涡轮增压器的中间体与涡轮增压器的压气机壳体之间； 

扩压器5包括相对扣合在一起的第一轮盘50和第二轮盘51，本发明中扩压器5的封闭式流道采用如下的具体结构实现：在上述第一轮盘50的端面上设有沿第一轮盘50的周向均匀布置且与叶片等数量的第一扩压凹腔52，具体分布形式如图6中所示，第二轮盘51的端面上设有与第一扩压凹腔52相对称且等数量的第二扩压凹腔53，具体分布形式如图7中所示，且第一扩压凹腔52与第二扩压凹腔53对应扣合后形成一封闭的扩压管道6，扩压管道6的横截面可为椭圆形，压气机轮1上的叶片与扩压管道6一一对应，且扩压管道6均与对应的叶片的延伸方向一致。 

上述扩压器5的具体固定形式可以采用下述的方式：将第二轮盘51远离第二扩压凹腔53的一端固定设置在中间体上，第一轮盘50与第二轮盘51之间通过紧固件连接在一起，紧固件可采用销轴，且第一轮盘50远离第二轮盘51的一端通过压气机壳体压紧，从而实现扩压器5的固定以及压气机轮1在扩压器的中间孔内的旋转，固定连接结构简单，便于操作，易实现。 

第一扩压凹腔52和第二扩压凹腔53均为从进气端至出气端依次渐扩的凹腔。具体结构形式如图6和图7中所示。 

压气机轮的叶片明显比现有使用的叶片数量增加，同时大中小的一组叶片之间形成压缩梯度的结构形式，能够大大提高叶片的升压效率，另外扩压器的封闭管道可以防止气体流量损失，保证气体的流入量。 

具体分析过程如下： 

理论计算： 

1)压气机轮的计算： 

先设定压气机轮的进口条件：总压P₀₀和总温T₀₀，无预旋，结果根据静止条件下的热力学参数和速度三角形通过以下公式的迭代可以计算得到，如下 

P₀₁＝(P₀₀+LC1*P₁)/(1+LC1)         (A.1) 

${\mathrm{Cm}}_1=\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_1{A}_1(1-B_1)}---(A.2)$

C₁＝Cm₁                   (A.3) 

$h_{00}=h_{01}=h_1+0.5C_1^2---(A.4)$

h＝C_pT                 (A.5) 

$\frac{P_1}{{\mathrm{\ρ}}_1{T}_1}=\frac{P_{00}}{{\mathrm{\ρ}}_{00}{T}_{00}}---(A.6)$

$\frac{P_1}{P_{01}}={\left(\frac{T_1}{T_{01}}\right)}^{\frac{k}{k-1}}---(A.7)$

求出以上的量之后，进口叶尖速度三角形由如下方程计算： 

$U_{1t}=\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{NR}}_{1t}}{30}---(A.8)$

$W_{1t}=\sqrt{U_{1t}^2+C_{1m}^2}---(A.9)$

2)扩压器计算： 

质量守恒方程： 

$\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dr}}+\frac{1}{C_m}\frac{{\mathrm{dC}}_m}{\mathrm{dr}}+\frac{1}{b}\frac{\mathrm{dh}}{\mathrm{dr}}+\frac{1}{r}=0---(A.41)$

子午面方向的动量守恒： 

$C_m\frac{{\mathrm{dC}}_m}{\mathrm{dr}}-\frac{C_{\mathrm{\θ}}^2}{r}+C_{\mathrm{fd}}\frac{C^2\cos \mathrm{\β}}{b\sin \mathrm{\φ}}+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dr}}=0---(A.42)$

切向的动量守恒方程： 

$C_m\frac{{\mathrm{dC}}_{\mathrm{\θ}}}{\mathrm{dr}}+\frac{C_m{C}_{\mathrm{\θ}}}{r}+C_{\mathrm{ft}}\frac{C^2\sin \mathrm{\β}}{b\sin \mathrm{\φ}}=0---(A.43)$

能量守恒方程： 

$h_0=h+\frac{C^2}{2}---(A.44)$

状态方程： 

$\frac{P}{\mathrm{\ρT}}=\mathrm{const}---(A.45)$

按计算的数据设计加工压气机轮与扩压器，进行压气机性能试验。 

试验结果：更改前后压气机效率对比图，如图10和图11中所示，与更改前相比，更改后的压气机：流量减小约0.2kg/s，压比上升0.3，压气机的最高效率提高2％，且高效区域范围扩大。(见图10和图11的对比) 

其中图10和图11中纵坐标表示pressure ratio(压力比)，横坐标表示corrected air fiow(空气流量)； 

曲线a表示喘振线，曲线b表示阻塞线，曲线d表示效率线，曲线c表示等转速线(涡轮增压器的转速)。 

对照改进前后的图分析可知：改进后的压气机的高效率圈为82％，改进前压气机的高效率圈为为80％，对比后压气机的最高效率提高2％，且从上述两幅图中可看出改进后的高效区域比改进前的高效区域明显增大，即图中82％的效率圈与80％的效率圈之间的对比，因此本改进后的压气机轮的叶片结构即大小中叶片 可以形成压缩梯度，快速的实现压气机轮对气体做功升压以及提高涡轮增压器的效率均可以通过上述实验图得到有效的证明。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (3)

1.涡轮增压器，所述涡轮增压器的压气机轮的表面上设有若干沿所述压气机轮周向均匀布置的叶片，所述叶片均沿所述压气机轮的切向延伸，其特征在于，若干所述叶片分为若干组，且每组均包括形成压缩梯度且顺次排列的三个所述叶片，三个所述叶片的长度和高度均依次递减，且每个所述叶片远离所述压气机轮中心孔的一端均延伸至所述压气机轮的轮缘，所述压气机轮的轮缘外侧套设一扩压器，所述扩压器固定安装在所述涡轮增压器的中间体与所述涡轮增压器的压气机壳体之间；

所述扩压器包括相对扣合在一起的第一轮盘和第二轮盘，所述第一轮盘的端面上设有沿所述第一轮盘的周向均匀布置且与所述叶片等数量的第一扩压凹腔，所述第二轮盘的端面上设有与所述第一扩压凹腔相对称且等数量的第二扩压凹腔，且所述第一扩压凹腔与所述第二扩压凹腔对应扣合后形成一封闭的扩压管道，所述压气机轮上的所述叶片与所述扩压管道一一对应，且所述扩压管道均与对应的所述叶片的延伸方向一致。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述第一扩压凹腔和所述第二扩压凹腔均为从进气端至出气端依次渐扩的凹腔。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述第二轮盘远离所述第二扩压凹腔的一端固定设置在所述中间体上，所述第一轮盘与所述第二轮盘之间通过紧固件连接，且所述第一轮盘远离所述第二轮盘的一端通过也通过紧固件与所述压气机壳体连接在一起。