CN105351240B - 一种宽流量范围喘振控制的涡轮增压器压气机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种宽流量范围喘振控制的涡轮增压器压气机，包括压气机壳和压气机叶轮，所述压气机壳的内侧设有与压气机叶轮同轴心的外环和内环，所述外环和内环之间形成C型循环通道，所述C型循环通道远离压气机叶轮的一端设有叶片，所述C型循环通道叶片位于C型循环通道的后半部分形成循环通道内的有叶扩压器，C型循环通道的前半部分形成循环通道内的无叶扩压器；所述C型循环通道叶片前缘位于C型循环通道的最高点，C型循环通道叶片后缘与C型循环通道出口平齐；所述C型循环通道的子午面形状成渐扩型。相对于现有技术，本发明具有以下优势：本发明采用在压气机机匣空腔内嵌入一个普适通用的有叶扩压器，优化机匣处理效果，使其可以在离心压气机上广泛应用。

Description

一种宽流量范围喘振控制的涡轮增压器压气机
技术领域
本发明属于涡轮增压器技术领域，尤其是涉及一种宽流量范围喘振控制的涡轮增压器压气机。
背景技术
为配合内燃机往复的工作过程，涡轮增压器压气机需要在宽流量范围内工作。当发动机低转速高负荷运转时，压气机流量较小，压气机压比相对高，致使压气机发生喘振，进而无法为发动机提供进气。
现有技术中，有多种方式可以拓宽压气机流量范围，机匣处理是其中的一种简单而有效的方法，如图1所示，即在压气机壳入口处制造一个通道，通道本身与进气道连通，此外还要加工一个周向的槽连通通道和叶轮。当压气机工作临近失速和喘振时，叶轮导叶边缘滞留气体和沿叶轮轮缘与压气机壳间间隙逆流的气体将通过槽与通道，进入压气机入口。这些逆流气流或者是流回叶轮入口，或者被排出，这将很大程度上改善压气机喘振。当压气机工作临近阻塞状态时，入口管道的新鲜空气会通过通道及槽，经叶轮导叶前缘直接被吸入叶轮中，这就增加了压气机阻塞流量，增加程度取决于槽相对导叶前缘于轴向位置。
为了改善压气机机匣处理的效果，可在通道中加入叶片以改变通道内气体流动方向，减少通道出流气体气流的正旋转，进一步改善失速和喘振。典型的例子是霍尼韦尔的专利“离心压气机喘振控制”EP2110557(A1)，其结构如图2所示，图中：1-压气机壳、2-压气机无叶扩压器通道、3-压气机叶轮叶片尾缘、4-压壳轮缘、5-外环、6-内环、7-现有叶片、8-C型循环通道入口、9-叶轮叶片前缘、10-再循环系统、11-C型循环通道、12-C型循环通道出口。该专利有两个缺点，一是叶片从C型通道开槽处或附近开始，二是通道的子午面形状在通道出口处成渐缩型。由于该专利中加入的叶片过于靠近叶轮，叶片入口的流速很高，所以一旦入口攻角不对，可能造成大分离，影响扩稳效果。由于不同叶轮在不同的工况下，开槽处的流动情况不同，因而叶片入口的气流攻角也不同，因此，此专利下的叶片必须针对每一个压气机进行优化，没有一个普适、通用的结构，从而影响了此专利在离心压气机的广泛应用。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种宽流量范围喘振控制的涡轮增压器压气机，以实现通用性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种宽流量范围喘振控制的涡轮增压器压气机，包括压气机壳和压气机叶轮，所述压气机壳的内侧设有与压气机叶轮同轴心的外环和内环，所述外环和内环之间形成C型循环通道，所述C型循环通道远离压气机叶轮的一端设有C型循环通道叶片，所述C型循环通道叶片位于C型循环通道的后半部分形成循环通道内的有叶扩压器，C型循环通道的前半部分形成循环通道内的无叶扩压器；所述C型循环通道叶片前缘位于C型循环通道的最高点，C型循环通道叶片后缘与C型循环通道出口平齐；所述C型循环通道的子午面形状成渐扩型。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
本发明采用在压气机机匣空腔内嵌入一个普适通用的有叶扩压器，优化机匣处理效果，使其可以在离心压气机上广泛应用。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为常规机匣处理的结构示意图；
图2为霍尼韦尔专利结构示意图；
图3为本发明实施例C型循环通道示意图；
图4为本发明实施例C型循环通道有叶扩压气器叶片角度示意图；
图5为本发明实施例C型循环通道有叶扩压器叶片后缘倾角度平面展开示意图；
图6为本发明实施例宽流量范围喘振控制的涡轮增压器压气机的剖面结构示意图
图7为本发明实施例C型循环通道叶片与压气机叶轮结构示意图。
附图标记说明：
1-压气机壳、2-压气机无叶扩压器通道、3-压气机叶轮叶片尾缘、4-压壳轮缘、5-外环、6-内环、7-现有叶片、8-C型循环通道入口、9-叶轮叶片前缘、10-再循环系统、11-C型循环通道、12-C型循环通道出口、13-C型循环通道叶片、14-C型循环通道叶片前缘、15-C型循环通道叶片后缘、16-压气机叶轮、17-循环通道内无叶扩压器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种宽流量范围喘振控制的涡轮增压器压气机，包括压气机壳1和压气机叶轮16，所述压气机壳1的内侧设有与压气机叶轮16同轴心的外环5和内环6，所述外环5和内环6之间形成C型循环通道11，所述C型循环通道11远离压气机叶轮16的一端设有C型循环通道叶片13，所述C型循环通道叶片13位于C型循环通道11的后半部分形成循环通道内的有叶扩压器，C型循环通道11的前半部分形成循环通道内的无叶扩压器17；所述C型循环通道叶片前缘14位于C型循环通道11的最高点，C型循环通道叶片后缘15与C型循环通道出口12平齐；所述C型循环通道11的子午面形状成渐扩型。
如图3所示，若压气机叶轮16的出口直径为D，C型循环通道入口8的宽度为bi，那么0.06≥bi/D≥0.02,从加工方便及流通面积两方面因素考虑，其值不能太小，然而从减小开槽处叶尖间隙的角度考虑，该值也不宜过大；
若C型循环通道入口8与压气机叶轮16轴向的夹角为αi,那么αi≤90°,αi值小较好；
若C型循环通道叶片13的入口叶高为bL，那么3Disinαi/DL≥bL/bi≥1.5Disinαi/DL，较大的bL值有利于扩压效果，但是该值过大存在流动分离的危险；
若C型循环通道出口12的宽度为be，那么4≥be/bi≥2，比值大时有利于扩压，但是太大则可使流动产生分离；
若C型循环通道叶片13的轴向长度为Lv，那么2≥Lv/D≥0.5,并应与叶片数一并考虑：D小时，叶片数较少，Lv/D可取较大的值，D大时，叶片数较多，Lv/D可取较小的值；
若C型循环通道11的轴向长度为de，那么4Lv/D≥de/D≥2Lv/D，该值偏大有利于扩压效果，但过大无叶扩压器过长摩擦损失大；
若C型循环通道11的高度为hv，那么0.6≥hv/D≥0.3,当该值较大时，无叶扩压器效果好，可降低叶片入口速度，并且有叶扩压器长度增加有利于扩压，然而数值过大将增加入口整体尺寸；
若C型循环通道入口8到叶轮叶片前缘9的距离为di，那么0.080≥di/D≥0.020，数值小对扩稳有好处，但太大也会影响扩稳；
若NB为有C型循环通道叶片13的个数，则NB为压气机叶轮16的大叶片数的1.1至2.2倍后取整数,如果压气机叶轮16只有大叶片，系数取较小值，如果压气机叶轮16有大小叶片，系数取较大值。
如图3所示，若C型循环通道叶片13的前掠角为αL，其角度范围应该介于0°至45°之间，前掠角αL>0可适当增加有叶扩压器叶片长度，DL＝Di+2hv；
若压气机叶轮16的旋转角速度为Ω，方向如图4所示；C型循环通道叶片13的入口角度为βL，其角度范围应该介于10°至30°之间；
若C型循环通道叶片13的出口角度为βe，其角度范围应该介于10°至30°之间，用于保证出口气流无旋。
如图5所示，C型循环通道叶片13的相对半径方向的后倾角为γ，其角度范围应该介于0°至45°之间，用于产生出口气流反旋。
本发明的工作原理是基于压气机入口和C型循环通道11的入口处的压差，当压气机在最高效率下工作时，压差很小，所以有叶扩压器不会起作用，也不会影响压气机的性能。
当压气机在阻塞和喘振工况下时，压气机入口和C型循环通道11的入口处就会产生压差。压力梯度会驱使气流通过C型循环通道11在压气机叶轮16与压气机入口处流动。
在喘振工况下，气体由C型循环通道11入口处到压气机入口的循环降低了导风轮前部的背压，改善导风轮做功能力，从而避免喘振的发生；
在阻塞工况下，额外的气流通过C型循环通道11直接进入压气机叶轮16，增加了导风轮的有效进气面积和进气量。C型循环通道11的进出口压差和流动损失是决定自循环有效性的两个关键参数。通过减小C型循环通道叶片13的入口处的气流冲撞损失与分离，可以降低自循环的流动损失。通过引入有效的有叶扩压器，可提高进出口压差,并降低循环通道出口流速，减少出流与主流的掺混损失。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种宽流量范围喘振控制的涡轮增压器压气机，其特征在于：包括压气机壳(1)和压气机叶轮(16)，所述压气机壳(1)的内侧设有与压气机叶轮(16)同轴心的外环(5)和内环(6)，所述外环(5)和内环(6)之间形成C型循环通道(11)，所述内环(6)远离压气机叶轮(16)的一端设有C型循环通道叶片(13)，所述C型循环通道叶片(13)位于C型循环通道(11)的后半部分形成循环通道内有叶扩压器，C型循环通道(11)的前半部分形成循环通道内无叶扩压器(17)；所述C型循环通道叶片前缘(14)位于C型循环通道(11)的最高点，C型循环通道叶片后缘(15)与C型循环通道出口(12)平齐；所述C型循环通道出口(12)处的C型循环通道(11)的子午面形状成渐扩型。
2.根据权利要求1所述的宽流量范围喘振控制的涡轮增压器压气机，其特征在于：所述C型循环通道(11)的C型循环通道入口(8)的宽度bi与压气机叶轮(16)的出口直径D的比值bi/D满足0.06≥bi/D≥0.02；所述C型循环通道出口(12)的宽度be与C型循环通道入口(8)的宽度bi的比值be/bi，满足4≥be/bi≥2；
所述C型循环通道(11)的C型循环通道入口(8)到叶轮叶片前缘(9)的距离di与压气机叶轮(16)的出口直径D的比值di/D满足0.080≥di/D≥0.020。
3.根据权利要求1所述的宽流量范围喘振控制的涡轮增压器压气机，其特征在于：所述C型循环通道(11)的C型循环通道入口(8)与压气机叶轮(16)轴向的夹角为αi，αi≤90°。
4.根据权利要求1所述的宽流量范围喘振控制的涡轮增压器压气机，其特征在于：所述C型循环通道叶片(13)的轴向长度为Lv与压气机叶轮(16)的出口直径D的比值Lv/D满足2≥Lv/D≥0.5。
5.根据权利要求1所述的宽流量范围喘振控制的涡轮增压器压气机，其特征在于：所述C型循环通道(11)的轴向长度de与压气机叶轮(16)的出口直径D的比值de/D满足4Lv/D≥de/D≥2Lv/D，其中Lv为C型循环通道叶片(13)的轴向长度；
所述C型循环通道(11)的高度hv与压气机叶轮(16)的出口直径D的比值hv/D满足0.6≥hv/D≥0.3。
6.根据权利要求1所述的宽流量范围喘振控制的涡轮增压器压气机，其特征在于：所述C型循环通道叶片(13)的个数NB为压气机叶轮(16)的大叶片数的1.1至2.2倍后取整数,如果压气机叶轮(16)只有大叶片，系数取小值1.1，如果压气机叶轮(16)有大小叶片，系数取大值2.2。
7.根据权利要求1所述的宽流量范围喘振控制的涡轮增压器压气机，其特征在于：所述C型循环通道叶片(13)的相对半径方向的后倾角的角度范围介于0°至45°之间。
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