CN111043074A - 一种具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮 - Google Patents

一种具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮 Download PDF

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朱爱国
闫健菲
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Abstract

本发明公开了一种具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮，包括轮毂(1)；轮毂的上表面四周，围绕轮毂的垂直中心轴线，沿周向等间隔交叉分布有多对叶片组；每对叶片组包括间隔分布的一个长叶片(2)和一个分流叶片(3)；长叶片(2)和分流叶片(3)均为叶型叶片；长叶片(2)的中弧面，靠近轮毂(1)的一侧边缘为轮毂曲线(5)；长叶片(2)的中弧面，远离轮毂(1)的另一侧边缘为轮罩曲线(4)；轮罩曲线和轮毂曲线，均符合贝塞尔Bezier样条曲线。本发明结构设计科学，能够通过控制叶片的中弧面两侧的轮毂曲线和轮罩曲线的形状，有效防止空气回流，大大提高了压气机效率。

Description

一种具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮
技术领域
本发明涉及涡轮增压器技术领域，特别是涉及一种具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮。
背景技术
涡轮增压技术，是利用发动机废气推动涡轮增压器中的涡轮转动，并带动压气机叶轮旋转，使得压气机叶轮将空气进行压缩，并将压缩后的空气充入发动机。为了让同尺寸发动机拥有更高的燃烧效率、更好的燃油经济性以及更高的扭矩特性，必须提升压气机叶轮的性能。
但是，现有压气机叶轮，由于结构设计不合理，整体性能较差，严重限制了压气机的效率，进而影响到整个涡轮增压器的效率。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮。
为此，本发明提供了一种具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮，包括轮毂；
轮毂的上表面四周，围绕轮毂的垂直中心轴线，沿周向等间隔交叉分布有多对叶片组；
每对叶片组包括间隔分布的一个长叶片和一个分流叶片；
长叶片和分流叶片均为叶型叶片；
长叶片的中弧面，靠近轮毂的一侧边缘为轮毂曲线；
长叶片的中弧面，远离轮毂的另一侧边缘为轮罩曲线；
轮罩曲线和轮毂曲线的形状，均符合贝塞尔Bezier样条曲线的形状。
其中，分流叶片的轮毂曲线，以及分流叶片的轮罩曲线，均是符合贝塞尔Bezier样条曲线的形状。
其中，轮罩曲线和轮毂曲线，分别符合高阶贝塞尔Bezier样条曲线；
高阶贝塞尔Bezier样条曲线，具体为五次及以上贝塞尔Bezier样条曲线。
其中，长叶片顶部的长叶片进气边，与水平横向直线之间的夹角A的角度范围为5度～8度。
其中，长叶片顶部的长叶片进气边，由里向外逐渐向下倾斜。
其中，长叶片下部的长叶片出口边，与垂直直线之间的夹角B的角度范围为12度～18度。
其中，长叶片出口边，由里向外逐渐向上倾斜。
其中，分流叶片轮毂曲线总弧长，与长叶片轮毂曲线总弧长的比值范围为0.4-0.5。
其中，分流叶片顶部的分流叶片进气边，与水平横向直线之间的夹角C的角度范围为11～13度；
分流叶片顶部的分流叶片进气边，由里向外逐渐向上倾斜。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮，其结构设计科学，能够通过控制叶片的中弧面两侧的轮毂曲线和轮罩曲线的形状，有效防止空气回流，大大提高了压气机效率，进而提升整个涡轮增压器的效率，能够有效解决现有叶轮存在的技术不足。
附图说明
图1为本发明提供的一种具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮，一种实施例的立体结构示意图；
图2为本发明提供的一种具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮，具有的叶轮通道结构示意图；
图3为本发明提供的一种具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮，叶轮的轮毂和轮罩的Bezier样条控制曲线的设计实例示意图；
图4为本发明提供的一种具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮，叶轮的进口和出口结构角度示意图；
图5为本发明提供的一种具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮，叶轮的分流叶片位置示意图(该图，显示了分流叶片和长叶片叠加在一起时的位置)；
图中，1为轮毂，2为长叶片，3为分流叶片，4为轮罩曲线，5为轮毂曲线；
21为长叶片进气边，22为长叶片出口边；
31为分流叶片进气边。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图1至图5所示，本发明提供了一种具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮，包括轮毂1；
轮毂1的上表面四周，围绕轮毂1的垂直中心轴线，沿周向等间隔交叉分布有多对叶片组；
每对叶片组包括间隔分布的一个长叶片2和一个分流叶片3；
长叶片2和分流叶片3均为叶型叶片；
长叶片2的中弧面(是叶片型面)，靠近轮毂1的一侧边缘为轮毂曲线5；
长叶片2的中弧面，远离轮毂1的另一侧边缘为轮罩曲线4；
轮罩曲线4和轮毂曲线5的形状，均是符合贝塞尔Bezier样条曲线的形状。
需要说明的是，分流叶片的轮毂曲线(即分流叶片3靠近轮毂1的一侧边缘)，以及分流叶片的轮罩曲线(即分流叶片3远离轮毂1的另一侧边缘)，均符合贝塞尔Bezier样条曲线的形状。
在本发明中，具体实现上，轮罩曲线4和轮毂曲线5，分别符合高阶(5阶及以上)贝塞尔Bezier样条曲线；
具体实现上，高阶贝塞尔Bezier样条曲线，具体可以为五次贝塞尔Bezier样条曲线。
需要说明的是，对于本发明，叶轮的轮毂曲线，符合高阶Bezier样条曲线，能够精确控制压气机叶轮的轮毂曲线，以及控制叶轮的子午通道的气体流向。同时，叶轮的轮罩曲线的形状，也符合高阶Bezier样条曲线，这样，能够精确控制压气机叶轮的轮罩曲线，有效防止气体回流，同时有效控制压气机叶轮与压气机壳之间的间隔尺寸，防止漏气，大大提升了压气机的效率，从而提高了涡轮增压器的整体效率。
在本发明中，需要说明的是，长叶片2的中弧面内具有的中弧线，为基于多个控制点的贝塞尔Bezier样条曲线，例如为五次贝塞尔Bezier样条曲线。
参见图3所示，例如，对于叶轮，轮罩贝塞尔Bezier样条曲线，在设计时，包括P1shroud、P2shroud、P3shroud、P4shroud和P5shroud等五个轮罩曲线控制点；轮毂贝塞尔Bezier样条曲线，在设计时，包括P1hub、P2hub、P3hub、P4hub和P5hub等五个轮毂曲线控制点。通过这些设计，能够精确控制曲线起始点控制点的切线方向，曲线光滑连续可导，使得更加符合高阶Bezier样条曲线，有利于精确控制气体流向。
需要说明的是，对于本发明，压气机叶轮的结构包括轮毂、多个长叶片和多个分流叶片，长叶片和分流叶片数量相等，围绕压气机叶轮的轴线方向，交错均匀分布在叶轮的轮毂上。
在设计压气机叶轮的叶片时，首先定义叶片的中弧面(具体可以为符合贝塞尔Bezier曲线的中弧线所获得的中弧面，具体体现为：如图2所示的长叶片的侧面)，中弧面的两侧分别为轮毂曲线和轮罩曲线，其中，轮毂曲线靠近轮毂一侧，轮罩曲线远离轮毂一侧。为了得到更高的压气机效率，需要严格控制压气机叶轮的轮毂曲线和轮罩曲线。需要说明的是，对于现有技术，通常利用多段相切的圆弧对轮毂曲线和轮罩曲线进行加工定位，无法精确控制上述两条曲线，因此会出现叶轮通道二次流，气流回流等情况，严重限制了压气机效率。
因此，本发明利用高阶贝塞尔Bezier样条曲线，来精确控制叶片的中弧面两侧的轮毂曲线和轮罩曲线的形状，有效防止空气回流，大大提高了压气机效率，进而提升整个涡轮增压器的效率，能够有效解决现有叶轮存在的技术不足。
在本发明中，具体实现上，参见图4所示，长叶片2顶部的长叶片进气边21，与水平横向直线之间的夹角A的角度范围为5度～8度。
具体实现上，长叶片2顶部的长叶片进气边21，由里向外逐渐向下倾斜(即越靠近轮廓的垂直中心轴线，高度越高)。
因此，基于以上的角度和形状设计，能够解决叶轮的进口气流径向气流分布不均的现象，同时，叶轮叶片自振频率得到提高。
在本发明中，具体实现上，参见图4所示，长叶片2下部的长叶片出口边22，与垂直直线之间的夹角B的角度范围为12度～18度；
具体实现上，长叶片出口边22，由里向外逐渐向上倾斜(即越靠近轮廓的垂直中心轴线，高度越低)。
因此，基于以上的角度和形状设计，能够延长轮罩边的气流流动通道，增加气流的扩压距离，降低叶片气动载荷，提高叶轮效率及压比，同时，叶轮的出口气流均匀性提高，叶轮的效率得到提升。
在本发明中，具体实现上，分流叶片轮毂曲线总弧长，与长叶片轮毂曲线总弧长的比值范围为0.4-0.5，能够通过选择分流叶片的位置，使得叶轮叶片载荷在出口段得到降低，叶轮出口扩压稳定，压比提升稳定。
如图5所示，对于叶轮的分流叶片，其形状符合贝塞尔Bezier样条曲线，该贝塞尔Bezier样条曲线中，包括轮罩曲线控制点Pshroud以及轮毂曲线控制点Phub，其中，分流叶片3靠近轮毂1一侧的、弧形的轮毂边缘的弧长L1(即分流叶片轮毂曲线总弧长)，与长叶片2的轮毂曲线边缘5的弧长L2(即长叶片轮毂曲线总弧长)，它们之间的比值范围为0.4～0.5。
在本发明中，具体实现上，参见图4所示，分流叶片3顶部的分流叶片进气边31，与水平横向直线之间的夹角C的角度范围为11～13度；
分流叶片3顶部的分流叶片进气边31，由里向外逐渐向上倾斜(即越靠近轮廓的垂直中心轴线，高度越低)。
因此，基于以上的角度和形状设计，能保证分流叶片3的根部强度，获得较好的叶片气动性能，同时避免应力集中和离心力过大而造成叶片断裂等问题。
需要说明的是，在图2、图4中，长叶片2下部的长叶片出口边22，与分流叶片3下部的分流叶出口边的图形，相互重合。具体实现上，长叶片2下部的长叶片出口边22与分流叶片3下部的分流叶出口边，分别与垂直直线之间的夹角可以相等。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮，其结构设计科学，能够通过控制叶片的中弧面两侧的轮毂曲线边缘和轮罩曲线边缘的形状，有效防止空气回流，大大提高了压气机效率，进而提升整个涡轮增压器的效率，能够有效解决现有叶轮存在的技术不足。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮，其特征在于，包括轮毂(1)；
轮毂(1)的上表面四周，围绕轮毂(1)的垂直中心轴线，沿周向等间隔交叉分布有多对叶片组；
每对叶片组包括间隔分布的一个长叶片(2)和一个分流叶片(3)；
长叶片(2)和分流叶片(3)均为叶型叶片；
长叶片(2)的中弧面，靠近轮毂(1)的一侧边缘为轮毂曲线(5)；
长叶片(2)的中弧面，远离轮毂(1)的另一侧边缘为轮罩曲线(4)；
轮罩曲线(4)和轮毂曲线(5)，均是符合贝塞尔Bezier样条曲线。
2.如权利要求1所述的具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮，其特征在于，分流叶片的轮毂曲线，以及分流叶片的轮罩曲线，均符合贝塞尔Bezier样条曲线。
3.如权利要求1所述的具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮，其特征在于，轮罩曲线(4)和轮毂曲线(5)的形状，分别是符合高阶贝塞尔Bezier样条曲线的形状；
高阶贝塞尔Bezier样条曲线，具体为五次及以上贝塞尔Bezier样条曲线。
4.如权利要求1所述的具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮，其特征在于，长叶片(2)顶部的长叶片进气边(21)，与水平横向直线之间的夹角的角度范围为5度～8度。
5.如权利要求1所述的具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮，其特征在于，长叶片(2)顶部的长叶片进气边(21)，由里向外逐渐向下倾斜。
6.如权利要求1所述的具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮，其特征在于，长叶片(2)下部的长叶片出口边(22)，与垂直直线之间的夹角B的角度范围为12度～18度。
7.如权利要求1所述的具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮，其特征在于，长叶片出口边(22)，由里向外逐渐向上倾斜。
8.如权利要求1所述的具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮，其特征在于，分流叶片轮毂曲线总弧长，与长叶片轮毂曲线总弧长的比值范围为0.4-0.5。
9.如权利要求1至8中任一项所述的具有高性能轮毂和轮罩的涡轮增压器压气机叶轮，其特征在于，分流叶片(3)顶部的分流叶片进气边(31)，与水平横向直线之间的夹角的角度范围为11～13度；
分流叶片(3)顶部的分流叶片进气边(31)，由里向外逐渐向上倾斜。
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