CN112443359B

CN112443359B - 一种具有s型子午面出口边的向心透平叶轮

Info

Publication number: CN112443359B
Application number: CN202011310155.7A
Authority: CN
Inventors: 郑建设; 陈化; 郑伟茂; 邰永超; 朱林峰
Original assignee: Beehive Weiling Power Technology Jiangsu Co ltd
Current assignee: Beehive Weiling Power Technology Jiangsu Co ltd
Priority date: 2020-11-20
Filing date: 2020-11-20
Publication date: 2022-12-27
Anticipated expiration: 2040-11-20
Also published as: CN112443359A

Abstract

本发明公开了一种具有S型子午面出口边的向心透平叶轮，包括轮毂，以所述轮毂为圆心并与轮毂连接的轮盘，所述轮毂与轮盘之间均匀分布有若干个叶片；叶片的边缘区分为依次首尾相连的进口边、轮毂线、出口边，以及轮盖线；进口边与所述轮毂的轴线平行，所述轮毂线与所述轮毂连接。所述轮毂线区分为与进口边连接的进口端以及与出口边连接的出口端，所述进口端切线方向与轮毂径向平行布置，出口端切线方向与轮毂轴线方向平行布置；本发明通过叶轮子午面出口边的S型控制线设计，使叶根倒圆处的应力水平降低约5％，同时将叶轮的一阶模态固有频率提升约10％，从而降低了叶轮的疲劳失效风险。

Description

一种具有S型子午面出口边的向心透平叶轮

技术领域

本发明涉及涡轮增压器领域，尤其是一种具有S型子午面出口边的向心透平叶轮。

背景技术

涡轮增压器是提高内燃机功率，改善车辆燃油经济性的重要设备。向心透平作为涡轮增压器的核心组件，其将内燃机高温排气中的内能和动能转换为轮周功，从而驱动同轴的压气机运转，实现对内燃机进气的增压。

向心透平主要由涡壳，导向叶栅，叶轮组成。叶轮一般采用径流-轴流混合结构，也称为径流式叶轮。具有单级焓降大，膨胀比高等特点，在流量较小的工况下仍然可以获得较高的等熵效率。透平叶轮作为涡轮增压器的关键零件，设计转速高，工作环境苛刻。透平叶轮的设计直接影响涡轮增压器的整机性能。现有技术在子午面上多采用倾斜的直边出口，主要存在以下两个缺点：

1.当出口边倾斜角度较小时，在出口叶根倒圆处引起较高的离心应力，降低涡轮的低周疲劳寿命。

2.当出口边倾斜角度较大时，气体对涡轮的做功量减少，涡轮气动效率偏低，增加涡轮优化设计的难度。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例，在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中所存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明所要解决的技术问题是现有技术中当出口边倾斜角度较小时，在出口叶根倒圆处引起较高的离心应力，降低涡轮的低周疲劳寿命，当出口边倾斜角度较大时，气体对涡轮的做功量减少，涡轮气动效率偏低，增加涡轮优化设计的难度。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种具有S型子午面出口边的向心透平叶轮，包括，轮毂，以所述轮毂为圆心并与轮毂连接的轮盘，所述轮毂与轮盘之间均匀分布有若干个叶片；所述叶片的边缘区分为依次首尾相连的进口边、轮毂线、出口边，以及轮盖线；所述进口边与所述轮毂的轴线平行，所述轮毂线与所述轮毂连接。

作为本发明所述具有S型子午面出口边的向心透平叶轮的一种优选方案，其中：所述轮毂线区分为与所述进口边连接的进口端以及与所述出口边连接的出口端，所述进口端切线方向与轮毂径向平行布置，所述出口端切线方向与轮毂轴线方向平行布置。

作为本发明所述具有S型子午面出口边的向心透平叶轮的一种优选方案，其中：所述轮盖线区分为与所述进口边连接的轮盖进口端以及与所述出口边连接的轮盖出口端，所述轮盖进口端切线与所述轮毂径向的夹角为45度，所述轮盖出口端切线方向与轮毂轴线方向平行布置。

作为本发明所述具有S型子午面出口边的向心透平叶轮的一种优选方案，其中：所述轮盖线靠近轮盖进口端的曲率大于靠近轮盖出口端的曲率。

作为本发明所述具有S型子午面出口边的向心透平叶轮的一种优选方案，其中：所述出口边为S形，所述出口边靠近所述轮盖线的部分向外凸起，所述出口边靠近轮毂线的部分向内凹陷。

作为本发明所述具有S型子午面出口边的向心透平叶轮的一种优选方案，其中：所述出口边上包括与所述轮毂线连接的第一限位点、与所述轮盖线连接的第二限位点，所述第一限位点与第二限位点之间包括第一控制点、第二控制点以及第三控制点，所述第一控制点、第二控制点以及第三控制点所在位置的均方根半径点位于第一限位点、第二限位点之间形成的直线上。

作为本发明所述具有S型子午面出口边的向心透平叶轮的一种优选方案，其中：所述出口边子午面的均方根半径上的出口叶片角范围为50～60度，出口绝对气流角不大于90度。

作为本发明所述具有S型子午面出口边的向心透平叶轮的一种优选方案，其中：所述进口边的进口叶片角为0度。

作为本发明所述具有S型子午面出口边的向心透平叶轮的一种优选方案，其中：所述轮毂与轮盘的直径比的范围为0.25～0.3，所述轮盖出口端304b与所述轮盘200的直径比的范围是0.8～0.95。

作为本发明所述具有S型子午面出口边的向心透平叶轮的一种优选方案，其中：所述轮毂靠近所述出口边的一端为叶轮鼻头，所述叶轮鼻头的长度与叶轮鼻头的直径比为0.64。

本发明的有益效果：本发明通过叶轮子午面出口边的S型控制线设计，使叶根倒圆处的应力水平降低约5％，同时将叶轮的一阶模态固有频率提升约10％，从而降低了叶轮的疲劳失效风险；本发明通过叶轮子午面出口边的S型控制线设计，使叶轮的质量和转动惯量降低约2％，有助于提升内燃机低速响应性，改善车辆的驾乘体验；本发明通过叶轮子午面出口边的S型控制线设计，使向心透平在设计点的效率提升约1％，匹配相应的轴系和压气机，满足新一代内燃机的设计指标。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明提供的一种实施例所述的具有S型子午面出口边的向心透平叶轮的结构示意图；

图2为本发明提供的一种实施例所述的具有S型子午面出口边的向心透平叶轮中叶轮子午面的结构示意图；

图3为本发明提供的一种实施例所述的具有S型子午面出口边的向心透平叶轮中叶轮子午面在柱坐标系中的示意图；

图4为本发明提供的一种实施例所述的具有S型子午面出口边的向心透平叶轮中叶轮的侧视图；

图5为本发明提供的一种实施例所述的具有S型子午面出口边的向心透平叶轮中原叶轮与本专利的机械效率对比示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

再其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例

参照图1～5，本实施例提供了一种具有S型子午面出口边的向心透平叶轮，通过子午面出口边的S型控制线设计，使其满足向心透平的设计参数，匹配相应的轴系和压气机，满足新一代内燃机的设计指标。

具体的，包括轮毂100，以轮毂100为圆心并与轮毂100连接的轮盘200，轮毂100与轮盘200之间均匀分布有若干个叶片300，叶片300的两个相邻的侧边连接至轮毂100和轮盘200；其中，叶片300的边缘区分为依次首尾相连的进口边301、轮毂线302、出口边303，以及轮盖线304；进口边301是径流式设计，进口边301与轮毂100的轴线平行，径流式叶轮具备高效率，低转动惯量，二阶固有频率偏高等优点，且叶片300的进口叶高与上游导向叶栅的叶片高度保持相同，这种设计和布置方式，有利于避免由于流道截面积突变造成的局部流动损失，提升透平效率。

进一步的，轮毂线302与轮毂100连接，轮毂线302为曲线，应当说明的是，为方便说明，本实施例中，以轮毂100的轴线为z轴，以轮盘200与进口边301接触的平面为xoy面建立柱坐标系，即轮盘200的圆心处为柱坐标系原点；其中，轮毂线302区分为与进口边301连接的进口端302a以及与出口边303连接的出口端302b，进口端302a切线方向与轮毂100径向平行布置，出口端302b切线方向与轮毂100轴线方向平行布置，优选的，进口端302a与出口端302b之间的过度线段控制点尽量向坐标原点方向布置，以控制气流沿轮毂面由径向到轴向的转向更加光滑平顺，降低轮毂面上的流动损失。较低的轮毂面可以提升喉道截面积，增加透平流通能力，显著降低叶轮质量和转动惯量，提升叶轮的低速瞬态响应，提升内燃机低速扭矩和改善内燃机的加速响应性，使车辆具备更加良好的驾乘体验。

进一步的，轮盖线304区分为与进口边301连接的轮盖进口端304a以及与出口边303连接的轮盖出口端304b，轮盖进口端304a切线与轮毂100径向的夹角为45度，轮盖出口端304b切线方向与轮毂100轴线方向平行布置，较佳的，轮盖线304靠近轮盖进口端304a的曲率大于靠近轮盖出口端304b的曲率，目的在于轮盖线304中间的线段控制点尽量保证靠近进口边301的轮盖线304曲率较大以便于设置轮盖检测基准点，靠近出口边303的轮盖线304尽可能平直以配合轮毂线302获得相对较小的通流截面积变化率，保证叶轮的流通能力不会因为生产加工过程中的误差而发生较大的变化。

进一步的，出口边303为S形，整体呈上凸下凹的型式，出口边303靠近轮盖线304的部分向外凸起，出口边303靠近轮毂线302的部分向内凹陷。

出口边303上包括与轮毂线302连接的第一限位点303a、与轮盖线304连接的第二限位点303b，第一限位点303a与第二限位点303b之间包括第一控制点A、第二控制点B以及第三控制点C，第一控制点A、第二控制点B以及第三控制点C所在位置的均方根半径点位于第一限位点303a、第二限位点303b之间形成的直线上。

其中，将第一限位点303a与第二限位点303b之间的直线转换为平面5点4次Bezier曲线，Bezier曲线控制点从轮盖线304至轮毂100为第二限位点303b、第一控制点A、第二控制点B、第三控制点C、第一限位点303a，保持第一限位点303a和第二限位点303b不变，调整中间3个控制点，保证3个控制点均方根半径点位于第一限位点303a、第二限位点303b之间形成的直线上，第三控制点C保持半径不变并向柱坐标系原点方向移动，其中，柱坐标系下第三控制点C的Z坐标取值区间为[Z₆,Z_original]，优先的Bezier控制点Z轴坐标为Z₆，第一控制点A保持半径不变并向远离柱坐标系原点方向移动，柱坐标系下第一控制点A的Z坐标取值区间为[Z_original，Z₁₀]，优先的Bezier控制点Z轴坐标为Z₁₀。即第一限位点303a、第二限位点303b、第一控制点A、第二控制点B、第三控制点C形成的Bezier曲线为出口边303的轮廓。

进一步的，根据透平设计点的边界条件，采用最佳速比法来确定叶轮的直径，并结合导向叶栅的尺寸进行适当微调。选择近零涡的设计方案，其中，出口边303子午面的均方根半径上的出口叶片角范围为50～60度，调整出口叶片角以控制动叶损失及余速损失之和(Δη₂+Δη₃)最小，此时对应的出口叶片角度为54.65度，透平获得在设计点工况下的最高效率。

相应的，出口绝对气流角不大于90度，以期获得尽可能小的绝对气流速度的周向分量，降低余速损失，从而提升透平效率。

进口边301的进口叶片角为0度，匹配导向叶栅的出口气流角，可以获得合适的叶轮进口气流冲角，提高设计点的透平性能。同时进口接近直立的叶片也可以获得较高的固有频率，降低叶轮进口边发生高周疲劳失效的风险，提升设计的安全裕度。

轮毂100与轮盘200的直径比的范围为0.25～0.3，若此数值较大会导致流通能力降低，较小的会导致叶根附近出现减速扩压流动，增大叶轮根部应力水平，降低低周疲劳寿命，降低鼻头的动平衡切削量。本实施例中轮毂100与轮盘200的直径比优选为0.285，这一取值确保出口叶根处的相对气流速度大于进口的相对气流速度，保证了叶轮内部获得高质量的流场；同时兼顾了透平效率，通流能力，叶根倒圆的布置和叶轮鼻头101动平衡的校准能力。

进一步的，轮盖出口端304b与轮盘200的直径比的范围是0.8～0.95，此数值较大有利于获得更大的流通能力和做功能力，叶片高度同时受制于叶轮材料比强度的限制；较低的出口直径比导致叶轮通流能力相对较低，难以满足涡轮增压器向心透平的需求，本实施例中轮盖出口端304b与轮盘200的直径比优选为0.894。较佳的，出口边303采用了椭圆尾缘303c的设计，从轮毂100到轮盖出口端304b的椭圆长短径比从2:1线性降低到4:1，这种特征可以降低尾迹损失，提升叶轮通流能力，有助于提升透平性能。

进一步的，轮毂100靠近出口边303的一端为叶轮鼻头101，叶轮鼻头101的长度与叶轮鼻头101的直径比为0.64，在满足叶轮双面动平衡校准能力的前提下，叶轮鼻头长度尽可能设计得短一些，以降低叶轮重量和转动惯量。

应当说明的是，经过本实施例优化之后，得到的叶轮参数如表1：

表1

根据上述参数来创建叶轮的3D模型，并进行叶轮强度校核，结果如表2所示，本专利叶轮比原型叶轮的质量和转动惯量降低约2％。叶根倒圆处的应力水平降低约5％，同时将叶轮的一阶模态固有频率提升约10％：

表2

项目	质量	转动惯量	叶根最大应力	一阶固有频率
					单位	g	kg·mm<sup>2</sup>	Mpa	Hz
原叶轮	70.2	6.806	653	17602
					本专利叶轮	68.9	6.685	626	19358
变化率	-2％	-2％	-5％	10％

本发明通过叶轮子午面出口边的S型控制线设计，使叶根倒圆处的应力水平降低约5％，同时将叶轮的一阶模态固有频率提升约10％，从而降低了叶轮的疲劳失效风险。本发明通过叶轮子午面出口边的S型控制线设计，使叶轮的质量和转动惯量降低约2％，有助于提升内燃机低速响应性，改善车辆的驾乘体验。本发明通过叶轮子午面出口边的S型控制线设计，使向心透平在设计点的效率提升约1％，匹配相应的轴系和压气机，满足新一代内燃机的设计指标。

参照图5，气体台架试验数据如图5所示，本专利叶轮的机械效率相对于原型叶轮提升了1个百分点，满足新一代内燃机的设计指标。

应当说明的是，本发明采用的叶轮子午面出口边S型控制线，赋予了研发人员更多的设计自由度。本方案总体采用叶片出口边上凸下凹的型式，这种方式对向心透平的性能提升有显著效果。如果采用叶片出口边上凹下凸的型式，则能获得更高的流通能力和更小的转动惯量。

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种具有S型子午面出口边的向心透平叶轮，其特征在于：包括，

轮毂（100），以所述轮毂（100）为圆心并与轮毂（100）连接的轮盘（200），所述轮毂（100）与轮盘（200）之间均匀分布有若干个叶片（300）；

所述叶片（300）的边缘区分为依次首尾相连的进口边（301）、轮毂线（302）、出口边（303），以及轮盖线（304）；所述进口边（301）与所述轮毂（100）的轴线平行，所述轮毂线（302）与所述轮毂（100）连接；

所述轮毂线（302）区分为与所述进口边（301）连接的进口端（302a）以及与所述出口边（303）连接的出口端（302b），所述进口端（302a）切线方向与轮毂（100）径向平行布置，所述出口端（302b）切线方向与轮毂（100）轴线方向平行布置；

所述轮盖线（304）区分为与所述进口边（301）连接的轮盖进口端（304a）以及与所述出口边（303）连接的轮盖出口端（304b），所述轮盖进口端（304a）切线与所述轮毂（100）径向的夹角为45度，所述轮盖出口端（304b）切线方向与轮毂（100）轴线方向平行布置；

所述轮盖线（304）靠近轮盖进口端（304a）的曲率大于靠近轮盖出口端（304b）的曲率；

所述出口边（303）为S形，所述出口边（303）靠近所述轮盖线（304）的部分向外凸起，所述出口边（303）靠近轮毂线（302）的部分向内凹陷；

所述出口边（303）上包括与所述轮毂线（302）连接的第一限位点（303a）、与所述轮盖线（304）连接的第二限位点（303b），所述第一限位点（303a）与第二限位点（303b）之间包括第一控制点（A）、第二控制点（B）以及第三控制点（C），所述第一控制点（A）、第二控制点（B）以及第三控制点（C）所在位置的均方根半径点位于第一限位点（303a）、第二限位点（303b）之间形成的直线上；

所述出口边（303）子午面的均方根半径上的出口叶片角范围为50~60度，出口绝对气流角不大于90度；

所述进口边（301）的进口叶片角为0度。

2.根据权利要求1所述的具有S型子午面出口边的向心透平叶轮，其特征在于：所述轮毂（100）与轮盘（200）的直径比的范围为0.25~0.3，所述轮盖出口端（304b）与所述轮盘（200）的直径比的范围是0.8~0.95。

3.根据权利要求2所述的具有S型子午面出口边的向心透平叶轮，其特征在于：所述轮毂（100）靠近所述出口边（303）的一端为叶轮鼻头（101），所述叶轮鼻头（101）的长度与叶轮鼻头（101）的直径比为0.64。