CN115977995B - 叶轮尾缘结构及其设计方法、叶轮、压气机及增压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶轮尾缘结构及其设计方法、叶轮、压气机及增压器，叶轮尾缘结构向叶轮的叶片子午面的投影线为曲线，投影线包括：凸出于叶片子午面中的轮毂型线及叶顶型线的凸起曲线，凸起曲线的第一端与叶顶型线的尾端连接；凹陷于叶片子午面中的轮毂型线及叶顶型线的凹陷曲线，凹陷曲线的第一端与凸起曲线的第二端连接，凹陷曲线的第二端与轮毂型线的尾端连接。由于现有中的叶轮存在较靠近叶顶型线的气流速度快，较靠近轮毂型线的气流速度慢的问题，本发明通过降低较靠近叶顶型线的气流速度，提高较靠近轮毂型线的气流速度，从而提高了气流在叶轮的气体出口处速度分布的均匀性，抑制了叶轮在气体出口处气流分离，提高了叶轮的做功能力。

Description

叶轮尾缘结构及其设计方法、叶轮、压气机及增压器

技术领域

本发明涉及增压器技术领域，尤其是涉及一种叶轮尾缘结构及其设计方法、叶轮、压气机及增压器。

背景技术

随着国家法规的不断升级，涡轮增压器作为排放件被提出了更高要求，需要增压器的性能更高，以达到排放标准。其中，压气机作为增压器的核心部件，其内部流动极为复杂，结构设计也占据了流体机械设计领域中的主导地位以及较大的比重。

压气机内的气体通过叶轮的出口端直线排出，叶轮的叶片子午面中，轮毂型线的长度大于叶顶型线的长度，越靠近边界层附近，气流受到的黏性阻力越大，速度越低，因此，叶顶型线附近的气流速度大于轮毂型线附近的气流速度，使得叶轮出口端存在气流分布不均匀的问题。这种不均匀流速将会导致叶轮出口气流不稳定，影响叶片做功。

因此，如何抑制叶轮出口处气流分离，提高叶轮的做功能力是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的是提供一种叶轮尾缘结构，旨在抑制叶轮出口处气流分离，提高叶轮的做功能力。

本发明的第二个目的是提供一种叶轮。

本发明的第三个目的是提供一种压气机。

本发明的第四个目的是提供一种增压器。

本发明的第五个目的是提供一种叶轮尾缘结构的设计方法。

为了实现上述第一个目的，本发明提供了如下方案：

一种叶轮尾缘结构，向叶轮的叶片子午面的投影线为曲线，所述投影线包括：

凸出于所述叶片子午面中的轮毂型线及叶顶型线的凸起曲线，所述凸起曲线的第一端与所述叶顶型线的尾端连接；

凹陷于所述叶片子午面中的轮毂型线及叶顶型线的凹陷曲线，所述凹陷曲线的第一端与所述凸起曲线的第二端连接，所述凹陷曲线的第二端与所述轮毂型线的尾端连接。

在一个具体的实施方案中，所述凸起曲线与所述凹陷曲线关于两者的交点对称设置。

在另一个具体的实施方案中，所述凸起曲线及所述凹陷曲线在预设坐标系内呈正弦曲线分布；

其中，所述预设坐标系中，中骨线为X轴，所述中骨线为位于所述叶顶型线及所述轮毂型线的中间的线，所述叶顶型线的尾端与所述轮毂型线的尾端的连线为Y轴，所述凸起曲线与所述凹陷曲线的交点为原点。

在另一个具体的实施方案中，所述凸起曲线与所述叶顶型线的交点处的切线角大于0°，且小于或者等于60°；

所述凸起曲线的峰值大于或者等于0.5mm，且小于或者等于2mm。

根据本发明的各个实施方案可以根据需要任意组合，这些组合之后所得的实施方案也在本发明范围内，是本发明具体实施方式的一部分。

本发明通过设置叶轮尾缘结构向叶轮的叶片子午面的投影呈曲线，且靠近叶顶型线的那部分曲线为凸起曲线，也就是向叶轮的气体出口一端延伸，增加了靠近叶顶型线的这部分叶轮尾缘结构的长度，从而降低了此部分的气流速度。而靠近轮毂型线的那部分曲线为凹陷曲线，也就是向背离叶轮的气流出口的方向凹陷，缩短了较靠近轮毂型线的这部分叶轮尾缘结构的长度，从而提高了较靠近轮毂型线的气流速度。而由于现有中的叶轮存在较靠近叶顶型线的气流速度快，较靠近轮毂型线的气流速度慢的问题，本发明通过降低较靠近叶顶型线的气流速度，提高较靠近轮毂型线的气流速度，从而提高了气流在叶轮的气体出口处速度分布的均匀性，抑制了叶轮在气体出口处气流分离，提高了叶轮的做功能力。

为了实现上述第二个目的，本发明提供了如下方案：

一种叶轮，包括叶片及轮毂；

所述叶片设置在所述轮毂上，且所述叶片的尾缘结构如上述中任意一项所述的叶轮尾缘结构。

在一个具体的实施方案中，所述叶片包括第一叶片及第二叶片；

所述第一叶片及所述第二叶片均为扭曲的片状体，且交错均布在所述叶轮的轮毂曲面上；

所述第一叶片的头端及所述第二叶片的头端中，所述第一叶片的头端较靠近所述轮毂的轴心线，所述第二叶片的头端较远离所述轮毂的轴心线。

由于本发明提供的叶轮包含上述任意一项中的叶轮尾缘结构，因此，叶轮尾缘结构所具有的有益效果均是本发明提供的叶轮所包含的。

为了实现上述第三个目的，本发明提供了如下方案：

一种压气机，包括扩压器及如上述所述的叶轮；

所述叶轮的气体出口与所述扩压器的气体入口连通。

由于本发明提供的压气机包含上述任意一项中的叶轮，因此，叶轮所具有的有益效果均是本发明提供的压气机所包含的。

为了实现上述第四个目的，本发明提供了如下方案：

一种增压器，包括如上述所述的压气机或者如上述所述的叶轮。

由于本发明提供的增压器包含上述中的叶轮尾缘结构或者叶轮，因此，叶轮尾缘结构或者叶轮所具有的有益效果均是本发明提供的增压器所包含的。

为了实现上述第五个目的，本发明提供了如下方案：

一种叶轮尾缘结构的设计方法，包括：

获取叶轮尾缘结构向叶轮的叶片子午面的投影所获取的投影线；

根据叶轮的气体出口的气流分布调节所述投影线；

对所述叶轮进行建模，并进行模型网格划分；

输入约束条件；

输出仿真结果；

根据所述仿真结果调节所述投影线，直到满足提高所述叶轮的做功能力至预设值，获取如上述中任意一项所述的叶轮尾缘结构。

在一个具体的实施方案中，调节所述投影线具体为选取预设个点进行调节并平滑连接相邻点。

本发明提供的进气门型线设计方法，通过根据仿真调节叶轮尾缘结构向叶轮的叶片子午面的投影所获取的投影线，最终获取上述任一项中的叶轮尾缘结构，方便快捷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的叶轮尾缘结构在叶片子午面的投影线的示意图；

图2为本发明提供的中骨线在叶片子午面上的示意图；

图3为本发明提供的叶轮尾缘结构在叶片子午面的投影线在坐标系下的示意图；

图4为本发明提供的叶轮尾缘结构的设计方法流程图。

图1-图3中：

叶片子午面100、投影线200、轮毂型线101、叶顶型线102、凸起曲线201、凹陷曲线202、中骨线103。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图1-图4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶面”、“底面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

结合图1-图3所示，本发明一方面提供了一种叶轮尾缘结构，该叶轮尾缘结构向叶轮的叶片子午面100的投影线200为曲线。

具体地，叶片子午面100为过叶轮的轴心线的纵向剖面，轮毂型线101由叶轮的轮毂曲面向叶片子午面100投影而成，叶顶型线102由叶顶曲面向叶片子午面100投影而成。

叶轮尾缘结构向叶轮的叶片子午面100的投影线200包括凸起曲线201及凹陷曲线202，如图1所示，凸起曲线201凸出于叶片子午面100中的轮毂型线101的尾端及叶顶型线102的尾端，也就是说，叶轮尾缘结构对应凸起曲线201的这部分向叶轮的气体出口一端延伸，增加了靠近叶顶型线102的这部分叶轮尾缘结构的长度，从而降低了此部分的气流速度。

凸起曲线201的第一端与叶顶型线102的尾端连接，需要说明的是，叶顶型线102的尾端为叶顶型线102沿着气体在叶轮内的流动方向的尾端。

凹陷曲线202凹陷于叶片子午面100中的轮毂型线101及叶顶型线102，凹陷曲线202的第一端与凸起曲线201的第二端连接，凹陷曲线202的第二端与轮毂型线101的尾端连接。需要说明的是，轮毂型线101的尾端为轮毂型线101沿着气体在叶轮内的流动方向的尾端。叶轮尾缘结构对应凹陷曲线202的这部分向背离叶轮的气流出口的方向凹陷，缩短了较靠近轮毂型线101的这部分叶轮尾缘结构的长度，从而提高了较靠近轮毂型线101的气流速度。

本发明通过降低较靠近叶顶型线102的气流速度，提高较靠近轮毂型线101的气流速度，从而提高了气流在叶轮的气体出口处速度分布的均匀性，抑制了叶轮在气体出口处气流分离，提高了叶轮的做功能力。

在一些实施例中，凸起曲线201与凹陷曲线202关于两者的交点对称设置，以实现对气流速度调节的均匀性。

进一步地，凸起曲线201及凹陷曲线202在预设坐标系内呈正弦曲线分布，如图3所示。

其中，预设坐标系中，中骨线103为X轴，中骨线103为位于叶顶型线102及轮毂型线101的中间的线，如图2所示。叶顶型线102的尾端与轮毂型线101的尾端的连线为Y轴，凸起曲线201与凹陷曲线202的交点为原点。

即凸起曲线201及凹陷曲线202的连接处光滑过渡，避免了尖角或者不光滑过渡造成气流突变不均匀等现象发生。

具体地，本发明公开了凸起曲线201与叶顶型线102的交点处的切线角∂大于0°，且小于或者等于60°。

凸起曲线201的峰值L大于或者等于0.5mm，且小于或者等于2mm。即凸起曲线201的波峰值大于或者等于0.5mm，且小于或者等于2mm。

需要说明的是，本发明公开的凸起曲线201与叶顶型线102的交点处的切线角的范围值仅是本发明的一个具体实施方式，在实际应用中，也可以设置凸起曲线201与叶顶型线102的交点处的切线角为其它角度值。

还需要说明的是，凸起曲线201的峰值的范围值仅是本发明的一个具体实施方式，在实际应用中，也可以设置凸起曲线201的峰值为其它范围值。

本发明第二方面提供了一种叶轮，包括叶片及轮毂，叶片设置在轮毂上，且叶片的尾缘结构如上述中任意一项实施例中的叶轮尾缘结构。

进一步地，本发明公开了叶片包括第一叶片及第二叶片，其中，第一叶片及第二叶片均为扭曲的片状体，且交错均布在叶轮的轮毂曲面上。第一叶片的叶片尺寸大于第二叶片的叶片尺寸。

第一叶片的头端及第二叶片的头端中，第一叶片的头端较靠近轮毂的轴心线，第二叶片的头端较远离轮毂的轴心线。需要说明的是，第一叶片及第二叶片的头端是指第一叶片及第二叶片远离叶轮尾缘结构的一端。

本发明通过设置第一叶片的头端较靠近轮毂的轴心线，第二叶片的头端较远离轮毂的轴心线，使得第一叶片与第二叶片的头端之间形成尺寸较大的进气口，便于气流进入，增大了进气量。

由于本发明提供的叶轮包含上述任意一项实施例中的叶轮尾缘结构，因此，叶轮尾缘结构所具有的有益效果均是本发明提供的叶轮所包含的。

本发明第三方面提供了一种压气机，包括扩压器及如上述实施例中的叶轮，叶轮的气体出口与扩压器的气体入口连通。

由于本发明提供的压气机包含上述任意一项实施例中的叶轮，因此，叶轮所具有的有益效果均是本发明提供的压气机所包含的。

本发明第四方面提供了一种增压器，包括如上述实施例中的压气机或者如上述实施例中的叶轮。

由于本发明提供的增压器包含上述实施例中的叶轮尾缘结构或者叶轮，因此，叶轮尾缘结构或者叶轮所具有的有益效果均是本发明提供的增压器所包含的。

如图4所示，本发明第五方面提供了一种叶轮尾缘结构的设计方法，包括：

步骤S1：获取叶轮尾缘结构向叶轮的叶片子午面100的投影所获取的投影线200；

步骤S2：根据叶轮的气体出口的气流分布调节投影线200；

具体地，调节投影线200具体为选取预设个点进行调节并平滑连接相邻点。需要说明的是，预设个点具体根据需要进行设定。

步骤S3：对叶轮进行建模，并进行模型网格划分；

步骤S4：输入约束条件；

具体地，约束条件包括叶轮在不同工况点下转速、压力、温度等条件。

步骤S5：输出仿真结果；

步骤S6：判断叶轮的做功提升能力是否大于或者等于预设值，若是，则获取如上述中任意一项实施例中的叶轮尾缘结构，若否，则转步骤S2。

需要说明的是，预设值具体根据需要进行设定。

本发明提供的进气门型线设计方法，通过根据仿真调节叶轮尾缘结构向叶轮的叶片子午面100的投影所获取的投影线200，最终获取上述任一项中的叶轮尾缘结构，方便快捷。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创造特点相一致的最宽的范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种叶轮尾缘结构，其特征在于，所述叶轮尾缘结构向叶轮的叶片子午面（100）的投影线（200）为曲线，所述投影线（200）包括：

凸出于所述叶片子午面（100）中的轮毂型线（101）及叶顶型线（102）的凸起曲线（201），所述凸起曲线（201）的第一端与所述叶顶型线（102）的尾端连接，向所述叶轮的气体出口一端延伸，增加了靠近所述叶顶型线（102）的这部分叶轮尾缘结构的长度，从而降低了此部分的气流速度；

凹陷于所述叶片子午面（100）中的所述轮毂型线（101）及所述叶顶型线（102）的凹陷曲线（202），所述凹陷曲线（202）的第一端与所述凸起曲线（201）的第二端连接，所述凹陷曲线（202）的第二端与所述轮毂型线（101）的尾端连接，向背离所述叶轮的气流出口的方向凹陷，缩短了较靠近所述轮毂型线（101）的这部分叶轮尾缘结构的长度，从而提高了较靠近所述轮毂型线（101）的气流速度；

所述凸起曲线（201）与所述凹陷曲线（202）关于两者的交点对称设置；所述凸起曲线（201）及所述凹陷曲线（202）在预设坐标系内呈正弦曲线分布；其中，所述预设坐标系中，中骨线（103）为X轴，所述中骨线（103）为位于所述叶顶型线（102）及所述轮毂型线（101）的中间的线，所述叶顶型线（102）的尾端与所述轮毂型线（101）的尾端的连线为Y轴，所述凸起曲线（201）与所述凹陷曲线（202）的交点为原点；所述凸起曲线（201）与所述叶顶型线（102）的交点处的切线角大于0°，且小于或者等于60°；所述凸起曲线（201）的峰值大于或者等于0.5mm，且小于或者等于2mm。

2.一种叶轮，其特征在于，包括叶片及轮毂；

所述叶片设置在所述轮毂上，且所述叶片的尾缘结构如权利要求1所述的叶轮尾缘结构。

3.根据权利要求2所述的叶轮，其特征在于，所述叶片包括第一叶片及第二叶片；

所述第一叶片及所述第二叶片均为扭曲的片状体，且交错均布在所述叶轮的轮毂曲面上；

所述第一叶片的头端及所述第二叶片的头端中，所述第一叶片的头端较靠近所述轮毂的轴心线，所述第二叶片的头端较远离所述轮毂的轴心线。

4.一种压气机，其特征在于，包括扩压器及如权利要求2或3所述的叶轮；

所述叶轮的气体出口与所述扩压器的气体入口连通。

5.一种增压器，其特征在于，包括如权利要求4所述的压气机。

6.一种增压器，其特征在于，包括如权利要求2或3所述的叶轮。

7.一种获取如权利要求1所述的叶轮尾缘结构的设计方法，其特征在于，包括：

获取叶轮尾缘结构向叶轮的叶片子午面（100）的投影所获取的投影线（200）；

根据叶轮的气体出口的气流分布调节所述投影线（200）；

对所述叶轮进行建模，并进行模型网格划分；

输入约束条件；

输出仿真结果；

根据所述仿真结果调节所述投影线（200），直到满足提高所述叶轮的做功能力至预设值。

8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，调节所述投影线（200）具体为选取预设个点进行调节并平滑连接相邻点。