CN200955436Y - H110混流涡轮 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种H110混流涡轮，属于变容式机械技术领域。其技术方案是：轮盘为半开式轮盘，叶片数为11片，叶型曲线采用双方程模式，沿轮毂和外基圆柱的叶片厚度按一定规律分布，叶片上任意点的叶片厚度由方程确定，进口叶片根据方程修尖。本实用新型的有益效果：油耗下降，排气温度下降了60℃左右，创造了良好的经济效益和社会效益。

Description

H110混流涡轮

技术领域：本实用新型属于变容式机械技术领域，具体涉及一种H110混流涡轮。

背景技术：涡轮增压器是提高内燃机功率、降低燃油耗率、改善排放的重要部件。涡轮是涡轮增压器中一个在高温下高速旋转的关键零件，其作用是将内燃机的废气能量转换为带动压气机同轴高速旋转的机械功。涡轮的型式有三种，即轴流式、径流式、混流式。轴流式多用于大型涡轮增压器和燃气轮机，径流式多用于小型涡轮增压器。由于涡轮效率的高低直接影响内燃机涡轮增压的效果，所以，介于轴、径流式之间的混流式涡轮因具有较高的涡轮效率而受到人们的青睐。目前，在国内小型增压器市场上，几乎全部采用径流式涡轮，其效率较低，影响增压器和整机的匹配性能。

发明内容：本实用新型为提高内燃机涡轮增压的有效性而研制出一种高效率的H110混流涡轮。

本实用新型的技术方案是：一种H110混流涡轮，轮盘为半开式轮盘，叶片数为11片，叶型曲线采用双方程模式，即

Z＝0～12.95

Z＝12.95～46.6

式中：θ--圆周角    [弧度]

b₁、c₁、b₂、c₂---方程待定系数，由叶片最大轴向长度Zm、涡轮出口平均直径D_2p上的叶片安装角β_2p和叶片包络角θ_b来确定，对于混流涡轮，一般Zm/D_1P＝0.4～0.5，β_2p＝30～40°，

D_1P为涡轮进口平均直径，D_2P＝[(D²+Do²)/2]^0.5

p₁、q₁、p₂、q₂--方程指数，其值影响叶型曲线的曲率变化规律，一般为1.8～3.0

Z  Z向座标，[mm]

沿轮毂和外基圆柱的叶片厚度分布规律：

Tg＝3.3+0.206523*Z+0.0179925*Z²-0.0014299*Z³+0.000344576*Z⁴-0.00000291643*Z⁵        [mm]

Tw＝0.2+0.061905*Z-0.00080121*Z²+0.0000868378*Z³-0.000001371171*Z⁴                      [mm]

式中：Tg--沿轮毂的叶片厚度，[mm]

      Tw--外基圆柱上的叶片厚度，[mm]

      Z  Z向座标。[mm]

叶片上任意点的叶片厚度：

$T=\mathrm{Tg}-(\mathrm{Tg}-\mathrm{Tw}){\·\left(\frac{R-\mathrm{Rg}}{\mathrm{Rw}-\mathrm{Rg}}\right)}^{{\left(\frac{\mathrm{Rg}}{1.5R}\right)}^m}$

式中：T-叶片上任意点的叶片厚度，[mm]

      Tg，Tw-按3中方程求得的Tg，Tw值，[mm]

      Rg-对应Z的轮毂半径，[mm]

      Rw-外基圆柱的半径，[mm]

      R-从Rg到Rw的任意半径，[mm]

      m-厚度控制指数，沿轴向为一变量，

      m＝0.8-0.00188*Z-0.000315*Z²+0.00001753*Z³-0.00000190584*Z⁴

进口叶片修尖，在进口段R≥Rx的修正区，叶片按下式修尖

T＝Tx[0.5+0.003333(R-Rx)-0.14(R-Rx)²+0.08666647(R-Rx)³-0.04(R-Rx)⁴]         [mm]

式中：T---修正区的叶片厚度，[mm]

      Tx--按4中方程计算得出的对应Z、Rx点的叶片厚度，[mm]

      Rx---修正区的起始半径，[mm]

      R---修正区任意点的半径，[mm]

      沿b_T1的进口叶片安装角的分布规律

       β₁＝β₁/β_1max   b＝b/b_T1

其中： β₁---进口相对叶片安装角，

      β₁---进口叶片安装角，[°]，定义参见图4

      β_1max---最大进口叶片安装角，一般为20～25°

       b---相对进口叶片宽度，

      b---任意一点的进口叶片宽度，[mm]

      b_T1---最大进口叶片宽度，[mm]

轮毂形状参数为：R₂＝45mm，α₂＝30°，α₃＝5°，D₁＝φ97.1mm，D₀＝φ35mm，Zm＝46.6mm，R₂--涡轮轮毂底弧半径，α₂--涡轮进口轮毂倾斜角度，α₃--涡轮出口轮毂倾斜角度，D₁--涡轮进口轮毂半径，D₀--涡轮出口轮毂半径，Zm--涡轮叶片轴向高度。

本实用新型的有益效果：在国内几家柴油机厂的配机试验表明，发动机配装采用H110混流涡轮的增压器后，与进口的同档增压器相比，燃油耗率下降5～6g/kwh，排气温度下降了60℃左右，替代了进口，创造了良好的经济效益和社会效益。

附图说明：本发明共有8幅附图，其中图1为本实用新型的最佳实例，也可做说明书摘要的附图。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为“骨架叶片成形法”示意图；

图3为叶型曲线示意图；

图4为叶片厚度与进口叶片安装角示意图；

图5为H50涡轮进口叶片安装角的分布规律示意图；

图6为进口叶片修尖示意图；

图7为H50混流涡轮子午通道示意图；

图8为涡轮叶片设计与计算流程图。

具体实施方式：下面结合附图对本实用新型的最佳实施例作进一步的描述。

本发明的最佳实例如图1所示，一种H110混流涡轮，轮盘为半开式轮盘，叶片数为11片。

叶片成形方法如图2所示：涡轮的一块叶片是由凸面和凹面构成的，凸凹面的成形采用“骨架叶片成形法”-即设定一基圆柱，并在该圆柱上建立θ^*＝f(Z)(或S^*＝f(Z))的叶型曲线，沿Z轴给定一系列的点，逐一通过Z轴上这一系列的点并穿过叶型曲线引出平行X-Y平面的一系列径向射线，这些射线便形成一个没有厚度的叶片中弧面，按照一定规律在每一射线两侧(平行X-Y平面)对称附上叶片的厚度即形成了叶片的凸凹面。通常我们把叶型曲线视为“脊柱”把一系列的径向射线视为“肋骨”，在附叶片厚度之前先搭起一个所谓的“骨架”，我们把这种方法称之为“骨架叶片成形法”。

*θ为圆周角，S为弧长

为了提高涡轮的效率，要从减小气体入射损失、拐弯损失、余速损失入手。而合理的叶型曲线、在保证叶片强度的前提下科学的叶片厚度分布规律以及按气体流场分布来确定的轮毂和罩毂线是该涡轮设计的关键。

叶型曲线如图3所示，为便於调整叶型曲线，采用双方程模式，图3中的Z_m1为二方程的分界点，即：

Z＝0～12.95

Z＝12.95～46.6

式中：θ--圆周角，[弧度]

      Z  Z向座标值，[mm]

b₁、c₁、b₂、c₂--方程待定系数，由叶片最大轴向长度Zm，涡轮出口平均直径D_2p上的叶片安装角β_2p和叶片包络角θ_b来确定。对于混流式涡轮，一般Zm/D_1p＝0.4～0.5(D_1p为涡轮进口的平均直径)，

D_2p＝[(D₂ ²+D₀ ²)/2]^0.5，β_2p＝30～40°，

p₁、q₁、p₂、q₂--方程指数，其值影响叶型曲线的曲率变化规律，一般为1.8～3.0。

沿涡轮进口宽度b_T1的叶片安装角β₁如图4、图5所示，为减小涡轮进口处在叶片凸面的涡流损失，当沿气流方向斜切叶片时，应使叶片形状和气流相对速度相吻合，即形成一个所谓的“斜切前弯涡轮”，它是靠叶型曲线和叶片厚度分布规律的调整来实现的。图5示出了H110的β₁的分布规律。

图中： b-相对进口叶片宽度， b＝b/b_T1

      b-任意点的进口叶片宽度，[mm]

      b_T1-最大进口叶片宽度，[mm]

       β₁-相对进口叶片安装角

       β₁＝β₁/β_1max

      β₁-进口叶片安装角[度]

      β_1max-最大进口叶片安装角，一般为20～25°

沿轮毂和外基圆柱的叶片厚度如图4所示，其厚度和涡轮的大小、叶片数、叶片强度、流场分布有关，为实现叶片厚度分布规律的可塑性，一般以高次方程来表示。本涡轮的叶片厚度方程为：

T_g＝3.3+0.206523*Z+0.0179925*Z²-0.0014299*Z³+0.000344576*Z⁴-0.00000291643*Z⁵         [mm]......ZL·3

T_w＝0.2+0.061905*Z-0.00080121*Z²+0.0000863878*Z³-0.000001371171*Z⁴        [mm]......ZL·4

式中：Z--Z向座标，[mm]

      T_g--任意Z值、轮毂上的叶片厚度，[mm]

      T_w--任意Z值，半径为R_W的外基圆柱上的叶片厚度，[mm]

叶片上任意点的厚度如图4所示，ZL.3和ZL.4式只是提供了任意等Z截面上两个端点的叶片厚度分布规律，而对于某一等Z截面，从Rg到Rw的叶片厚度分布规律则由叶片应力分布规律和遵循尽量减小涡轮转动惯量的原则来确定，本涡轮的厚度表达式为：

$T=\mathrm{Tg}-(\mathrm{Tg}-\mathrm{Tw})\·{\left(\frac{R-\mathrm{Rg}}{\mathrm{Rw}-\mathrm{Rg}}\right)}^{{\left(\frac{\mathrm{Rg}}{1.5R}\right)}^m}\left[\mathrm{mm}\right]\·\·\·\·\·\·\mathrm{ZL}\·5$

式中：T--任意Z、R处的叶片厚度，[mm]；

      Tg，Tw--给定Z值，按ZL.3和ZL.4式计算出的叶片厚度，[mm]

      Rg，Rw--任意Z值处的轮毂半径和外基圆柱半径，[mm]

      R--求值点的半径，[mm]

m--厚度控制指数，其沿Z向的变化用高次方程表达，本涡轮的m方程式为：

m＝0.8-0.00188*Z-0.000315*Z²+0.00001753*Z³-0.0000019058*Z⁴

                                               ......ZL·6

进口处叶片修尖如图6所示，为减小涡轮进口处的气体撞击损失，要对进口叶片进行修尖，在进口段确定一修正区，对应每一Z值均有一Rx(修正起始点到回转中心的半径)，令R＝Rx代入ZL.5式求出此点的叶片厚度T，再令Tx＝T，利用下式求出修正段R＞Rx处的叶片厚度T，

T＝Tx*[0.5+0.003333(R-Rx)-0.14(R-Rx)²+0.08666647(R-Rx)³-0.04(R-Rx)⁴]    [mm]......ZL·7

H110混流涡轮叶片数为11片，采用半开式轮盘。

涡轮子午通道结构如图7所示，其参数为：R₁＝21mm，R₂＝45mm，α₁＝30°，α₂＝30°，α₃＝5°，α₄＝8°，D₁＝φ97.1mm，D₂＝φ99.1mm，D_o＝φ35mm，D_b＝φ88mm，b_T1＝18mm，Zm＝46.6mm。

如图8所示，设计计算步骤为：

1.根据选定的叶片包络角θ_b、出口叶片安装角β_2p、叶片轴向长度Zm以及叶型方程指数p₁、q₁、p₂、q₂确定叶型方程ZL.1和ZL.2的待定系数b₁、c₁、b₂、c₂。并根据流场分析确定涡轮的轮毂线及罩毂线；

2.赋Z值，步长Sz，取值范围：0～Zm，Z＝Z+Sz；

3.判断是否Z≥Zm？

是，则结束，用Proe建模，涡轮模具设计与制造；

否，进行第4步骤；

4.用方程ZL.1和ZL.2求θ；用方程ZL.3和ZL.4求Tg.Tw；用方程ZL.6求m；

5.赋R值，步长S_R取值范围：Rg～Rw，R＝R+S_R；

6.判断是否R≥Rw？

是，返回步骤2；

否，进行第7步骤；

7.判断是否R≥Rx？

是，令R＝Rx并代入ZL.5式求Tx，用ZL.7式求T，进行第8步骤；

否，用ZL.5式求T，进行第8步骤；

8.分别求出凸、凹面上的点X_T，Y_T与X_W，Y_W并输入各自的数据文件。

9.符合第5步骤，求解下一点。

Claims (1)

1、一种H110混流涡轮，其特征在于：轮盘为半开式轮盘，叶片数为11片，叶片的叶型曲线采用双方程模式，方程为：

叶型曲线采用双方程模式，即

Z＝0～12.95

$\mathrm{\θ}=C_1\{1-{[1-{\left(\frac{12.95-Z}{b_1}\right)}^{p_1}]}^{\frac{1}{q_1}}\}$ [弧度]

Z＝12.95～46.6

$\mathrm{\θ}=C_2\{1-{[1-{\left(\frac{Z-12.95}{b_2}\right)}^{p_2}]}^{\frac{1}{q_2}}\}$ [弧度]

式中：θ--圆周角[弧度]

b₁、c₁、b₂、c₂---方程待定系数，由叶片最大轴向长度Zm、涡轮出口平均直径D_2p上的叶片安装角β_2p和叶片包络角θ_b来确定，对于混流涡轮，一般Zm/D_1P＝0.4～0.5，β_2p＝30～40°， D_1P为涡轮进口平均直径，D_2P＝[(D²+Do²)/2]^0.5

p₁、q₁、p₂、q₂----方程指数，其值影响叶型曲线的曲率变化规律，一般为1.8～3.0

Z--Z向座标，[mm]

沿轮毂和外基圆柱的叶片厚度分布规律

Tg＝3.3+0.206523*Z+0.0179925*Z²-0.0014299*Z³

    +0.000344576*Z⁴-0.00000291643*Z⁵         [mm]

Tw＝0.2+0.061905*Z-0.00080121*Z²+0.0000868378*Z³

    -0.000001371171*Z⁴                        [mm]

式中：Tg--沿轮毂的叶片厚度，[mm]

      Tw--外基圆柱上的叶片厚度，[mm]

Z--Z向座标，[mm]

叶片上任意点的叶片厚度

$T=\mathrm{Tg}-(\mathrm{Tg}-\mathrm{Tw})\·{\left(\frac{R-\mathrm{Rg}}{\mathrm{Rw}-\mathrm{Rg}}\right)}^{{\left(\frac{\mathrm{Rg}}{1.5R}\right)}^m}$

式中：T-叶片上任意点的叶片厚度，[mm]

      Tg，Tw-按3中方程求得的Tg，Tw值，[mm]

      Rg-对应Z的轮毂半径，[mm]

      Rw-外基圆柱的半径，[mm]

      R-从Rg到Rw的任意半径，[mm]

      m-厚度控制指数，沿轴向为一变量，

m＝0.8-0.00188*Z-0.000315*Z²+0.00001753*Z³-0.00000190584*Z⁴

进口叶片修尖，在进口段R≥Rx的修正区，叶片按下式修尖

T＝Tx[0.5+0.003333(R-Rx)-0.14(R-Rx)²

   +0.08666647(R-Rx)³-0.04(R-Rx)⁴]  [mm]

式中：T---修正区的叶片厚度，[mm]

      Tx--按4中方程计算得出的对应Z、Rx点的叶片厚度，

    [mm]

      Rx---修正区的起始半径，[mm]

      R---修正区任意点的半径，[mm]

沿b_T1的进口叶片安装角的分布规律

       β₁＝β₁/β_1max   b＝b/b_T1

其中： β₁---进口相对叶片安装角，

       β₁---进口叶片安装角，[°]，定义参见图4

       β_1max---最大进口叶片安装角，一般为20～25°

       b---相对进口叶片宽度，

       b---任意一点的进口叶片宽度，[mm]

       b_T1---最大进口叶片宽度，[mm]

轮毂形状参数为：R₂＝45mm，α₂＝30°，α₃＝5°，D₁＝φ97.1mm，D₀＝φ35mm，Zm＝46.6mm，R₂--涡轮轮毂底弧半径，α₂--涡轮进口轮毂倾斜角度，α₃--涡轮出口轮毂倾斜角度，D₁--涡轮进口轮毂半径，D₀--涡轮出口轮毂半径，Zm--涡轮叶片轴向高度。

Images