专利名称：一种高效混流涡轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种混流涡轮，属于变容式机械技术领域,
背景技术：
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。常见的涡轮有轴流式、 径流式、混流式三种型式，就工作方式而言，混流式是一种介於轴流式和径流 式之间的混合模式，优点是效率较高，使内燃机的涡轮增压更加有效，但不足 是设计难度大，使人望而却步。
发明内容
本发明目的是为克服上述已有技术的不足，提供一种可提高内燃机涡轮增 压有效性的高效混流涡轮。
为提高涡轮的效率，需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适当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涡轮设计的关键。
本发明包括涡轮叶片、轮毂和轮盘；轮盘为半开式轮盘；轮毂形状参数为
涡轮轮毂底弧半径R^59mm,涡轮进口轮毂倾斜角度ot 2 = 30° ,涡轮出口轮毂
倾斜角度003 = 5° ，涡轮出口轮毂直径D。-^40. 6mm,涡轮进口轮毂直径Db-
0122mm，涡轮叶片轴向高度Zm = 68咖。涡轮叶片数为十二片，叶片的叶型曲线
采用双方程模式，即
沿涡轮轴线方向座标Z = 0 ~ 15. 3 [mm],
<formula>formula see original document page 4</formula>式中0的单位为弧度；Cl、 b2、 C2为方程待定系数，由叶片最大轴向高度 Zm、涡轮出口平均直径、上的叶片安装角^P和叶片包路角^来确定，对于混流涡轮， 一般的，Zm/D1P=0.4~0. 5， p2p=30~40。；
360° 。
=-+ 2 5
叶片数
Dw为涡轮进口平均直径，D2P= [ (D2+D。2) /2]°5; Pl、 p2、 q2为方程指数，其 值影响叶型曲线的曲率变化规律， 一般为1.8~3.0。 叶片厚度沿轮毂和外基圆柱的分布规律为 Tg = 5+0. 491072*Z-0. 02017862*Z2+0. 00044202629*Z3 -0. 000005076025975*Z4+0. 0000000214671533*Z5 [mm] (3) Z = 0~ 24. 59 [mm],
Tw= 1. 8-0. 0162668*Z (4) Z = 24. 59 ~ 70 [mm], Tw= 1. 4+0. 069354* ( Z-24. 59 ) -0. 0018687365* ( Z-24. 59 ) 2 +0. 00001189781* (Z-24. 59 ) 3 ( 5 )
式中Tg为沿轮毂的叶片厚度[mm]，
Tw为外基圆柱上的叶片厚度[mm],
Z为沿涡轮轴线方向座标[mm], 叶片上任意点的叶片厚度
7v).(^^)W (6)
式中T为叶片上任意点的叶片厚度[mm]，
Tg,Tw为按(3)、 (4) 、 (5)中方程求得的Tg,Tw值[mm]，
Rg为对应Z的轮毂半径[mm],
Rw为外基圆柱的半径[mm]，
R为从Rg到Rw的任意半径'[mm],
m为厚度控制指数，沿轴向为一变量
m= 0. 6+0. 0021429*Z; (7) 涡轮叶片在进口段R》Rx的修正区，按下式修尖 T = Tx
( 8 )
式中T为修正区的叶片厚度[mm],Tx为按(6)中方程计算得出的对应Z、 Rx点的叶片厚度[mm], Rx为修正区的起始半径[mm], R为修正区任意点的半径[mm]， 沿bT1的进口叶片安装角的分布规律
^ = |3 !/ P lmax ; 5 = b/bT1
其中A为进口相对叶片安装角，
h为进口叶片安装角，[° ]， P^为最大进口叶片安装角， 一般为20~25° , 石为相对进口叶片宽度， B为任意一点的进口叶片宽度[mm], bn为最大进口叶片宽度[mm]。 涡轮叶片由凸面和凹面构成；设定一基圆柱，在该圆柱上建立圆周角6* =f(Z)(或弧长S承=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。
本发明适用于船用以及陆用柴油机涡轮增压器。经国内多家柴油机厂配机 试验表明，发动机配装釆用本发明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3 6g/kwh，排气温度下降了3(TC左右，明显提高了内燃 机涡轮增压有效性，可完全替代进口。
图l为本发明混流涡轮外形结构示意图； 图2为本发明混流涡轮子午通道示意图3为沿着图2中涡轮出口平均直径D2P所在圆柱面剖切的叶型曲线示意图； 图4为沿着图2中围绕叶片进口 A - A的剖视图； 图5为涡轮的一个叶片包络角&示意图 图6为沿着图2中一轴向截面剖切后的叶片厚度示意图； 图7为进口叶片安装角h分布规律示意图中1、涡轮叶片，2、轮毂，3、轮盘，4、叶片凸面，5、叶片凹面。
具体实施方式
如图l所示，轮盘3为半开式轮盘，涡轮叶片l共有十二片。涡轮叶片l由叶
片凸面4和叶片凹面5构成(图6)。叶型曲线釆用双方程模式。
沿涡轮进口宽度bn的叶片安装角^分布规律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7示出了 ^的分布规律。
沿轮毂和外基圆柱的叶片厚度如图6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。
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)。
涡轮子午通道结构如图2所示，其参数为涡轮叶片外圆弧半径R,25mm， 涡轮轮毂底弧半径R^59mm，涡轮进口叶片倾斜角度oc, = 30° ,涡轮进口轮毂 倾斜角度oc^30。，涡轮出口轮毂倾斜角度a^5。，涡轮出口叶片倾斜角度 a4 = 15° ,涡轮进口叶片直径D,^131.2mm,涡轮出口叶片直径02 = 0135mm， 涡轮出口轮毂直径0。= 040. 6mm,涡轮进口轮毂直径Db == 0122mm,涡轮进口叶 片宽度bT, 25.75mm,叶片轴向高度Zm = 68mm。根据选定的叶片包络角&、出 口叶片安装角P 2P、 Zm以及叶型方程指数p,、 qi、 p2、 q扇定叶型方程(1)和(2 ) 的待定系数bi、 Cl、 b2、 c2。并根据流场分析确定涡轮的轮毂线及罩毂线。
权利要求
1、一种高效混流涡轮，其特征是包括涡轮叶片、轮毂和轮盘；轮盘为半开式轮盘；涡轮叶片数为十二片，叶片的叶型曲线采用双方程模式，即沿涡轮轴线方向座标Z＝0～15.3[mm]，<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>θ</mi><mo>=</mo><msub> <mi>C</mi> <mn>1</mn></msub><mo>*</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mrow><mn>15.3</mn><mo>-</mo><mi>Z</mi> </mrow> <mn>15.3</mn></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>Z</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>p</mi> <mn>1</mn></msub> </msup></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>Z＝15.3～70[mm]，<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>θ</mi><mo>=</mo><msub> <mi>C</mi> <mn>2</mn></msub><mo>{</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msup> <mrow><mo>[</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mrow><mi>Z</mi><mo>-</mo><mn>15.3</mn> </mrow> <msub><mi>b</mi><mn>2</mn> </msub></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <msub><mi>p</mi><mn>2</mn> </msub></msup><mo>]</mo> </mrow> <mfrac><mn>1</mn><msub> <mi>q</mi> <mn>2</mn></msub> </mfrac></msup><mo>}</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>式中θ为圆周角[弧度]；c1、b2、c2为方程待定系数，由叶片最大轴向高度Zm、涡轮出口平均直径D2p上的叶片安装角β2p和叶片包路角θb来确定，对于混流涡轮，一般的，Zm/D1P＝0.4～0.5，β2p＝30～40°；D1P为涡轮进口平均直径，D2P＝[(D2+Do2)/2]0.5；p1、p2、q2为方程指数，其值影响叶型曲线的曲率变化规律，一般为1.8～3.0。
2、如权利要求l所述的高效混流涡轮，其特征是叶片厚度沿轮毂和外基圆柱的分布规律为Tg = 5+0. 491072*Z-0. 02017862*Z2+0. 00044202629*Z3-0. 000005076025975*Z4+0. 0000000214671533*Z5 [mm] ( 3 )Z = 0~ 24. 59 [mm〗，Tw= 1. 8-0. 0162668*Z (4)Z = 24. 59 ~ 70 [mm],Tw- 1.4+0. 069354* (Z-24. 59 ) —0.0018687365* ( Z-24. 59 ) 2+0.00001189781* (Z-24. 59 ) 3 ( 5 )式中Tg为沿轮毂的叶片厚度[,]，Tw为外基圆柱上的叶片厚度[mm]，Z为沿涡轮轴线方向座标[mm]，叶片上任意点的叶片厚度:<formula>formula see original document page 3</formula>(6)式中T为叶片上任意点的叶片厚度[mm],Tg，Tw为按(3)、 (4) 、 (5)中方程求得的Tg，Tw值[mm]，Rg为对应Z的轮毂半径[mm]，Rw为外基圆柱的半径[mm]，R为从Rg到Rw的任意半径[mm]，m为厚度控制指数，沿轴向为一变量m= 0. 6+0. 0021429*Z。
3、 如权利要求l或2所述的高效混流涡轮，其特征是涡轮叶片在进口段R》Rx的修正区，按下式修尖<formula>formula see original document page 3</formula> ( 8 )式中T为修正区的叶片厚度[mm]，Tx为按(6)中方程计算得出的对应Z、 Rx点的叶片厚度[mm],Rx为修正区的起始半径[mm]，R为修正区任意点的半径[mm]，沿bn的进口叶片安装角的分布规律<formula>formula see original document page 3</formula>其中^为进口相对叶片安装角，h为进口叶片安装角，[° ],P—为最大进口叶片安装角， 一般为20~25° ,5为相对进口叶片宽度，B为任意一点的进口叶片宽度[mm],bn为最大进口叶片宽度[mm]。
4、 如权利要求1或2所述的高效混流涡轮，其特征是轮毂形状参数为涡轮轮毂底弧半径R2 = 59mm，涡轮进口轮毂倾斜角度cc 2 = 30° ,涡轮出口轮毂倾斜角度oc5。，涡轮出口轮毂直径D。=^40. 6mm,涡轮进口轮毂直径Db=0122mm，涡轮叶片轴向高度Zm = 68mm。
全文摘要
一种高效混流涡轮，适用于船用以及陆用柴油机涡轮增压器；目的是提高内燃机涡轮增压有效性；本发明包括涡轮叶片、轮毂和轮盘；轮盘为半开式轮盘；涡轮叶片的叶型曲线采用双方程模式；沿涡轮轴线方向座标如右式，式中c<sub>1</sub>、b<sub>2</sub>、c<sub>2</sub>为方程待定系数，由叶片最大轴向高度Zm、涡轮出口平均直径D<sub>2p</sub>上的叶片安装角β<sub>2p</sub>和叶片包路角θ<sub>b</sub>来确定，对于混流涡轮，一般的，Zm/D<sub>1P</sub>＝0.4～0.5，β<sub>2p</sub>＝30～40°；θ<sub>b</sub>＝360°/叶片数+2～5°；D<sub>1P</sub>为涡轮进口平均直径，D<sub>2P</sub>＝[(D<sup>2</sup>+D<sub>o</sub><sup>2</sup>)/2]<sup>0.5</sup>；p<sub>1</sub>、p<sub>2</sub>、q<sub>2</sub>为方程指数，其值影响叶型曲线的曲率变化规律，一般为1.8～3.0。
文档编号F01D5/14GK101603436SQ200910074949
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月18日 优先权日2009年7月18日
发明者冯云虎, 张晋东, 朱爱国, 鑫 王, 董复兴, 韩国强 申请人:大同北方天力增压技术有限公司