一种流线隧道式压气机轮的制作方法

本发明涉及压气机轮设计与成形方法，特别涉及流线隧道式压气机轮。

背景技术：

压气机是应用于燃气轮机、涡轮增压器等机械中负责为进气加压的部件，它的性能决定了进气密度大小，影响着燃油经济性与有害气体排放。压气机的优化方向主要为轻量化、小型化、强度高、易加工、低成本、高效率、寿命长，但主要受到以下几方面限制；在叶片强度方面，为提高气动性能、提高转速以及轻量化需求，传统的开式压气机叶轮叶片越薄越好，目前车用涡轮增压器压气机叶片厚度最薄处仅0.5～0.7mm，但材料的强度限制了转速的进一步提高，采用高强度钛铝合金等不但增加重量，又大幅度了增加了成本；在结构上，目前主流的开式压气机叶轮存在叶尖间隙泄漏损失，影响着压气机效率及寿命；在制造工艺上，叶轮超速预过载处理和叶轮动平衡精度控制是压气机叶轮加工的两大难点；其中，叶轮超速预过载处理时须保证叶轮内孔发生的塑性变形不大，超速工装与内孔定位不会失效；为保证叶轮动平衡精度则需叶轮的全部加工工艺基准统一，而传统车、铣叶轮的工艺在不同工序上会使用不同的基准面，导致精度欠佳；

采用新型流线隧道式压气机轮是解决上述问题的一种有效途径，作为一种闭式旋转机械，其强度更高，泄漏损失更小，且具有流线设计优化空间大、适应更高转速等优点，从而可以进一步提高压气机效率、提高功率密度、减小尺寸，更高的结构强度还有利于拓宽材料选用范围，例如选用高强度工程塑料，从而降低重量与成本；随着科学技术的进步，增材制造技术已经成熟，应用三维打印、注射成形等先进制造技术，可以大批量生产这种新型压气机轮；

目前，对流线隧道式压气机轮的研究较少、且不深入，尤其缺少对其设计及成形方法的研究。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供以下的技术方案：

本发明提供了一种流线隧道式压气机轮，包括压气机轮，所述压气机轮为一种闭式压气机轮，通常由多达几十个流道组成，各流道中心线为三维曲线。

优选的，所述三维曲线的方程可根据“流线隧道式旋转流体机械流道设计与成形方法”提供的方法构造，即构造为柱面埃尔米特曲线向中心线所在环曲面做柱面投影所得的投影曲线，其方程即为柱面埃尔米特曲线与中心线所在环曲面的组合。

优选的，所述流道的各处法向截面为圆或椭圆，为椭圆时，其长轴向xy平面的投影与该点半径线垂直，截面椭圆长短轴之比保持不变；根据旋转机械流通特性和速度条件得出流道进出口面积，截面面积沿流道中心线均匀变化，由此构成完整流道。

优选的，所述流道可分为多组，各组之间流道进出口可分布在不同的半径上，多个流道周向均布且关于转子轴线中心对称。

优选的，所述压气机轮材料包括但不限于铝合金、钛合金等轻量化金属，塑料及其它复合材料等，制造工艺采用3d打印、注射成型制造技术。

优选的，所述压气机轮外表面可设置篦齿结构，与设计的机匣形成阶梯式密封结构。

优选的，所述柱面埃尔米特曲线为平面埃尔米特曲线弯曲为柱面所得，该柱面半径为流道进口所在半径，轴为压气机轮的轴线(z轴)。

优选的，所述中心线所在环曲面为流道中心子午线绕压气机轴线旋转一周所得曲面。

本发明有益效果

本发明压气机轮在结构上采用流线隧道式，流道内的气体以高雷诺数流动，因此水力阻力较低，有利于提高增压器效率，并且相比于叶片式结构，其工作轮强度更大，遇到研磨颗粒、焊粒、砂砾等不易损坏；应用三次埃尔米特曲线的流道中心线成形方法可准确控制流道构造角，且曲线的曲率平缓过渡，可保证流道内较小的流动损失；阶梯式迷宫密封结构充分利用了流线孔道式压气机轮外侧圆锥面，且具有很好的密封效果，大大降低了间隙泄漏损失。

附图说明

图1为单组流道的流线隧道式离心压气机轮子午面示意图。

图2为完整流道及流道法向截面示意图。

图3为某三组流道离心压气机轮示意图。

图中：1、流道中心子午线；2、篦齿结构；3、实际流道中心线；4、流道法向截面；5、完整流道。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的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。

实施例

如图1-图3所示，本发明提供了一种流线隧道式压气机轮，包括压气机轮，所述压气机轮为一种闭式压气机轮，通常由多达几十个流道组成，各流道中心线为三维曲线，所述三维曲线的方程可根据“流线隧道式旋转流体机械流道设计与成形方法”提供的方法构造，即构造为柱面埃尔米特曲线向中心线所在环曲面做柱面投影所得的投影曲线，其方程即为柱面埃尔米特曲线与中心线所在环曲面的组合，所述柱面埃尔米特曲线为平面埃尔米特曲线弯曲为柱面所得，该柱面半径为流道进口所在半径，轴为压气机轮的轴线(z轴)；所述中心线所在环曲面为流道中心子午线1绕压气机轴线旋转一周所得曲面；

流道可分为多组，各组之间流道进出口可分布在不同的半径上，多个流道周向均布且关于转子轴线中心对称；压气机轮材料包括但不限于铝合金、钛合金等轻量化金属，塑料及其它复合材料等；制造工艺采用3d打印、注射成型等先进制造技术；所述压气机轮外表面可设置篦齿结构2，与设计的机匣形成阶梯式密封结构；

由一维设计所得约束参数示于图1，流道进口所在半径为r1，流道出口所在半径为r2，并假设流道包络角γ，中心线进出口间轴向(z轴方向)距离h。若进口构造角与进口相对气流角相等，为β1，则流道中心线的方程可根据“流线隧道式旋转流体机械流道设计与成形方法”提供的方法构造为柱面埃尔米特曲线向中心线所在环曲面所做柱面投影，其在柱坐标系的方程为：

式①表示柱面埃尔米特曲线，为平面埃尔米特曲线弯曲为柱面所得，该柱面半径为流道进口所在半径r1，轴为压气机轮的轴线(z轴)，

式②表示流道中心线所在环曲面，为流道中心子午线1绕压气机轴线旋转一周所得；

与流道中心线相垂直的各处流道法向截面4为圆或椭圆，为椭圆时，其长轴向xy平面的投影与该点半径线垂直，截面椭圆长短轴之比保持不变，根据旋转机械流通特性和速度条件得出流道进出口面积，截面面积沿实际流道中心线3均匀变化，由此构成完整流道5；

流道可分为多组，各组之间流道进出口可分布在不同的半径上，多个流道周向均布且关于转子轴线中心对称，对于离心压气机，主要是流道进口分布在不同半径，图3所示为某三组流道离心压气机轮。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。