一种应用于涡轮增压器中的特殊的径向透平的设计方法

本发明涉及径向透平设计，具体涉及一种应用于涡轮增压器中的特殊的径向透平的设计方法。

背景技术：

1、涡轮增压器已经被广泛地应用于汽车、轮船等工业中。涡轮增压器中的透平是由透平叶轮和涡轮组成的，其基本的原理为：透平将发动机（内燃机）排出的高温高压的废气中包含的热能转换成动能，从而驱动在同一个轴上的压气机工作，然后压气机压缩空气，提高内燃机的进气压力，从而提高内燃机的燃烧效率。透平根据流道方向可分为轴流、径向和混流式，其中径向透平最适合用于小型的汽车涡轮增压器中。顾名思义，径向透平的进气方向为径向，其出气方向为轴向。

2、径向透平设计的第一个难点为应力问题。由于径向透平工作在高温高压条件下，这对透平的材料强度和最大应力水平有很高的要求。为了解决应力问题，传统的透平设计总是采用一种叫做径向纤维叶片的方法。径向纤维叶片指的是透平叶片的包角分布沿垂直于转动轴的方向总是相等的。换句话来说，径向纤维叶片在子午面上的包角等值线总是垂直分布的，假设转动轴沿着水平方向，径向纤维叶片可有效地最小化叶片弯曲应力并控制叶片最大应力。

3、径向透平设计的第二个难点为透平的进气（内燃机废气）呈高频率的脉冲状，其温度和压力会随时间迅速地变化，为了最大化利用内燃机废气中的热能(内能)，最大化在高温高压情况下的透平的气动效率是必不可少的。这是由于内燃机废气中的热能(内能)和其温度和压力成正比，而透平可获取并提供给压气机的动力等于内燃机废气的热能和透平的乘积。近年来的科学研究表明，为了最大化透平在高温高压进气条件下的效率，最有效的方式是采取一种叫做后掠式前缘叶片角的透平叶片设计。顾名思义，后掠式前缘叶片角是指透平的前缘叶片角朝着与叶片转动方向相反的方向偏移，这种设计可有效地提高透平在高温高压进气条件下的效率，从而提高整个涡轮增压器的效率。但是传统的完全径向纤维叶片不可能产生这种后掠式前缘叶片角的设计，而不满足径向纤维条件的后掠式前缘叶片角会有非常大的应力集中问题，从而使得透平叶轮存在因疲劳应力迅速失效的问题，没有实际应用价值。

4、因此，传统的径向透平设计无法同时满足为了达到应力要求的完全径向纤维叶片的条件和为了最大化高温高压进气时透平效率的后掠式前缘叶片角透平设计的条件。

技术实现思路

1、针对传统的径向透平设计无法同时满足达到应力要求的完全径向纤维叶片和最大化高温高压进气时透平效率的后掠式前缘叶片角透平设计的问题，提出了一种应用于涡轮增压器中的特殊的径向透平的设计方法，能够满足最大应力要求并可有效地提升高温高压情况下的透平气动效率。

2、为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：

3、一种应用于涡轮增压器中的特殊的径向透平的设计方法，具体包括：

4、通过三维反设计法产生非纤维化后掠式前缘叶片；

5、使用两条线将所述非纤维化后掠式前缘叶片的子午面划分为三个部分，第一条线位于靠近前缘10%-20%位置处，第二条线位于顶盖中间位置且呈垂直分布；

6、对划分后的非纤维化后掠式前缘叶片进行部分纤维化设计；

7、最终得到部分纤维化后掠式前缘叶片。

8、作为本发明的一种优选方案，所述三维反设计法产生非纤维化后掠式前缘叶片的方法具体包括：

9、输入叶片子午面、叶片厚度分布、叶片载荷分布和叶片工况信息，得到初始三维叶片；

10、设计叶片载荷分布满足叶片前缘的载荷为正值，保证所述初始三维叶片的前缘叶片包角为后掠式；

11、进入迭代循环计算，通过叶片子午面、叶片厚度分布和叶片载荷分布计算叶片的速度场；由叶片的速度场计算出叶片形状；

12、对比前后两次迭代的叶片形状，判断是否满足收敛条件，若满足，则输出叶片形状为非纤维化后掠式前缘叶片；若不满足，则重新计算速度场，进行下一轮的迭代计算。

13、作为本发明的一种优选方案，所述叶片子午面为三维叶片xyz坐标在rz平面上的投影，所述rz平面即子午面；所述叶片厚度分布为叶片在子午面上的厚度分布；所述叶片载荷分布为叶片在子午面上的载荷分布；所述叶片工况信息包括转速、流量、膨胀比。

14、作为本发明的一种优选方案，所述速度场的计算方法具体为：将速度场分解为周向平均速度和周期速度进行求解，周向平均速度的计算公式如下所示：

15、

16、

17、其中，、分别为径向、轴向坐标；为周向平均的径向速度，为周向平均的轴向速度；为密度，为周向平均的流函数；

18、为阻塞因子，，其中为叶片切向厚度，为叶片数；

19、周期速度的计算公式如下所示：

20、

21、其中，分别为径向、切向和轴向坐标，为周期速度，为周期势函数，为锯齿函数，为周期平均环量分布。

22、作为本发明的一种优选方案，将所述非纤维化后掠式前缘叶片的子午面划分为三个部分，第一部分为叶片前缘至第一条线之间，第二部分为第一条线和第二条线之间，第三部分为第二条线至叶片尾缘之间。

23、作为本发明的一种优选方案，所述对划分后的非纤维化后掠式前缘叶片进行部分纤维化设计的方法具体包括：

24、保持第一部分的叶片包角不变；

25、重新计算第三部分的叶片包角使其包角纤维化，具体为：第三部分的顶盖部分的叶片包角保持不变，根据所述顶盖部分的叶片包角重新计算第三部分的其余部分的叶片包角，所述其余部分的叶片包角保证在相同的轴向距离上叶片包角是相等的。

26、作为本发明的一种优选方案，所述部分纤维化的方法还包括：通过差值和外推的方法重新计算第二部分的叶片包角，保证新产生的叶片包角光滑地连接第一部分和第三部分的叶片形状分布。

27、一种应用于涡轮增压器中的特殊的径向透平的设计装置，所述装置包括：后掠式前缘模块、划分模块、部分纤维化模块和输出模块；

28、所述后掠式前缘模块用于通过三维反设计法产生非纤维化后掠式前缘叶片，包括信息输入单元、迭代计算单元和收敛判断单元；

29、所述信息输入单元用于输入叶片子午面、叶片厚度分布、叶片载荷分布和叶片工况信息，设计叶片载荷分布满足叶片前缘的载荷为正值；所述迭代计算单元用于迭代循环计算，通过叶片子午面、叶片厚度分布和叶片载荷分布计算叶片的速度场，由叶片的速度场计算出叶片形状；所述收敛判断单元用于对比前后两次迭代的叶片形状，判断是否满足收敛条件，若满足，则输出叶片形状为非纤维化后掠式前缘叶片，若不满足，则重新计算速度场，进行下一轮的迭代计算；

30、所述划分模块用于使用两条线将所述非纤维化后掠式前缘叶片的子午面划分为三个部分，第一部分为叶片前缘至第一条线之间，第二部分为第一条线和第二条线之间，第三部分为第二条线至叶片尾缘之间；

31、所述部分纤维化模块用于对所述第三部分的叶片包角重新计算使其包角纤维化，并通过差值和外推的方法重新计算第二部分的叶片包角，保证新产生的叶片包角光滑地连接第一部分和第三部分的叶片形状分布；

32、所述输出模块用于输出部分纤维化后掠式前缘叶片。

33、一种应用于涡轮增压器中的特殊的径向透平的设计设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现如上所述的一种应用于涡轮增压器中的特殊的径向透平的设计方法的步骤。

34、一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的一种应用于涡轮增压器中的特殊的径向透平的设计方法的步骤。

35、本发明的有益效果是：本发明产生的透平为部分纤维叶片的设计，它叶片最大应力可控制在合理的范围内，这是由于透平的最大应力通常发生在出口处靠近尾缘的地方，而本发明产生的透平设计可保证叶片在这一部分是完全纤维化的，从而解决了最大应力问题；本发明产生的透平的前缘为后掠式设计，可有效的提高叶片在高温高压下的气动效率，从而有效提高从内燃气废气中获取的能量。