CN2274699Y - 一种径流式与混流式向心涡轮叶轮 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于内燃机(柴油机、汽油机)涡轮增压器的径流式与混流式向心涡轮叶轮,其结构技术特征是根据负荷运行特点,合理选择叶片进口几何角量值进行叶片形状几何造型的向心涡轮叶轮,叶片的进口几何角为锐角20°—85°或钝角95°—160°,可大幅度提高不同负荷情况下的向心涡轮级的效率。
Description
本实用新型涉及内燃机(柴油机、汽油机)技术领域内径流式涡轮增压器与混流式涡轮增压器中的向心涡轮叶轮。
现有技术中，基于强度高、制造工艺简单和转动惯量小诸方面因素的考虑，径流式涡轮增压器与混流式涡轮增压器的向心涡轮叶轮都采用径——轴流型半开式或开式叶轮，并对叶轮进口部分的叶片形状采用叶片进口几何角为90°的结构造型。显然，这种不顾内燃机不同负荷的运行特点对叶轮进口流入角量值与变化范围造成的重大差异，一律将叶片进口几何角的择取固限为90°的叶轮构形，必然会在大多数负荷情况下，产生大的冲角与冲击损失，导致涡轮效率明显降低。内燃机的负荷运行特点，即内燃机的功率与转速随负荷变化的关系，决定了增压器向心涡轮叶轮进口流入角随负荷变化的数量关系。根据每一种增压内燃机组的具体负荷状况，可以定出叶轮进口气流角与负荷变化的对应关系，并由此确定常用工况范围情况下叶轮进口气流角的量值变化范围。另一方面，向心涡轮气体动力学的理论与实验指出：对于每一个叶片进口几何角，都有一个流入叶轮的最佳气流角相对应。由于高速旋转叶轮内相对涡对流入叶轮的气流方向产生“滑移”作用的结果，使流入叶轮的最佳气流角并不与叶片进口几何角相同。当流入叶轮的气流角偏离最佳气流角时，就产生冲角与冲击损失。冲角的大小决定叶片面上流动分离的情况，冲角越大，冲击损失越大，而且正冲角的冲击损失比等值负冲角时大得多。冲角对涡轮效率的下降影响很大，它是影响涡轮变工况效率值的最重要的因素。对于叶片进口几何角等于90°的叶轮，依滑移系数公式确定的流入叶轮的最佳气流角均为115°左右。因此，叶片进口几何角等于90°的向心涡轮叶轮最适用的负荷是使叶轮进口的设计工况流入角或常用工况范围的平均流入角均为115°的负荷。
本实用新型的目的是为了减少向心涡轮叶轮在设计工况或常用工况范围情况下的冲角和冲击损失，提高涡轮效率，设计一种径流式与混流式涡轮增压器的向心涡轮叶轮。
本实用新型实现上述目的的技术构思是由叶片、轮盘和轮盖铸成一体的向心涡轮叶轮。根据负荷定出涡轮叶轮的设计工况流入角或常用工况范围的平均流入角，以此作为流入叶轮的最佳气流角按相应的滑移系数公式确定叶轮的叶片进口几何角进行叶轮叶片形状的几何造型，对常工况范围在最大扭矩工况附近低速度、低负荷区域运行的车用内燃机涡轮增压器向心涡轮叶轮的叶片进口几何角为锐角20°≤β1A≤85°；在常工况范围标定工况附近内燃机用的涡轮增压器的叶片进口几何角为钝角95°≤β1A≤160°。
本实用新型产生的积极效果是消除了因采用叶片进口几何角等于90°的叶轮带来的只能对个别负荷实现高效率匹配的约束和局限，而将高效率匹配扩大到全部负荷情况。本实用新型由于合理选择了叶片进口几何角的量值，避免了大冲角的出现并整体降低了常用工况范围的冲角平均值，从而使叶片进口角等于90°叶轮不适用的负荷情况下的向心涡轮级和整个涡轮增压器的效率大幅度提高，内燃机的油耗、排温、扭矩等性能明显得到改善。
以下，结合实施例和附图对本实用新型的技术内容进行叙述说明。
图1是向心涡轮叶轮叶片进口几何角β1A定义图。向心涡轮叶轮的叶片进口几何角β1A是叶流道几何中心回转面上叶型3的中线2在进口前缘处的切线1与圆周速度负方向间的夹角。
图2所示适用常用工况范围在最大扭矩工况附近的低速度、低负荷区域运行的涡轮增压器向心涡轮叶轮的，叶片进口几何角为锐角在20°≤β(A)≤85°范围情况时的结构视图。图中示出的具体例子是一个叶片进口几何角等于50°的半开式混流涡轮叶轮形状。
图3所示适用常用工况范围标定工况附近的内燃机用涡轮增压器涡轮叶轮，叶片进口几何角为钝角在95°≤β1A≤160°范围情况时的结构视图。图中示出的具体例子是一个叶片进口几何角等于120°的闭式径流涡轮叶轮形状。
图2示出半开式涡轮叶轮的叶片5同轮盘6铸为一体，叶片进口几何角β1A是50°，适用于常用工况范围在最大扭矩工况附近的低转速、低 负荷区域运行的车用内燃机用的涡轮增压器。车用增压内燃机的负荷变动频繁，增压度一般不高，在上述常用工况范围运行时，向心涡轮级的速比与转速均较低，叶轮进口气流角甚小，只有采用叶片进口几何角小的叶轮才能减少正冲角降低冲击损失保持高效率，本实用新型的结构恰好可以满足这一需要。与叶片进口几何角等于90°的叶轮相比，由于大幅度降低了低转速、低负荷工况时的大正冲角冲击损失，转变原先耗费于冲击损失的无用功为有效功，使涡轮转速显著增加。而涡轮转速的增加，又导致了正冲角与冲击损失的减少，造成涡轮转速进一步增加，结果形成良性循环。将有助于克服目前车用内燃机在低转速、低负荷区域运行时涡轮增压器普遍存在的加速性差、变工况响应慢以及压气机出口出现负压的缺点与弊病。当内燃机的运行越过最大扭矩工况再继续升高转速时，涡轮叶轮的进口会出现负冲角，且随转速增高负冲角越来越大。由于负冲角使冲击损失增加得很有限，何况对车用内燃机的高转速工况并不要求增压器的效率尽量高，按照配机要求，在外特性工况下，为防止高转速时增压超压、增压器超速，通常还要开启排气旁通阀放气，故意浪费一部分排气的可用能量，因此，在高转速工况范围内以大负冲角状态运行对限制增压超压与增压器转子超速反而有利。本实用新型的进口部分形成的几何角在20°-85°范围内的叶片弯曲形状，使叶轮高速旋转产生的离心惯性力和进口气流在叶片流道中转弯产生的法向惯性力的作用方向都与Coriolis惯性力一样指向叶片5的压力面4，有力地抑制、约束了负冲角引起的叶片压力面4上流动分离的扩展，大大降低了负冲角的冲击损失。比叶片进口角等于90°的叶轮更适于在负冲角的工况工作，其效率要高得多。
图3示出闭式径流涡轮叶轮的叶片5同轮盘6以及轮盖7铸造成一体制成闭式结构。叶片5进口几何角约120°，适用于常用工况范围在标定工况附近的内燃机用的涡轮增压器。与叶片5进口几何角等于90°的向心涡轮叶轮相比，本实用新型适用的速比更高、尺寸更小，更适于在正冲角工况范围内工作。在上述的实施例中，采用的半开式与开式向心涡轮叶轮结构，只要叶轮的强度裕度和对叶轮转动惯量的限制允许，则宜将现今涡轮增压器普遍采用的这种结构改成闭式叶轮结构，以使向心涡轮级的效率获得进一步提高。
Claims (1)
1、一种径流式与混流式向心涡轮叶轮，它包括有轮盘(6)、轮盖(7)和叶片(5)，其特征在于叶片(5)进口几何角的范围为20°-85°或95°-160 °。
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| CN 96229516 CN2274699Y (zh) | 1996-03-21 | 1996-03-21 | 一种径流式与混流式向心涡轮叶轮 |
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