[实用新型]车用增压器涡轮的前弯后掠式叶轮

说明书

本实用新型属于热力叶轮机械气动热力学与车用内燃发动机增压技术相结合的“车用涡轮增压器”技术领域，特别涉及一种用于车用发动机增压器径流式涡轮的叶轮。

径流式涡轮应用十分广泛，特别是随着车用增压技术和增压器的迅猛发展，其前景十分广阔。

径流式涡轮的内部流动十分复杂。就叶轮而言，气流在高速旋转的叶道中经历从径向到轴向的转折，流动具有明显的三元特征，哥化力和离心力的影响很大；加之叶轮几何尺寸小，粘性及间隙漏气的影响较大；而且还受到叶轮进口来流条件的制约。对于车用增压器涡轮叶轮，叶轮进口来流的影响十分明显，具体表现在以下三个面：

（1）车用增压器涡轮普遍采用无叶喷咀（又称无叶蜗壳）以简化结构，降低成本并改善工况适应性，但由于没有了喷咀叶片的约束，其出口即叶轮进口气流参数沿轴向（叶高）很不均匀；

（2）车用发动机大多采用脉冲增压方式，但发动机的间隙性排气直接影响到叶轮进气状态，使之成为脉动的非稳定流动；

（3）车用发动机总是在变工况条件下工作的，而且工况范围宽广、变化频繁。

因此严格说来，叶轮进口来流条件是十分严重的时空畸变流，这给叶轮内流带来极为不利的影响。当车用发动机工冲变化特别在低速工况运行时，叶轮内部流动易于恶化，涡轮效率明显下降，限制了涡轮的变工况适应范围。而低速工况性能的改善正是车用发动机增压的关键。

但是，传统的叶轮设计没有充分考虑上述因素及其影响，其近似径向进口型线的叶轮很难适应上述不均匀进气状态及其激剧变化，内部流动易于分离，涡轮效率下降，不能满足车用增压的要求。从国内外研究现状看，由于径流式涡轮内流测试的困难，有关研究尚停留在一定的阶段上，特别是对无叶喷咀这一结构所致的特定影响还未充分认识到，叶轮设计既没有很好针对变工况运行的基本特点，也没有考虑其非稳态流动的特性，更没有注意到无叶喷咀出口流场不均匀的影响。因此，必须切实考虑上述影响，改进叶轮的设计及结构。

本实用新型的目的旨在依据叶轮的实际工作条件及其对内流特性的影响，通过叶轮进口的型面结构设计，合理组织流场，从而提高叶轮内流效率，扩展工况范围，改善车用增压器涡轮性能，最终改进增压发动机性能。

叶轮进口来流的时空畸变条件相当于不同的非设计工况条件及其变化。由叶轮机械气动热力学基本原理可知，在非设计工况条件下，涡轮级效率及性能的下降和恶化主要取决于叶轮进口的冲角损失以及由此引起的叶道内部流动分离的影响。从传统叶轮的径向进口型线结构看，解决问题的途径在于改进叶轮进口型线的设计。以下针对车用增压器涡轮的结构、来流和运行特点及其对叶轮进气状态的影响，给出本实用新型的具体措施和设计。

（1）对于无叶喷咀结构出口流场的影响，从理论上讲，若使叶轮进口段的型面结构与实际流动的子午流面相吻合，无叶喷咀出口气流能顺利进入动叶而不发生过量的冲角损失，就有可能抑制分离，改善流动效率。这表明新的设计必须着眼于叶轮的S₁型面，即叶轮叶片型线沿叶高应有不同程度的弯曲。如果以平均相对进气角定义或对应于叶片的径向，则叶轮的中间部分型面必须前弯，轮壳和轮毂处型面后弯，方能与实际流动速矢相符。前弯定义为逆叶轮旋转方向弯曲，后弯则相反。

（2）对于脉冲来流的非稳态流动的影响，发动机的排气通量主要集中在脉冲波的峰值区域，此时所对应的涡轮膨胀比大；同时只要发动机的工况一定，其排气脉冲不会引起涡轮转速的太大变化，因而在峰值区涡轮级的速比u／c_o较小，若使级的最佳速比u／c_oopr接近于峰值区的速比u／c_o，就可最大限度地利用脉冲能量。因而按稳定流动设计的叶轮应该使叶型进口型线前弯以考虑脉冲影响。这样的结构还可带来两点好处：第一、对于非峰值区，速比u／c_o较大，前弯叶轮的进口冲角为负，影响相对较弱，故其适用范围能放宽；第二、在发动机低速工况时，排气脉冲波的幅值有所增大，减少u／c_o更有利于改善增压发动机的低速扭矩特性。

（3）对于非设计工况运行所引起的进口冲角的影响（是较难避免的），关键是要选择合适的设计点，由发动机低速工况的重要性决定了设计点应在u／c_o较小范围内选取。这与改善脉冲流动特性的设计是一致的，即应使叶型前弯。