专利名称：径流涡轮的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及涡轮增压器技术领域，尤其涉及一种径流涡轮增压器用的径流涡轮。
背景技术：
在径流涡轮增压器中，涡轮与压气机叶轮一样，隶属叶轮机械。涡轮的工作环境温度比压气机叶轮高很多，通常最高允许进气温度都在650°C以上，个别增压器涡轮最高允许进气温度高达750V 800°C。在这种极度恶劣的环境下工作，涡轮材料需要具备很好的高温性能，同时优化涡轮叶片造型，降低涡轮叶片工作载荷，延长涡轮寿命。在此基础上，兼顾涡轮效率，确保增压器的整机性能。随着柴油机技术的进步，柴油机单位容积的负荷越来越高，因而与其配套的涡轮增压器也必须提高其增压压力。在涡轮增压器的外形尺寸受限的情况下，除了提高涡轮增压器的整机效率外，提高涡轮增压器转速是提高增压压力的最有效最直接的办法，这样，涡轮叶片的负荷就越来越高。在现有径流涡轮中，为了确保涡轮增压器能够在高转速下安全运行，径流涡轮设计者一方面通过采用强度更好的材料，以提高径流涡轮叶片承载能力，另一方面降低叶片单位面积载荷，其中最主要的手段之一就是在设计涡轮叶片时，确保径流涡轮叶片的各个截面的重心线通过轴心。基于这种设计理念，现有径流涡轮叶片只能设计成由一串垂直中心轴的梯形截面组成，而不能按照气体流场需要设计，导致涡轮叶片表面存在大量气流失速区，附面层损失明显增加，最终导致径流涡轮效率较低。在现有技术中，径流涡轮叶片成型的内外子午线在圆柱面上的投影的展开图一般按圆形轨迹设计。该设计方案能够满足效率需要，但是流道略短，涡轮膨胀度较低，涡轮做功能力相对较差。由于受涡轮强度极限的限制，涡轮设计无法完全按照气流流场需要设计，无法改变径流涡轮效率较低的现状，且增压器转速亦低于国际同类增压器。国产径流增压器基本还是为小功率高速柴油机配套。从目前国际增压器技术发展判断，在中速柴油机的配套市场上，径流增压器替代轴流增压器已经是一个必然趋势。
实用新型内容本实用新型所解决的技术问题是提供一种高转速的涡轮增压器的径流涡轮，在满足安全性能的同时进一步提高涡轮做功效率。本实用新型采用的技术方案是径流涡轮，包括环绕在旋转轴上的叶片，所述叶片垂直于旋转轴的轴线方向的截面的重心线与轴线相偏离一段距离，所偏离的距离值沿涡轮轴线方向由径流涡轮进口向径流涡轮出口先逐渐减小，减小至零，再逐渐增大，所述叶片成型的内外子午线在圆柱面上的投影的展开图为椭圆轨迹或二次抛物线轨迹。所偏离的距离值为C，以轴线为Z轴，以c值为零的一点为Z轴原点，ζ为叶片截面对应Z轴坐标，则C = I kzm I，且k是小于0. 3的常数，1彡m彡3。[0009]m 等于 1。原点位于外子午线在Z轴上的投影线的中点，c值最大小于外子午线在Z轴上的投影线总长的5%以C值为零时的叶片截面重心线为Y轴，与Y轴、Z轴均垂直的为X轴，由径流涡轮进口向径流涡轮出口方向移动的叶片截面重心线与X-Z平面的交点沿X轴单向移动。本实用新型的有益效果是提高径流涡轮效率，同时确保径流涡轮叶片具有足够强度，提高径流涡轮叶片的整体刚度，提高叶片自振频率，加大增压器的增压压力，提高涡轮效率，以满足现代柴油机的配套需要。
图1为本实用新型结构示意图。
具体实施方式
本实用新型的径流涡轮主要改进叶片造型，径流涡轮叶片的垂直于旋转轴方向的各个截面的重心线不再保持通过旋转轴，各个截面的重心线与旋转轴线间存在一定的偏离，偏离距离从径流涡轮进口到涡轮出口沿旋转轴线性变化，即先递减，减小至零，再递增。 径流涡轮叶片的垂直于轴线方向的截面，以下简称为叶片截面。如图1所示，叶片截面的重心线由原来的始终通过轴线，改进为各个截面的重心线与轴线间存在一定的偏离，所偏离的距离为C，C值先递减，减小为零，再递增，那么C值为零的叶片截面的重心线通过轴线。所偏离的距离值为C，以轴线为Z轴，以c值为零的一点为Z轴原点，ζ为叶片截面对应Z轴坐标，则c = I kzm I，且k是小于0. 3的常数，1彡m彡3。 偏离距离c与截面对应Z轴的坐标为包含以下几种，c = kz|,c = kz2, C= kz3U为便于加工方面的考虑，优选方案为m为整数1，C= |kz|，也就是c值先线性减小，减小至零， 再线性增大，前后两端的c值最大值保持一致，也就是叶片最前端和最后端的截面对应的ζ 值绝对值相等，经试验证明符合这种规律的叶片在增压效果上最优异。为了取得最好的效果，经试验证明，对于c值的最大值控制在外子午线在Z轴上的投影线总长的5%。，原点位于外子午线在Z轴上的投影线的中点。同时，径流涡轮叶片成型的内外子午线在圆柱面上的投影的展开图按椭圆轨迹或二次抛物线轨迹设计，这样是为了延长气流膨胀流道，以增大膨胀比。也就是在获得相同膨胀比时，涡轮转速能够相应地降低，以抵消或部分抵消因涡轮叶片采用倾斜角后带来的涡轮转速提高的负面影响，提高涡轮效率。以c值为零时的叶片截面重心线为Y轴，与Y轴、Z轴均垂直的为X轴，X轴的正方向以右手螺旋定则确定。由径流涡轮进口向径流涡轮出口方向移动的各叶片截面重心线与X-Z平面的交点沿X轴单向移动。如图所示，截面B-B重心线与Z轴相交，此重心线为Y 轴，与其垂直的为X轴；截面B-B之前的截面A-A的重心线偏离Z轴，其与X-Z平面的交点坐标的χ值为负，截面B-B之后的截面C-C的重心线偏离Z轴，其与X-Z平面的交点坐标的 χ值为正。其中以靠近径流涡轮进口为前，靠近径流涡轮出口为后。这样设计可以使叶片在进气端垂直流道方向的截面上有较大的倾斜角，较大的倾斜角能够更好地抑制气流发生失速或逆流，提高气流效率，但在相同膨胀比下转速将升高，这与现在流行的压气机叶轮叶片后弯角功能类似；叶片后半段的调整主要是从调整叶片叶根至叶顶气流角方面考虑，优化气流速度分布，同时考虑平衡前半段由于叶片偏心带来的离心力产生的力矩。此外，从有限元分析计算结果看，前后段同时采用一定的偏心比只在进气端部分采用偏心能提高叶片的自振频率，以避开前面喷嘴环叶片引起的5倍频激振。 径流涡轮叶片以这种规律扭曲后，径流涡轮叶片的整体刚度得到提高，同时提高涡轮抗疲劳寿命。经模拟计算和试验得出，采用本实用新型的径流涡轮后，涡轮效率能提高 2% 3%。
权利要求1.径流涡轮，包括环绕在旋转轴上的叶片，其特征在于所述叶片垂直于旋转轴的轴线方向的截面的重心线与轴线相偏离一段距离，所偏离的距离值沿涡轮轴线方向由径流涡轮进口向径流涡轮出口先逐渐减小，减小至零，再逐渐增大，所述叶片成型的内外子午线在圆柱面上的投影的展开图为椭圆轨迹或二次抛物线轨迹。
2.如权利要求1所述的径流涡轮，其特征在于所偏离的距离值为c，以轴线为Z轴，以 c值为零的一点为Z轴原点，ζ为叶片截面对应Z轴坐标，则c = IkzmI，且k是小于0. 3的常数，1彡m彡3。
3.如权利要求2所述的径流涡轮，其特征在于m等于1。
4.如权利要求2所述的径流涡轮，其特征在于原点位于外子午线在Z轴上的投影线的中点，c值最大小于外子午线在Z轴上的投影线总长的5%。
5.如权利要求2所述的径流涡轮，其特征在于以c值为零时的叶片截面重心线为Y 轴，与Y轴、Z轴均垂直的为X轴，由径流涡轮进口向径流涡轮出口方向移动的叶片截面重心线与X-Z平面的交点沿X轴单向移动。
专利摘要本实用新型公开了一种径流涡轮，径流涡轮，包括环绕在旋转轴上的叶片，其特征在于所述叶片垂直于旋转轴的轴线方向的截面的重心线与轴线相偏离一段距离，所偏离的距离值沿涡轮轴线方向由径流涡轮进口向径流涡轮出口先逐渐减小，减小至零，再逐渐增大，优选c＝|kz|的变化规律，所述叶片成型的内外子午线在圆柱面上的投影的展开图为椭圆轨迹或二次抛物线轨迹。本实用新型径流涡轮叶片的整体刚度，提高叶片自振频率，加大增压器的增压压力，提高涡轮效率，满足现代柴油机的配套需要。
文档编号F01D5/14GK202284483SQ201120365039
公开日2012年6月27日 申请日期2011年9月27日 优先权日2011年9月27日
发明者李俊, 李廷金 申请人:中国北车集团大连机车研究所有限公司