一种可调喷嘴叶片的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于透平机械技术领域，具体涉及一种可调喷嘴叶片的设计方法。
【背景技术】
[0002] 由于排放法规的日益严酷，常规型涡轮增压器因其不能满足发动机从低速到高速 的全程匹配，已不能适应车用发动机的配机要求。照顾了高速则低速供气不足，导致发动机 性能恶化；照顾了低速，则高速时增压器势必超速，由于增压压力太高，导致发动机爆发压 力超标，由于发动机栗气功的增加，必将导致发动机性能恶化。虽然近十几年带旁通放气阀 的涡轮增压器已广泛使用，使发动机的低速性能有了明显的改善，但由于在发动机高速时 将部分废气放掉，排气能力的损失使发动机的高速性能仍不理想。至此，"可变涡轮几何流 通截面"的涡轮增压器则顺理成章的登上了"涡轮增压"的舞台。可变涡轮几何流通截面的 形式有多种，根据优胜劣汰的法则，最终人们还是对"旋转叶片"的形式情有独钟。其结构 及工作原理如图1所示。其可调喷嘴叶片沿圆周 D]均布安装在"安装盘"上，根据发动机在 不同转速下对增压压力的要求，电动或气动执行机构推动"拨盘"转动，"拨盘"上开有与"可 调喷嘴叶片"等数量的槽与"可调喷嘴叶片"上的"拨销"啮合。"拨盘"转动时带动诸"可 调喷嘴叶片"绕1上的各自旋转中心"0"同步旋转，从而改变了叶片间的法向距离dh，喷嘴 的流通面积A = dh*b*Zd(其中Zd为叶片数，b为叶片高度），因此，dh的变化使"A"成正比 的发生改变。理想的喷嘴叶片的形式应是这样的：当可调喷嘴叶片绕"0"点旋转时，面积 A的变化速率应大（Θ转动范围小，则α的变化范围亦小），而可调喷嘴出口叶片安装角α 的变化速率要小。因按照理论计算，α值的最佳范围为16~22°。在此范围内可获得较 高的涡轮效率。早期，可调喷嘴普遍采用的是"对称楔形"或者其他形式"瘦长"型叶片，这 类形式的叶片所暴露出来的问题是：dh/d0的梯度偏小，而da/d0的梯度偏大（参见图 3及图4);这两种因素导致发动机在低速时（dh小时），α角严重偏离最佳值，致使涡轮进 口前的气体速度cl也严重偏离理想方向（参见图5)，使之排气背压明显升高，而增压压力 却无法随之提升，就很难获得理想的发动机低速性能。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对现有"对称楔形"和"瘦长"型叶片所带来的上述问题，且为 了获得较大的dh/d Θ和较小的d a /d Θ，用以改善发动机的低速性能，而提出了一种可调 喷嘴叶片的设计方法。该方法是利用叶片的"丰满"所带来的阻塞作用和独特的叶片形状 来实现理想的dh/d Θ和da ΜΘ的变化规律。
[0004] 本发明采取的技术方案
[0005] 首先选择叶片的弦长Lx，而后确定叶片的虚拟长度Lz，进而确定凹面截线Yw向 和Xw向的长度，根据选定的α 15角、凸、凹面的安装角β t、Pw，求解凸面截线Xt向和Yt向 的长度，则得出凹凸面截线方程；在保证a p、0t、不变得前提下，计算出凸、凹面截面截 线在（Xt，Y t)和（Xw，Yw)坐标系内的离散点数值，选定叶片旋转中心的位置（XM，YJ，L s = 0.40LX;再根据需要将（Xt，Yt)和（Xw，Y w)坐标值转换到D,圆周的特定位置上，创建了如下 的叶片叶型曲线方程：
[0006]
[0007] 式中：Zd-一可调喷嘴叶片数；
[0008] 叶片的虚拟长度Lz，Lz = (1. 3~I. 33) *Lx
[0009] 凹面截线Yw向和Xw向的长度：
[0010] Ywm = Ke*Lz
[0011] 式中：Ke--比例系数，Ke = 0· 76~0· 78 ;
[0012] Xwm = Kf^Ywm
[0013] 式中：Kf--比例系数，Kf = 0· 12~0· 13 ;
[0014]
[0015] 凸、凹面安装角f3t、f3w:
[0016] β t= 20 ~24。，
[0017] β"=74 ~76。；
[0018] 求解凸面截线Xt向和Yt向的长度，
[0021] 则得凹凸面截线方程：
[0027] 利用（5) (6)式分别计算出叶片凸、凹面截面截线在（Xt，Yt)和（Xw，Y w)坐标系内 的离散点数值，选定叶片旋转中心的位置（Xciz, YcJ, Ls= 0.40LX;再根据需要将（Xt，Yt)和 (Xw，YJ坐标值转换到D j圆周的特定位置上。
[0028] 本发明与现有技术相比其有益效果是：
[0029] 本发明可调喷嘴环可使发动机的低速性能得到明显的改善；本发明这一形式的叶 片我们称之为"丰满弓背"型叶片，它是利用叶片的"丰满"所带来的阻塞作用和独特的叶 片形状来实现理想的dh/d Θ和d a /d Θ的变化规律；目前，国内尚无此种叶片的设计方法， 针对这一状况，我们创造了自己独特的设计方法；设计的叶片，诸多叶片同步绕各自得回转 中心旋转时，叶片间始终保持一个近似平行的通道，以较小的损失将气流导入涡轮，可使涡 轮效率有明显的提尚。
【附图说明】
[0030] 图1为小流道截面时喷嘴叶片流道示意图；
[0031 ] 图2为喷嘴叶片结构参数示意图；
[0032] 图3为小开度（dh)的叶片可调喷嘴的流道示意图；
[0033] 图4为中开度（dh)的叶片可调喷嘴的流道示意图；
[0034] 图5为大开度（dh)的叶片可调喷嘴的流道示意图。
[0035] 图中：1 一喷嘴叶片；2-安装盘；3 -涡轮。
【具体实施方式】
[0036] 如图2,在设计叶片时，首先选择叶片弦长Lx
[0037]
[0038] 式中：Zd-一可调喷嘴叶片数；
[0039] 而后确定叶片的虚拟长度Lz
[0040] Lz = (1. 3 ~I. 33) *Lx
[0041] 进而确定凹面截线Yw向和Xw向的长度，
[0042] Ywm = Ke*Lz
[0043] 式中：Ke--比例系数，Ke = 0· 76~0· 78 ;
[0044] Xwm = Kf^Ywm
[0045] 式中：Kf--比例系数，Ke = 0· 12~0· 13 ;
[0046] 选定α p角：
[0047] α"= 26 ~28° :
[0048]
[0049] 选定凸、凹面安装角f3t、f3w:
[0050] β t= 20 ~24。，
[0051] β"=74 ~76。；
[0052] 求解凸面截线Xt向和Yt向的长度，
[0063] 利用（5) (6)式分别计算出叶片凸、凹面截面截线在（Xt，Yt)和（Xw，Y w)坐标系内的 离散点数值，选定叶片旋转中心的位置（Xciz, YcJ,-般Ls= 0.40LX;再根据需要将（Xt，Yt) 和（Xw，Y w)坐标值转换到D,圆周的特定位置上。按上述方法设计的叶片，诸多叶片同步绕 各自的回转中心旋转时，叶片间始终保持一个近似平行比较理想的通道，这可从图3种看 出。
【主权项】
1. 一种可调喷嘴叶片的设计方法，其特征在于它包括以下步骤：首先选择叶片的弦长 Lx，而后确定叶片的虚拟长度Lz，进而确定凹面截线Yw向和Xw向的长度，根据选定的ap 角、凸、凹面的安装角Pt、，求解凸面截线Xt向和Yt向的长度，则得出凹凸面截线方程； 在保证ap、0t、不变得前提下，计算出凸、凹面截面截线在（Xt，Yt)和（XW，YW)坐标系内 的离散点数值，选定叶片旋转中心的位置（X^YJ，Ls= 0.40LX;再根据需要将（Xt，Yt)和 (Xw，Yw)坐标值转换到D,圆周的特定位置上，创建了如下的叶片叶型曲线方程：式中：Zd--可调喷嘴叶片数； 叶片的虚拟长度Lz，Lz= (1. 3~1. 33)*Lx凹面截线Yw向和Xw向的长度，Ywm=Ke*Lz 式中：Ke--比例系数，Ke= 0? 76~0? 78 ; Xwm=Kf^Ywm 式中：Kf--比例系数，Kf= 0. 12~0. 13 ; 选定ap角：an= 26~28° ;凸、凹面安装角Pt、0W: 0 t= 20 ~24。， 0W=74 ~76。； 求解凸面截线Xt向和Yt向的长度，利用（5) (6)式分别计算出叶片凸、凹面截面截线在（Xt，Yt)和（Xw，Yw)坐标系内的离 散点数值，选定叶片旋转中心的位置（X^YJ，Ls= 0. 40LX;再根据需要将（Xt，Yt)和（Xw， Yw)坐标值转换到D,圆周的特定位置上。
【专利摘要】本发明涉及一种可调喷嘴叶片的设计方法，设计该叶片时，首先选择叶片的弦长Lx，而后确定叶片的虚拟长度Lz，进而确定凹面截线Yw向和Xw向的长度，根据选定的αp角、凸、凹面的安装角βt、βw，求解凸面截线Xt向和Yt向的长度，则得出凹凸面截线方程。按此方法设计的叶片，诸多叶片同步绕各自得回转中心旋转时，叶片间始终保持一个近似平行的通道，以较小的损失将气流导入涡轮，可使涡轮效率有明显的提高。
【IPC分类】F01D9/02, G06F17/50, G06F19/00
【公开号】CN105019951
【申请号】CN201510252207
【发明人】王永青, 史丽媛, 杨建文, 王祺, 刘文智
【申请人】大同北方天力增压技术有限公司
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2015年5月18日