[发明专利]一种可调喷嘴叶片的设计方法

说明书

技术领域

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

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，由于发动机泵气功的增加，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_j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D_j上的各自旋转中心“O”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*Z_d(其中Z_d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“O”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/dθ的梯度偏小，而dα/dθ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c1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

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/dθ和较小的dα/dθ，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/dθ和dα/dθ的变化规律。

本发明采取的技术方案

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_p角、凸、凹面的安装角β_t、β_w，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α_p、β_t、β_w不变得前提下，计算出凸、凹面截面截线在(X_t，Y_t)和(X_w，Y_w)坐标系内的离散点数值，选定叶片旋转中心的位置(X_oz，Y_oz)，L_s＝0.40L_X；再根据需要将(X_t，Y_t)和(X_w， Y_w)坐标值转换到D_j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；