專利名稱：一種混流式渦輪葉輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓器，中、小型燃?xì)廨啓C(jī)裝置，化工與制冷(氣體液化與分離)設(shè)備中透平膨脹機(jī)用的渦輪葉輪。
背景技術(shù)：
按流體在渦輪葉輪中流動的方向，可分成軸流式渦輪、徑流式渦輪和混流式渦輪三種類型。其中，軸流式渦輪，流體沿近似與葉輪轉(zhuǎn)軸平行的方向流過；徑流式渦輪，流體沿近似與葉輪轉(zhuǎn)軸垂直的半徑方向由葉輪輪緣向轉(zhuǎn)軸軸心方向流入葉輪，在葉輪出口處轉(zhuǎn)為軸向流出；混流式渦輪(又稱斜流式渦輪)，是一種介于軸流式渦輪與徑流式渦輪之間的中間形式——流體沿與葉輪轉(zhuǎn)軸傾斜的錐面流過葉輪。混流式渦輪作為徑流式渦輪在高比轉(zhuǎn)速情況下獲得高效率的一種改進(jìn)形式，近年來得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。事實(shí)上，混流式渦輪葉輪葉片的進(jìn)、出口邊傾斜(增加通流部分葉片高度)和出口邊輪緣直徑的增大，這些葉輪形狀的主要幾何特征變化都是徑流式渦輪葉輪的葉片形狀為適應(yīng)高轉(zhuǎn)速情況下流量向大容量發(fā)展而變化的一種自然趨向。至于混流式渦輪葉輪通流部分軸向長度較徑流式渦輪葉輪有適當(dāng)增加，則是為了改善輪內(nèi)流場，增加流動的平緩。
與徑流式渦輪相比，混流式渦輪最明顯的優(yōu)點(diǎn)是可在高比轉(zhuǎn)速下獲得高效率。由于渦輪效率在渦輪性能研究中的重要地位，也使得在高比轉(zhuǎn)速下獲得更高效率成為混流式渦輪中最主要的研究方向。
在渦輪增壓器應(yīng)用混流式渦輪的實(shí)踐中(譬如ABB公司的RR151增壓器，Honeywell公司的Garrett增壓器，小松制作所的KTR150增壓器，石川島公司的RH-3增壓器等)，都已證實(shí)混流式渦輪的最高等熵效率高于徑流式渦輪，平均約提高5％左右。但在徑流式渦輪和混流式渦輪的理論研究方面，極不充分。甚至對混流式渦輪為什么比徑流式渦輪效率高？究竟是哪些因素限制了徑流式渦輪效率的提高？怎樣設(shè)計混流式渦輪才能保證獲得高效率？這樣一些涉及機(jī)理性的基本問題，現(xiàn)有技術(shù)至今仍處于探索階段，其中不乏存在基本概念和觀念方面的錯誤，影響對事理的正確認(rèn)識、分析和判斷，致使對設(shè)計不能予以正確、有效地指導(dǎo)。
對于混流式渦輪的效率優(yōu)于徑流式渦輪的“簡單機(jī)理”，現(xiàn)有技術(shù)歸結(jié)為混流式渦輪葉輪的葉片進(jìn)口邊呈傾斜狀(與渦輪轉(zhuǎn)軸傾斜θ角)這一幾何特征上。認(rèn)為這種構(gòu)造有利于在沿葉片進(jìn)口斜邊的近輪轂部分形成“前彎葉片”的造型，從而減少了氣流的“入射損失”及流體在葉輪流道內(nèi)由徑向轉(zhuǎn)向軸向流動時所產(chǎn)生的“轉(zhuǎn)彎損失”，故混流式渦輪與徑流式相比可較大幅度地提高效率(詳見張晉東等《采用混流式渦輪的H145渦輪增壓器及其在Z6170柴油機(jī)上的應(yīng)用》·柴油機(jī)·2003年第6期·第19～20頁中的相關(guān)內(nèi)容和施新等《車用渦輪增壓器混流式渦輪的發(fā)展》·柴油機(jī)·2000年第6期·第14～18頁中的相關(guān)評述和報導(dǎo))。實(shí)際上，早在上世紀(jì)六、七十年代的一些徑流式渦輪增壓器的渦輪葉輪上，就采用過葉片進(jìn)口邊呈傾斜狀的結(jié)構(gòu)(如Schwizer公司的4HD增壓器、MAN公司的NR增壓器、重慶重型汽車研究所和重慶汽車發(fā)動機(jī)廠的ZY-120增壓器等)，但是在這些渦輪級上并未顯示出比具有葉片進(jìn)口邊與轉(zhuǎn)軸保持平行的常規(guī)徑流式渦輪葉輪的渦輪級有明顯提高效率的優(yōu)勢。另外，對于常規(guī)徑流式渦輪葉輪，同樣可以通過葉片造型在其不傾斜的葉片進(jìn)口邊上由輪轂至輪緣分別形成前彎、徑向、后彎和前彎后掠等不同葉片進(jìn)口幾何角的分布類型。其中，前彎后掠型葉輪就具有對混流式渦輪葉輪沿葉片傾斜進(jìn)口邊要求具有的(如中國專利公開號CN01231703.9《混流渦輪葉輪》圖3所示的)同樣葉片進(jìn)口幾何角分布類型。不同葉片進(jìn)口幾何角分布類型的常規(guī)徑流式渦輪葉輪的準(zhǔn)三元流動流場對比分析表明，具有前彎后掠型葉片進(jìn)口幾何角分布的渦輪葉輪，確實(shí)具有較好的變工況適應(yīng)性能，可以減少不同入流沖角變化增生的流動損失，提高變工況下的渦輪效率，但對渦輪級的最高等熵效率值不會有明顯提高(詳見徐進(jìn)峰等《向心透平葉輪進(jìn)口型線對變工況性能的影響》·動力機(jī)械與工程熱物理——全國動力機(jī)械與工程熱物理青年學(xué)術(shù)論文報告會論文集·西安·西安交通大學(xué)出版社·1989年10月·第659～663頁)。因此，渦輪葉輪的葉片進(jìn)口邊傾斜和沿葉片進(jìn)口邊的前彎后掠型葉片進(jìn)口幾何角分布并非混流式渦輪葉輪獨(dú)具的幾何特征，徑流式渦輪葉輪同樣可以具有。所以，它們不是致使混流式渦輪效率明顯高于徑流式渦輪效率的本質(zhì)原因。對此，渦輪增壓器與柴油機(jī)匹配實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也佐證了這一觀點(diǎn)單靠改變渦輪葉片進(jìn)口邊傾斜角和其上的葉片進(jìn)口幾何角分布兩項措施，尚不能獲得明顯的效率效益——柴油機(jī)的最低燃油耗下降不大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于通過對軸流、徑流和混流式渦輪葉輪輪內(nèi)流動的研究分析對比，在影響流動的諸多幾何因素與工況因素中，確定出使它們的流動彼此產(chǎn)生歧異的影響最大的因素；糾正現(xiàn)有技術(shù)中流傳深廣的錯誤認(rèn)識和觀念；以此為基礎(chǔ)，建立獲得高效率混流渦輪葉輪子午剖面構(gòu)造形狀的幾何參數(shù)合理薦用范圍。
鑒于軸流、徑流和混流式渦輪內(nèi)的流動，均可近似簡化成沿一族任意迴轉(zhuǎn)面葉柵流動的組合。這里，該族迴轉(zhuǎn)面的幾何形狀是由葉輪內(nèi)的子午流線族繞同一轉(zhuǎn)軸(渦輪軸)迴轉(zhuǎn)形成的。于是，軸流式渦輪的流面是一族與同軸圓柱面形狀相近的迴轉(zhuǎn)面；徑流式渦輪的流面是一族在葉輪進(jìn)口近似呈徑向平面、出口近似呈圓柱面的迴轉(zhuǎn)面；混流式渦輪的流面是一族葉輪進(jìn)口近似呈錐面、出口近似呈圓柱面的迴轉(zhuǎn)面(附圖1)。顯然，流面(即子午流線)幾何形狀的歧異，是使軸流、徑流和混流式渦輪級內(nèi)的流動產(chǎn)生重大歧異的首位重要幾何因素。子午流線形狀對迴轉(zhuǎn)面葉柵流場的影響主要反映在斜率傾角δ＝arctg(dr/dz)值沿子午流線的分布δ(r)或δ(z)，以及子午流線在葉輪進(jìn)、出口的半徑差Δr＝(r1-r2)這兩項幾何要素上(附圖2)。
依葉輪機(jī)械流體動力學(xué)中的任意迥轉(zhuǎn)面葉柵流動理論，無粘流體繞流葉柵的定常流動須滿足絕對運(yùn)動無旋方程rotC→=rot(W→+ω→×r→)=rotW→+2ω→=0,]]>當(dāng)流體沿任意迴轉(zhuǎn)面流動時，旋度 只在迴轉(zhuǎn)面的法線 的方向有分量 于是上式化為rotW→·n→=-2ω→·n→,]]>即得流體沿任意迴轉(zhuǎn)面流動須遵循的運(yùn)動方程rotnW→=-2ωsinδ,]]>式中C-由與渦輪級靜止件(殼體、噴嘴環(huán))固結(jié)在一起的絕對坐標(biāo)系測量的流體運(yùn)動速度(絕對速度)； -由與渦輪級旋轉(zhuǎn)葉輪固結(jié)在一起的相對坐標(biāo)系測量的流體運(yùn)動速度(相對速度)； -葉輪轉(zhuǎn)動角速度(附圖3)。
由該運(yùn)動方程知旋轉(zhuǎn)葉輪內(nèi)迴轉(zhuǎn)面葉柵中的流體運(yùn)動為相對運(yùn)動有旋的流動，其旋度值為-2ωsinδ。當(dāng)δ＝0(軸流式渦輪，流面為圓柱面)時，流經(jīng)以 角速度轉(zhuǎn)動的軸流式渦輪葉輪內(nèi)任一圓柱面葉柵的流動，與該同一圓柱面葉柵靜止不轉(zhuǎn)動(ω＝0)時的繞流情況完全相同，即軸流式渦輪葉輪內(nèi)的流動不受轉(zhuǎn)速(角速度 )的影響。這是形成軸流式渦輪葉輪內(nèi)的流動區(qū)別于徑流式渦輪葉輪和混流式渦輪葉輪內(nèi)流體運(yùn)動的本質(zhì)原因所在。對于徑流式渦輪葉輪進(jìn)口附近的流動，由于δ≈90°，致使這部分區(qū)域的流場承受旋轉(zhuǎn)角速度產(chǎn)生的旋度的影響最大。相對而言，混流式渦輪葉輪進(jìn)口附近的流動，由于0＜δ＜90°，角速度產(chǎn)生的旋度的影響介于軸流式渦輪與徑流式渦輪之間。至于徑流式渦輪和混流式渦輪葉輪的軸向出口部分，由于這部分流面的δ≈0，則如軸流式渦輪葉輪一樣，流面上的流動基本不受角速度的影響。
至于葉輪內(nèi)任意迴轉(zhuǎn)面葉柵中流場的速度分布，可以用下述方法清晰示出實(shí)際上，轉(zhuǎn)速為 流量為G工況下繞流任意迴轉(zhuǎn)面葉柵的流動，可以分解為一個流量為G的流體繞流靜止不轉(zhuǎn)動(ω＝0)的同一迴轉(zhuǎn)面葉柵的通流流動與另一個流量為零(G＝0，葉柵流道的進(jìn)出口分別沿圓周封閉)，流動方向與 在迴轉(zhuǎn)面法線方向的分矢量確定的轉(zhuǎn)向相反，渦強(qiáng)為2ωsinδ的變強(qiáng)度環(huán)流在同一迴轉(zhuǎn)面葉柵流道內(nèi)流動的疊加(附圖4)。于是，流量為G、轉(zhuǎn)速為 工況下繞流任意迴轉(zhuǎn)面葉柵的流動中，葉柵內(nèi)任意一點(diǎn)的速度矢量準(zhǔn)確地等于上述兩個流場中同一點(diǎn)處的速度矢量之和。由于封閉流道內(nèi)的環(huán)流(迴渦)轉(zhuǎn)向與 在迴轉(zhuǎn)面法線方向的分量的轉(zhuǎn)向相反，經(jīng)與通流流動疊加后，致使葉柵流道吸力面附近的流速增大而壓力面附近的流速減小。旋渦強(qiáng)度2ωsinδ值越大，它所造成的壓力面與吸力面間的速度差就越大(附圖5)。這種速度梯度對應(yīng)伴生的“橫向壓力梯度”是輪轂邊界層內(nèi)的低動能流體的沿輪轂面由壓力面向吸力面作“橫向遷移運(yùn)動”(二次流)的主要動力源之一，對“端損失”的量值大小影響甚大。
綜上所述，子午流線斜率傾角δ對輪內(nèi)迴轉(zhuǎn)面葉柵流動的影響十分深廣，遠(yuǎn)非現(xiàn)有技術(shù)所認(rèn)識的只是對葉輪內(nèi)子午面流動的轉(zhuǎn)彎緩急程度不同造成的“轉(zhuǎn)彎損失”大小差異的影響，而是以旋度2ωsinδ的形式對整個輪內(nèi)迴轉(zhuǎn)面葉柵流場中的每一點(diǎn)處的流動施加轉(zhuǎn)速 的影響。此外，現(xiàn)有技術(shù)中的許多“混流式渦輪”設(shè)計，雖然葉輪葉片進(jìn)口邊已做成傾斜狀(與轉(zhuǎn)軸夾角為θ)，但由其噴嘴環(huán)葉片(或單、雙通道的無葉蝸殼)出口流出的按級流量平均分成二等分的“平均流速”的子午分速的流向，并不與葉輪的傾斜進(jìn)口邊相垂直，仍按徑流式渦輪設(shè)計的δ≈90°的方向流入該“混流式渦輪”的葉輪。對于這種“混流式渦輪”，其實(shí)質(zhì)仍是徑流式渦輪，輪內(nèi)流場不會有明顯改變。因此，一個正確、高效率的混流式渦輪級設(shè)計，僅關(guān)注葉輪的設(shè)計還不夠，還必須使噴嘴環(huán)或無葉蝸殼的設(shè)計與其形成良佳匹配，也即該噴嘴環(huán)或無葉蝸殼的構(gòu)造應(yīng)具有使其出口的平均流速的子午分速方向符合δ1≈(90°-θ)的流入葉輪方向的能力。
至于子午流線形狀第二項幾何要素——半徑差Δr＝(r1-r2)對輪內(nèi)迴轉(zhuǎn)面葉柵流場的影響，如同第一項幾何要素δ一樣，也是與轉(zhuǎn)速ω結(jié)合在一起施加的。輪內(nèi)迴轉(zhuǎn)面族中的各個迴轉(zhuǎn)面(由輪內(nèi)不同的子午流線繞同一轉(zhuǎn)軸軸心線迴轉(zhuǎn)形成)，它們的半徑差Δr＝(r1-r2)雖然彼此不同，但半徑差Δr對各個迴轉(zhuǎn)面上流動的影響方式是相同的。為了反映它對整個葉輪流動的影響，現(xiàn)選擇沿中間迴轉(zhuǎn)面(將輪轂迴轉(zhuǎn)面與輪緣迴轉(zhuǎn)面間的流量均分為二等分的中間迴轉(zhuǎn)面，它由葉輪子午流線族中的中間流線繞轉(zhuǎn)軸迴轉(zhuǎn)形成)為代表進(jìn)行分析。對于中間迴轉(zhuǎn)面，半徑差ΔR是葉輪進(jìn)口幾何平均半徑R1＝[(R1sh2+R1h2)/2]0.5與葉輪出口幾何平均半徑R2＝[(R2sh2+R2h2)/2]0.5間的差，ΔR＝(R1-R2)(附圖6)。
徑流式渦輪葉輪和混流式渦輪葉輪不同于軸流式渦輪葉輪的共同幾何特征是存在明顯的半徑差ΔR。它說明流過徑流、混流式渦輪葉輪時存在徑向位移或徑向流動。由于流體在高速轉(zhuǎn)動的葉輪中是由半徑較大的R1流向半徑較小的R2的“向心流動”，所以此流動過程必須克服“離心慣性力”(牽連慣性力)fcen→=dmω2r→]]>的反向作用才能實(shí)現(xiàn)(式中，dm是流體微元質(zhì)量)。離心慣性力對這一流動過程的作用?？梢杂盟鼘α黧w運(yùn)動所作的功來反映，也即對于單位質(zhì)量流體Lcen=∫R1R2fcen→·dr→=-∫R1R2ω2rdr=-ω2∫R1R2rdr=ω2(R12-R22)/2=(U12-U22)/2.]]>式中 ——牽連速度(圓周速度)，U→=ω→×r·→.]]>這就是確定流體流過葉輪作功量值大小的著名Euler方程(時輪機(jī)械基本方程)Lu＝(C12-C22)/2+(W22-W12)/2+(U12-U22)/2中的第三項組成項。
迄今為止，在國內(nèi)外數(shù)量眾多有影響的葉輪機(jī)械原理、葉輪機(jī)械流體動力學(xué)與渦輪增壓器的專著和教科書中，對(U12-U22)/2項的力學(xué)解釋存在錯誤的認(rèn)識；認(rèn)為是“Coriolis力”作功(其量值為U12-U22)的一部分；還認(rèn)為在徑、混流式渦輪葉輪內(nèi)流體的向心流動中，因“Coriolis力”的產(chǎn)生并不伴隨著氣流的轉(zhuǎn)向或附帶的摩擦損失，其多作的一部分有效功實(shí)質(zhì)上是不產(chǎn)生能量損失的。由此建立了設(shè)計渦輪葉輪的錯誤指導(dǎo)原則宜盡量加大葉輪進(jìn)口與出口的半徑尺寸差ΔR＝(R1-R2)，以使“Coriolis力”作功的量值在Euler方程確定的輪周功中所占比例的份額盡量大(詳見M.H.瓦夫拉著《渦輪機(jī)械中的氣動熱力學(xué)和流動》·北京·機(jī)械工業(yè)出版社·1984年8月·第112～115頁；И.И.基里洛夫著《燃?xì)廨啓C(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)裝置》上冊·北京·機(jī)械工業(yè)出版社·1959年·第157～158頁和他的另一著作《透平機(jī)械原理》·北京·機(jī)械工業(yè)出版社·1982年6月·第575～582頁；朱梅林主編《渦輪增壓器原理》·北京·國防工業(yè)出版社·1982年6月·第276～278頁；朱大鑫編著《渦輪增壓與渦輪增壓器》·北京·機(jī)械工業(yè)出版社·1992年11月·第179～181，224頁中的相關(guān)論述)。
造成上述錯誤觀念的原因是上述文獻(xiàn)在下述基本力學(xué)概念的認(rèn)識與應(yīng)用上出現(xiàn)了錯誤●將Coriolis加速度 視為作用在單位質(zhì)量流體上的“Coriolis力”，是將力學(xué)中完全不同的兩個概念——“力”和“加速度”混淆成同一概念。因?yàn)榉彩橇?，必須具備能用測力計直接測量的特性(見B·Γ·涅符茲格利亞多夫著(黃念寧譯)《理論力學(xué)》上冊·北京·人民教育出版社·1964年8月·第242頁)，“Coriolis力”不能用測力計直接測量，所以它不是力。在流體流過轉(zhuǎn)動葉輪流道的流動中，不存在“Coriolis力”，但卻存在Coriolis慣性力的作用。作用在單位質(zhì)量流體上的Coriolis慣性力fcor=-2ω→×W.→]]>●Coriolis慣性力存在于與葉輪固結(jié)在一起以角速度ω繞渦輪軸旋轉(zhuǎn)的相對坐標(biāo)系(非慣性系)中，它在流體流過葉輪流道作相對運(yùn)動時施加作用。因該力始終與相對運(yùn)動產(chǎn)生的位移ds→=W→dt]]>(由相對坐標(biāo)系測度)相垂直，所以其功恒等于零(Lcor=∫fcor→·ds→≡0).]]>在與渦輪級靜止件(殼體、噴嘴環(huán))固結(jié)在一起的絕對坐標(biāo)系(慣性系)中，Coriolis慣性力是不存在的。因而它對流體在絕對運(yùn)動中才存在的牽連位移dl→=U→dt=ω→×r→dt]]>(由絕對坐標(biāo)系測度)這一運(yùn)動過程是無法作功的。將分屬不同坐標(biāo)系存在的力和位移用乘積聯(lián)系在一起的量值是不具有Newton力學(xué)“功”的概念與意義的。
●Coriolis慣性力不是由于物體相互作用而產(chǎn)生的真實(shí)力。真實(shí)力與慣性力的不同在于真實(shí)力(譬如壓力、摩擦力、引力、電磁力、彈性力等)的存在不因坐標(biāo)系的選擇而改變，不論用何種坐標(biāo)系描述其作用都一樣；慣性力則因坐標(biāo)系的選擇而異。另一重要區(qū)別是真實(shí)力存在反作用力，慣性力則不存在反作用力。因而，Coriolis慣性力不能直接與渦輪葉輪的葉片之間產(chǎn)生作用力與反作用力的關(guān)系而發(fā)生功量的交換。事實(shí)上，葉輪機(jī)械是一種通過葉片與流體的相互作用實(shí)現(xiàn)功的交換使流體能級改變的機(jī)械。流體流經(jīng)旋轉(zhuǎn)葉輪時，它以壓力的形式作用于葉片面上，壓力的合力對渦輪軸產(chǎn)生力矩(扭矩)，在葉輪轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生功率。
實(shí)際上，可通過利用葉輪機(jī)械流體動力學(xué)中的動能定理導(dǎo)出Euler方程的過程，嚴(yán)格證明其組成項(U12-U22)/2確是離心慣性力的作功值。
下面繼續(xù)分析轉(zhuǎn)速ω和半徑差ΔR對渦輪葉輪內(nèi)流體運(yùn)動的影響。依能量方程(滯止轉(zhuǎn)焓沿同一流線守恒)和W2=ψW12+(i1-i2)-(U12-U22),]]>式中，W1，W2——分別是葉輪進(jìn)出、出口處的相對流速；(i1-i2)——葉輪進(jìn)、出口處流體的等熵焓差；ψ——葉輪內(nèi)流動速度損失系數(shù)。它說明在離心慣性力場(離心力場)的作用下，葉輪出口流速W2隨差值(U12-U22)的增大而減小。隨著(U12-U22)項的增大，W2不僅可以小于W1(減速擴(kuò)壓流動)，甚至可以減小至零(葉輪內(nèi)無流量通過)。這一狀況又凸顯了徑、混流式渦輪與軸流式渦輪的不同在軸流式渦輪中，只要輪內(nèi)存在焓差(i1-i2＞0)，葉輪內(nèi)就不會出現(xiàn)W2＜W1的擴(kuò)壓流動；對于徑、混流式渦輪，必須使(i1-i2)>(U12-U22)]]>才行。在渦輪葉輪內(nèi)，W2＜W1的流動是應(yīng)該防止的，否則沿流向?qū)⑹菙U(kuò)壓流動，會使邊界層增厚、分離，導(dǎo)致流動損失激增。由于U12-U22=ω2(R12-R22)=ω2(R1+R2)(R1-R2)=ω2(R1+R2)ΔR,]]>因此，為了控制輪內(nèi)流速在高轉(zhuǎn)速工況下的減速效應(yīng)和相應(yīng)伴生出現(xiàn)的渦輪葉輪前的壓力增升程度，最有效的措施是在設(shè)計葉輪流道的幾何形狀時控制徑差ΔR值要小，以限制(U12-U22)值超限。
顯然，ΔR減小會大幅度削弱輪內(nèi)離心力場的作用，從而使渦輪葉輪進(jìn)口處的流體壓力下降，并使噴嘴環(huán)前的流體壓力也相應(yīng)下降。這對應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓器的情況特別重要，因?yàn)闇u輪進(jìn)口壓力下降會導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)排氣背壓降低，而使活塞在排出廢氣時克服反壓作用的耗功減少——內(nèi)燃機(jī)燃油耗下降。
為了全面比較軸流、徑流和混流式渦輪彼此在輪內(nèi)流動的歧異，還必須對它們輪內(nèi)的“二次流”進(jìn)行分析、比較。渦輪葉輪內(nèi)部的“二次流”，主要包括輪轂迴轉(zhuǎn)面(對閉式葉輪還要包括輪緣迴轉(zhuǎn)面)上邊界層內(nèi)的低動能流體沿輪轂面(和輪緣面——閉式葉輪)自流道壓力面往吸力面“橫穿流道”的遷移流動；沿葉片表面，葉片面上的低動能流體自葉根(輪轂位置)往葉頂(輪緣位置)方向的遷移流動；以及半開式葉輪的輪緣迴轉(zhuǎn)面處的間隙漏氣與葉片刮擦靜止渦輪蝸殼內(nèi)殼壁配合間隙部位邊界層的流動，共三部分。軸流、徑流和混流式渦輪葉輪輪內(nèi)“二次流”的差異主要反映在第一部分上。徑流式渦輪和混流式渦輪的葉輪輪轂(輪緣)迴轉(zhuǎn)面上附著的低動能流體(相對流速WB≈0)，在壓差力、離心慣性力沿轂(緣)面的分力和Coriolis慣性力的聯(lián)合作用下沿輪轂(輪緣)迴轉(zhuǎn)面運(yùn)動。鑒于離心慣性力沿轂(緣)面的分力ω2r sinδ一般要比主流運(yùn)動產(chǎn)生的流道壓力面與吸力面間的壓力差(沿主流流線法向，由壓力面指向吸力面——壓差力作用方向)大，順主流流動方向壓差dp＝ρd[(ω2r2-W2)/2](式中ρ為流體密度)則較小，而Coriolis慣性力-2ω→×W→B]]>的量值很小(因WB很小)，所以轂(緣)面“二次流”的綜合效果是轂(緣)面邊界層內(nèi)低動能部分的流體沿轂(緣)面由半徑較小的近壓力面區(qū)向半徑較大的吸力面區(qū)的方向作遷移流動。由于轂(緣)面“二次流”的流向與主流呈“斜逆方向”，故在其沿轂(緣)面的遷移流動過程中不斷受到逆向主流的“沖刷”而匯入主流，不易出現(xiàn)分離流動造成大的流動損失。其次，轂面迴轉(zhuǎn)面的流道的圓周方向?qū)挾茸匀~輪進(jìn)口至出口收縮變化很大。這就致使流道截面通流寬度收斂梯度很大，主流加速程度增加，而流道壓力面與吸力面間的壓差自葉輪進(jìn)口至出口急劇減小，近葉輪出口相當(dāng)大區(qū)域的轂面流道面積很小，這些都給轂面迴轉(zhuǎn)面上“二次流”的存在和發(fā)展造成很大的限制。這也是與軸流式渦輪葉輪轂面(圓柱面)上“二次流”的生成、發(fā)展和影響根本不同的原因所在。在軸流渦輪葉輪轂面上的“二次流”是順主流遷移的“斜順方向”流動，它將轂面邊界層的低動能流體順主流向近出口的流道吸力面(葉片背面)堆積增厚并分離，造成量值頗大的“端損失”。
眾所周知，在三種類型的渦輪級中，當(dāng)通流部分的葉片高度足夠長(即級流量足夠大)時，軸流式渦輪級能達(dá)到的最高等熵效率值最高，混流式渦輪次之，徑流式渦輪最低。這主要是由于轉(zhuǎn)速的不利影響不同所致，而“端損失”因僅對輪轂和輪緣附近的基元級的流動損失有嚴(yán)重影響，這時按葉高長度平均其影響區(qū)所占比例尚小的緣故。隨著流量減少，葉片高度相應(yīng)減少，“端損失”在流動損失中所占比重也相應(yīng)增加，但因“端損失”影響的排序是對軸流式渦輪最重，混流式次之，徑流式最輕，故三者在效率最高值同步下降時互相接近。當(dāng)流量減少到使軸流式渦輪的葉片高度小到令其葉根(轂面)和葉頂(輪緣)兩個端部的“二次流”影響區(qū)占到整個葉高一定比例時，徑流式渦輪能達(dá)到的最高效率值會超過軸流式渦輪。而當(dāng)軸流式渦輪葉片根，頂兩個端部的“二次流”影響區(qū)匯合在一起時，軸流式渦輪級的最高等熵效率值就急劇下降，此時它已不宜在此小流量工況下工作，應(yīng)代之用徑、混流式渦輪。
自增加葉片高度減少“端損失”提高渦輪級最高等熵效率值的觀點(diǎn)看，增加葉片進(jìn)口邊的軸向?qū)挾群蛢A斜角θ值，使混流渦輪葉輪進(jìn)口邊的葉片高度進(jìn)一步增大是有利的。這一措施也適用于噴嘴環(huán)葉片的出口邊和葉輪的出口邊(加大傾斜角γ)。
綜前所述，葉輪轉(zhuǎn)速(角速度 )是使軸流、徑流和混流式渦輪葉輪流場彼此產(chǎn)生歧異的最重要的工況因素。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)高，離心慣性力對輪內(nèi)流動的不利影響越大?；炝魇綔u輪葉輪的結(jié)構(gòu)較徑流式渦輪葉輪的結(jié)構(gòu)更有利于削弱離心慣性力的作用，因而可在有效抑制了離心慣性力影響的合理設(shè)計中使混流式渦輪級的最高等熵效率明顯比徑流式渦輪級高。
基于同樣的理由可以說明對于輪徑尺寸相近的徑流式渦輪與混流式渦輪效率隨轉(zhuǎn)速(膨脹比)變化的比較，為什么二者的等熵效率差值在高轉(zhuǎn)速時要比低轉(zhuǎn)速時大？以及可以說明為什么軸流，徑流和混流式渦輪級在流量大但轉(zhuǎn)速相對較低的工況所能達(dá)到的最高等熵效率值卻非常接近？這一狀況，近年來在大、中型的渦輪增壓器的應(yīng)用上，特別令人矚目。在這些應(yīng)用于大、中功率柴油機(jī)的渦輪增壓器的渦輪級，因流量大(葉片長、葉輪輪緣直徑大)，致令產(chǎn)生同一增壓比(與葉輪輪周速度U1＝ωR1的平方成正比)的角速度ω值遠(yuǎn)較達(dá)到同一壓比的小流量(小輪徑)葉輪所需要的角速度低，故可使徑、混流渦輪級的效率得到明顯增升而接近軸流式渦輪的效率。從而有可能令一部分效率高的混流式和徑流式渦輪，因其簡化了的結(jié)構(gòu)和低制造成本但使用性能卻不明顯降低的優(yōu)點(diǎn)，擠入原本全由軸流式渦輪占據(jù)的這一應(yīng)用領(lǐng)域而形成一種新發(fā)展趨勢。
在前面分析，對比了葉輪幾何參數(shù)和葉輪轉(zhuǎn)速對輪內(nèi)流動影響的基礎(chǔ)上，本發(fā)明建立獲得高效率混流式渦輪葉輪子午剖面構(gòu)造形狀的重要幾何參數(shù)合理薦用范圍如下R2sh≤R1sh；R2‾=R2/R1=0.73~0.93;]]>θ＝20°～70°；γ＝-15°～30°；B＝B/(2R1)＝0.45～0.60；l1‾=l1/(2R1)=0.16~0.25.]]>其中， ——葉輪葉片出口邊幾何平均半徑R2與葉輪葉片進(jìn)口邊幾何平均半徑R1的比值。其值反映了葉輪葉片進(jìn)、出口邊幾何平均半徑差ΔR＝(R1-R2)相對葉輪葉片進(jìn)口邊幾何平均半徑R1的量值大小，R2‾=1-ΔR/R1.]]>θ——葉輪葉片進(jìn)口邊與轉(zhuǎn)軸軸心線間的夾角。它近似反映了輪內(nèi)子午流線在葉輪葉片進(jìn)口斜邊上的斜率傾角δ1≈(90°-θ)的量值大小；B——葉輪葉片通流部分的軸向長度B與葉輪葉片進(jìn)口邊幾何平均直徑D1m=2R1]]>的比值。增大B，可增加子午流線斜率傾角δ自葉輪進(jìn)口至葉輪出口變化的平緩； ——葉輪葉片進(jìn)口傾斜邊長度l1與葉輪葉片進(jìn)口邊幾何平均直徑D1m的比值。其量值即為葉片的相對高度值。
γ——葉輪葉片出口邊與半徑方向的夾角。增大γ角，會使葉片出口邊長度增`加，葉片流道出口喉部寬度增加(出口面積增大)。
至今，現(xiàn)有技術(shù)尚未對混流式渦輪葉輪的幾何參數(shù)選擇推出過系統(tǒng)、完整的薦用范圍，只有個別設(shè)計、應(yīng)用的實(shí)例報導(dǎo)?；炝魇綔u輪作為徑流式渦輪在高比轉(zhuǎn)速情況下的一種改進(jìn)，它們的參數(shù)選擇都是參照徑流式渦輪的相應(yīng)幾何參數(shù)推薦范圍取其上限再適當(dāng)放大改用的。現(xiàn)有技術(shù)徑流式渦輪葉輪幾何參數(shù)的薦用范圍如下R1＝R1sh＝R1h；R2sh/R1＝0.7～0.86；R2/R1＝0.5～0.6；θ＝0°；B＝B/(2R1)＝0.31～0.36；l1‾=l1/(2R1)=0.08~0.15;]]>γ＝0°～10°。
對比本發(fā)明與徑流式渦輪葉輪幾何參數(shù)的薦用范圍，可看出本發(fā)明薦用的混流式渦輪葉輪的幾何參數(shù)均較現(xiàn)有技術(shù)徑流式渦輪的薦用值有大幅度的增加，顯示了高效率混流式渦輪葉輪形狀向軸流式渦輪葉輪形狀接近的趨向。
鑒于本發(fā)明設(shè)計的混流式渦輪葉輪，其輪轂出口半徑R2h值一般都較大，為了回收排氣能量減少余速損失，宜采用排氣擴(kuò)壓器(安裝在渦輪葉輪出口，與渦輪出氣殼連接在一起)。一個設(shè)計良好的排氣擴(kuò)壓器約可提高渦輪級效率3～5％。顯然，在輔以渦輪噴嘴環(huán)葉片(或單、雙流道無葉蝸殼)出口平均流動的流向與葉輪葉片進(jìn)口流向相一致(即近似沿垂直于葉片進(jìn)口邊的方向流入葉輪)，并在葉輪出口安裝了設(shè)計良好的排氣擴(kuò)壓器的附加措施下，依本發(fā)明推薦的混流式渦輪葉輪幾何參數(shù)選擇范圍設(shè)計的混流式渦輪葉輪，與現(xiàn)有技術(shù)的徑流和混流式渦輪相比，因ΔR值和δ值的大幅下降與l1的增加使轉(zhuǎn)速和“二次流”對輪內(nèi)流動的不利影響大大削弱，從而保證了本發(fā)明設(shè)計的混流式渦輪級獲得更高效率——本發(fā)明的效果。


圖1a為混流式渦輪葉輪輪內(nèi)流場的子午流線分布示意圖。圖中示出了形成輪轂迴轉(zhuǎn)面流面、輪緣迴轉(zhuǎn)面流面，以及將輪內(nèi)流量二等分的中間(平均、中心)迴轉(zhuǎn)面流面的子午流線(迴轉(zhuǎn)面母線)的位置和形狀。其中，輪轂、輪緣迴轉(zhuǎn)面流面分別由葉輪輪轂和輪緣的子午面廓線繞葉輪轉(zhuǎn)軸軸心線迴轉(zhuǎn)形成。中間迴轉(zhuǎn)面流面的子午流線(母線)在葉輪葉片的進(jìn)、出口邊分別穿過它們的幾何平均半徑點(diǎn)a和b。圖1b為任意迴轉(zhuǎn)面上渦輪葉柵的示意圖。
圖2為混流式渦輪葉輪輪內(nèi)流場中的任意一條子午流線(迴轉(zhuǎn)面流面母線)S上任意一點(diǎn)A的斜率傾角δ＝arctg(dr/dz)。δ是子午流線S上A點(diǎn)處的切線與轉(zhuǎn)軸軸心線間的夾角。子午流線在葉輪進(jìn)、出口的半徑差Δr＝(r1-r2)。
圖3為流體沿任意迴轉(zhuǎn)面流動時，任意一點(diǎn)A處旋度 在該處迴轉(zhuǎn)面法線 方向的分矢量與葉輪轉(zhuǎn)動角速度矢量 在A點(diǎn)法線 方向分矢量的關(guān)系(二者轉(zhuǎn)向相反，旋度分矢量的量值為2ωsinδ)。
圖4為任一流量為G、轉(zhuǎn)速為 工況下繞流任意迴轉(zhuǎn)面葉柵的流動可以分解為一個流量G的流體繞流不轉(zhuǎn)動(ω＝0)的同一葉柵的通流流動與另一個流量為零(G＝0)但轉(zhuǎn)向與 在該迴轉(zhuǎn)面法線方向的分矢量方向相反，渦強(qiáng)為2ωsinδ的變強(qiáng)度環(huán)流在同一迴轉(zhuǎn)面葉柵流道內(nèi)流動的疊加。圖中示出的是流動合成示意圖。
圖5為圖4所示迴轉(zhuǎn)面葉柵流道中兩個流動的速度疊加示意圖。圖中1——流道吸力面；2——流道壓力面。
圖6為混流式渦輪級(由噴嘴葉片環(huán)與葉輪組成)示意圖及葉輪子午剖面主要幾何尺寸標(biāo)注圖。
圖7a為本發(fā)明技術(shù)適用的混流式渦輪葉輪結(jié)構(gòu)示意圖。圖7b為本發(fā)明技術(shù)構(gòu)造的混流式渦輪半開式葉輪子午剖面構(gòu)造形狀的一個示例。
具體實(shí)施例方式
以下，通過實(shí)施例與結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容作進(jìn)一步的描述。
圖7a示出的是本發(fā)明技術(shù)適用的混流式渦輪葉輪結(jié)構(gòu)示意圖。該渦輪葉輪是一種斜流式向心渦輪葉輪——流體沿與半徑方向成θ角的斜向“向心”流入葉輪進(jìn)口，然后轉(zhuǎn)向軸向流出葉輪出口。這種混流式渦輪級在渦輪增壓器、透平膨脹機(jī)及小型燃?xì)廨啓C(jī)裝置中有頗多應(yīng)用。圖7a示出的是一閉式葉輪結(jié)構(gòu)，它是由輪蓋(輪緣)5、葉片4和輪盤(輪轂)3三部分通過精密鑄造結(jié)合成一體的整體結(jié)構(gòu)葉輪。若去掉輪蓋5，則該葉輪就成一個半開式葉輪。閉式葉輪效率高但強(qiáng)度低；半開式葉輪則強(qiáng)度高而效率稍低，因而半開式葉輪應(yīng)用更廣泛。在設(shè)計葉片形狀時，必須使渦輪葉輪葉片進(jìn)口傾斜邊上的流入角分布符合所選定的設(shè)計工況下的葉輪進(jìn)口速度三角形對進(jìn)口傾斜邊上流入角的分布要求，以免產(chǎn)生大的沖角損失，降低渦輪效率。一般，選擇葉片進(jìn)口邊幾何平均半徑位置a處的流入相對速度 與葉片進(jìn)口邊的平均子午流速 相同，即W1→=W→1m.]]>這樣，依速度三角形知， 的相對流入角β1＝90°，而輪轂和輪緣位置處的流入葉輪的相對速度 和 的相對流入角則因R1h＜R1＜R1sh(即U→1h<U→1<U→1sh]]>)而分別使β1h＜90°和β1sh＞90°——在葉輪葉片進(jìn)口傾斜邊上構(gòu)成“前彎后掠型”的進(jìn)口角分布要求。這一分布可在現(xiàn)有技術(shù)通用的徑流式渦輪葉輪葉片成型——徑向直紋拋物面葉片造型方法上再附加實(shí)施進(jìn)口邊斜切和調(diào)整基準(zhǔn)面上的拋物線準(zhǔn)線形狀加以實(shí)現(xiàn)。若再改動W→1=W→1m]]>點(diǎn)在葉片進(jìn)口傾斜邊上的位置，可獲得更多型式的進(jìn)口角分布變化。在調(diào)整葉片進(jìn)口傾斜邊的流入角時，只應(yīng)計算用與傾斜進(jìn)口邊垂直的平面剖切出的葉型的中線在進(jìn)口邊處的切線與葉輪圓周向的夾角作為該位置的相對流入角；不應(yīng)計入葉片厚度的影響，將葉型吸力面(或壓力面)在進(jìn)口邊處的切線與葉輪圓周向的夾角作為該位置的相對流入角β1。因?yàn)橛醚厝~型前緣中線的切線方向計算相對流入角，它既計入了吸力面?zhèn)群穸茸兓瘜θ~型進(jìn)口型線形狀的影響。也同樣計入了壓力面?zhèn)群穸茸兓挠绊?，這樣要比片面地僅只考慮吸力面?zhèn)?或壓力面?zhèn)?單側(cè)的厚度變化對葉型前緣幾何形狀的影響、用葉型前緣的吸力面(或壓力面)切線與葉輪圓周向的夾角計算相對流入角的方法更合理、更符合實(shí)際。因此，在葉輪葉片造型時，涉及流入角調(diào)整計算時，只需對葉片中脊面的形狀調(diào)整即可，葉片厚度分布調(diào)整不應(yīng)介入。
圖7b示出的是一個按本發(fā)明技術(shù)構(gòu)造的混流式渦輪半開式葉輪子午剖面形狀的示例，所選用的幾何參數(shù)如下
R1＝1；R2‾=0.86;]]>θ＝45°；B＝0.55；l1‾=0.2;]]>γ＝15°。
D‾1h=D1h/D1m=1-(l1‾sinθ)2-l1‾sinθ=0.84853;]]>D1m＝2R1＝2；D2m＝2R2；D‾1sh=D1sh/D1m=D‾1h+2l1‾sinθ=1.13137;]]>取D2sh＝0.98D1sh及D2h‾=D2h/D1m=2D‾2m2-D‾2sh2=0.5;]]>l2‾=l2/D1m=(D‾2sh-D‾2h)/(2cosγ)=0.31509;]]>l2‾/l1‾=1.5754;]]>(U‾12-U22)/2=ω2(1-R‾22)D21m/8=0.03255ω2D21m.]]>對于一個典型的現(xiàn)有技術(shù)徑流式渦輪葉輪設(shè)計D1sh＝D1m＝D1h，D2sh＝0.85D1m，D2h＝0.4D2sh＝0.34D1m，D2m＝[(D22sh+D22h)/2]0.5＝0.64734D1m，R2＝D2m/D1m＝0.64734，(U12-U22)/2=ω2(1-R‾22)D1m2/8=0.0726ω2D1m2]]>設(shè)本發(fā)明設(shè)計的混流式渦輪葉輪與上述現(xiàn)有技術(shù)徑流式渦輪葉輪的輪徑D1m相同并在同一轉(zhuǎn)速工況工作，則知混流式渦輪葉輪中的向心流動須克服離心力的功要比徑流式渦輪葉輪小得多——二者比值為0.45∶1，即混流式渦輪葉輪的構(gòu)造大大削弱了離心力場對其輪內(nèi)流動的不利影響。
通過本例分析，可知R2值對輪內(nèi)流場影響的重要性。采用θ值大的葉輪結(jié)構(gòu)，雖然主要是為減小葉輪進(jìn)口的δ值，但它伴生的R1值下降引起的R2值增加對輪內(nèi)流場的有利影響也同樣不容忽視。
自本實(shí)施例的葉輪子午剖面的流道幾何形狀看，混流式渦輪作為徑流式渦輪在高比轉(zhuǎn)速工況下為獲得高效率的一種改進(jìn)形式，它的葉輪子午形狀(尤其是中間迴轉(zhuǎn)面至輪緣迴轉(zhuǎn)面部分)已非常接近軸流式渦輪葉輪。
權(quán)利要求
1.一種混流式渦輪葉輪(閉式葉輪由葉片4、輪盤3和輪蓋5三部分構(gòu)成；半開式葉輪由葉片4、輪盤3構(gòu)成)，其特征在于葉輪葉片通流部分的軸向長度B與葉輪葉片進(jìn)口邊幾何平均直徑D1m＝2R1的比值B＝B/D1m的擇用范圍為B＝0.45～0.60；葉輪葉片出口邊幾何平均半徑R2與葉輪葉片進(jìn)口邊幾何平均半徑R1的比值R2＝R2/R1的擇用范圍為R2＝0.73～0.93。
2.按權(quán)利要求1所述的葉輪，其特征在于葉輪葉片進(jìn)口邊與轉(zhuǎn)軸軸心線間的夾角θ的擇用范圍為θ＝20°～70°；葉輪葉片進(jìn)口傾斜邊長度l1與葉輪葉片進(jìn)口邊幾何平均直徑D1m的比值l1＝l1/D1m的擇用范圍為0.16～0.25；葉輪葉片出口邊與半徑方向的夾角γ＝-15°～30°。
全文摘要
本發(fā)明公開了內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓器、中小型燃?xì)廨啓C(jī)裝置、化工與制冷(氣體液化與分離)設(shè)備中透平膨脹機(jī)用的一種混流式渦輪半開式(或閉式)葉輪。通過流場分析，本發(fā)明闡明了葉輪轉(zhuǎn)動角速度ω、輪內(nèi)子午流線斜率傾角δ及子午流線在葉輪進(jìn)、出口的半徑差Δr是對輪內(nèi)流動有重要影響的工況因素和幾何因素。同時還糾正了現(xiàn)有技術(shù)中流傳深廣的“Coriolis力作功”的錯誤觀念及相應(yīng)伴生的葉輪設(shè)計錯誤指導(dǎo)原則。在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明建立了在高比轉(zhuǎn)速工況下獲得高效率的混流式渦輪葉輪子午剖面構(gòu)造形狀重要幾何參數(shù)的選擇薦用范圍。
文檔編號F01D5/14GK101050710SQ20061002550
公開日2007年10月10日 申請日期2006年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者孫敏超, 孫正柱 申請人:孫敏超