CN103403298B - 涡轮机叶轮、涡轮机及其使用 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于低压力比应用的涡轮机叶轮。所述叶轮的出口面积（A2）与所述叶轮的入口面积（A1）的比值小于大约0.4。在一实施例中，所述叶轮是径流式或混流式叶轮。

Description

涡轮机叶轮、涡轮机及其使用

技术领域

本发明涉及一种涡轮机叶轮和涡轮机、涡轮复合单元以及包括这种涡轮机叶轮的排气系统。本发明还涉及这些项目中的一个、多个或全部的使用。

背景技术

涡轮机是连接到轴的装置，来自工作流体的能量能够通过涡轮机被转移至轴。在不同类型的涡轮机中，径流式涡轮机是流动沿径向方向进入并在转子通道中转向至沿轴向方向流出的涡轮机。在混流式涡轮机中，流动具有径向分量和轴向分量地进入，但通常主要沿径向方向。径流式和混流式涡轮机的这种特征使其适合于需要压缩式功率源的应用中。其主要应用可以被分成三个主要领域：汽车、航空航天、船舶，用于功率生产以及其他合适的能量回收应用，在这些应用中，径流式涡轮机通常作为涡轮增压器的一部分。

由于涡轮增压器较其他能获得的装置体积更小，重量更轻且价格更低廉，因此涡轮增压技术成为对往复式内燃机增压的最普遍的方式。对内燃机增压的主要目的是提高功率密度。增压可定义为将空气（或空气/燃料混合物）以比环境更高的密度引入发动机气缸。由此，更大数量的燃料能够在一个发动机循环中燃烧，结果导致输出功率的提高。在涡轮增压器应用中，输出功率的提高通过利用燃烧产生的废气驱动涡轮机进而驱动压缩机来实现。由此回收了可能被浪费的废气的能量。

涡轮增压器由三个主要元件构成：压缩机，支撑外壳和涡轮机。图1示出了典型涡轮增压器的设计。该涡轮增压器具有压缩机涡管（CS）、叶轮（I）、轴（S）、涡轮蜗壳（TH）以及涡轮机叶轮（W）。图2示出了涡轮增压器的工作原理，其中示出了发动机（E）、进气歧管（IM）、排气歧管（EM）、涡轮机（T）、压缩机（C）和轴（S）。随着废气快速从发动机汽缸（E）排出并流入排气歧管（EM），废气被导入涡轮机（T）。当该气体流经涡轮外壳（TH）时，其与涡轮机叶轮（W）接触。当气体经该气流路径并流入排气下管时，气体使涡轮机叶轮旋转，将其部分动能分配给涡轮增压器。通过连接轴（S），在膨胀过程中获得的能量被转移至压缩经叶轮（I）进入的空气的压缩机（C）。被压缩的空气然后流入压缩机涡管（CS），在压缩机涡管中被进一步压缩并最终经进气歧管（IM）被挤入发动机气缸。在涡轮机中膨胀后离开涡轮机的废气通常被导入排气尾管并随后排放到周围环境中。但是离开涡轮机的废气仍然具有一部分能量，该能量能够被提取以进一步提高发动机性能。使用进一步的设备以完成该任务通常被称为“涡轮复合技术”。

与涡轮增压器不同（从废气提取的能量被直接转移至压缩机），涡轮复合单元由废气驱动涡轮机构成，该废气驱动涡轮机将从废气中回收的能量直接转移至曲轴（机械涡轮复合）或通过轴转移至供应电池的发电机（电动涡轮复合）。然而，应当理解的是有效的废气对涡轮复合装置的压力并不大，这是因为大部分的膨胀已经在涡轮增压器的涡轮机中发生了。涡轮复合单元必须在非常低的压力比下运行，例如在入口压力与出口压力的比值介于大约1.02和1.2之间的情况下运行。当前市场上可利用的径流式和混流式涡轮机设计为在较高压力比下运行，因此它们通常提供范围在0.9至1.0的最大标准化全静效率。图3对此作了展示，图中示出了用于传统涡轮增压器涡轮机的典型的涡轮机特性曲线（turbine map）。从图3可知，在压力比（PR）大于1.2的区域，涡轮机性能大约为0.9。但是，一旦压力比下降至低于1.2，涡轮机标准化全静效率值急剧下降至0.6以下。该趋势对于当前存在于市场中的所有径流式和混流式涡轮机是普遍的。由于标准化全静效率低于0.6的涡轮机不适合在能量回收应用中使用，因此现存的涡轮机不适合在低压力比下的涡轮复合技术中使用。

因此本发明的目标是解决现有技术中的这个不足。

发明内容

本发明目标在于通过对径流式或混流式涡轮机叶轮提供新的特征组合以解决现有技术的不足。

已经并通过计算分析和实验研究开发并验证了一种提供高性能低压力的涡轮机的方法。

根据本发明的第一部分，提供了一种用于低压力比应用的涡轮机叶轮，其中所述叶轮的出口面积（A2）与所述叶轮的入口面积（A1）的比值小于大约0.4。

所述入口面积可以被限定为通过围绕涡轮机叶轮的轴线旋转一个涡轮机叶片的第一边缘所画出的面积，所述第一边缘是被布置为毗邻入口的边缘。所述出口面积可以被限定为通过围绕涡轮机叶轮的轴线旋转一个涡轮机叶片的第二边缘所画出的面积，所述第二边缘为被布置为毗邻出口的边缘。所述入口和/或出口可以分别是护罩的入口和出口，该护罩至少部分地覆盖涡轮机叶轮。

比值A2/A1可以是介于大约0.3和大约0.4之间。

根据本发明的第二方面，提供了一种涡轮机，该涡轮机包括如上所限定的涡轮机叶轮，还包括至少部分覆盖所述涡轮机叶轮以限定涡轮机的入口和出口的护罩。

毗邻出口的叶片根部的半径与毗邻出口的叶片尖端的半径的比值可以小于大约0.7，也可以介于大约0.2和大约0.7之间。作为所述两个半径的比值的替换，可以使用毗邻出口的涡轮机叶轮的轮毂的半径（R3）与由所述护罩限定的出口的半径（R4）的比值，该值大约仅仅基于所述根部半径给出，大多数情况下，所述根部半径基本上等于轮毂半径，大多数情况下所述尖端半径基本上等于出口半径。

毗邻出口的叶片尖端的半径与毗邻入口的叶片尖端的半径的比值可以小于大约1.0，也可以介于大约0.6和大约0.9之间。作为所述两个半径的比值的替换，可以使用由所述护罩限定的出口的半径（R4）与由所述护罩限定的入口的半径（R1）的比值，该值大约仅仅基于相应半径给出，大多数情况下，所述相应半径基本上相等。

出口相对气流角可以小于大约-55度，也可以介于大约-41度和大约-55度之间。

涡轮机叶轮可以是径流式涡轮机叶轮；涡轮机叶轮可以是混流式涡轮机叶轮。因此，涡轮机可以是径流式涡轮机；涡轮机可以是混流式涡轮机。

根据本发明的第三方面，提供了包括上文所限定的涡轮机的涡轮复合单元。

根据本发明的第四方面，提供了包括上文所限定的涡轮机的排气系统。该排气系统可以包括涡轮复合单元，所述单元包括所述涡轮机。排气系统还可以包括涡轮增压器。该涡轮增压器可以定位于涡轮机上游的排气流中。排气系统可以是用于车辆的排气系统。可以想象地，其可以是用于任何应用的排气系统。其可以是用于引擎的排气系统。

根据本发明的第五方面，提供了上文所限定的涡轮机叶轮在压力比小于大约1.2的流动中的使用。该压力比可以介于大约1.02和大约1.2之间。所述使用可以在上文所限定的排气系统中。

与商用上可用的涡轮增压器涡轮机不同，新设计的涡轮机能够在非常低的压力比（PR≈1.02-1.2）下高效运转。在涡轮机特性曲线中的该低压力比区域中，标准涡轮增压器涡轮机经历了大的效率下降。这在图3中示出，其中显而易见地，在低压力比（对应于高速度比）下，标准涡轮机无法在标准化全静效率下降至0.8以下时提供恰当的响应。相比之下，在涡轮机特性曲线的该区域中，本文所提出的高性能低压涡轮机能够成功获得更高的标准化全静效率。在至少某些实施例中，该标准化效率大于0.9。

以当前的涡轮机设计，转子的入口和出口之间的面积比的优化以及出口相对气流角的合适选择能够使其达到在设计速度下大约1.0至1.1的最大标准化全静效率。

除了可以应用在汽车行业外，低压力比涡轮机能被使用于其他的功率生产应用，其中大的涡轮增压引擎的使用以及远距离下恒定的运行条件，将会使低压力比涡轮机获高度期望。

至少某些实施例还提供如下优点：

·从低能量含量的废气中提取相当大量的功率的能力；

·对不同应用如汽车、航空航天、船舶、电力生产系统和其他合适能量回收应用的适应能力；

·加强我们的观念对当前技术开发出改进方案的可能性。理想地，该系统还能够在引擎项目的早期阶段被预期；

·将本发明整合到“更加电动”的传动系中的可能性，其中所回收的额外的能量被转化为可用于其他系统（辅助设备，增压作用等）的电能；

·升级至应用所需的更高额定功率的可能性（本系统由于高的引擎结构精简以及对电力系统（发电机/电池）的限制而具有有限的低的功率回收率）。

附图说明

下面将仅通过示例并参照附图对本发明的特定实施例进行描述，其中：

图1示出了现有的涡轮增压器设计；

图2示出了涡轮增压引擎的典型布置；

图3是示出标准化全静效率（竖直轴线）与压力比（PR）（水平轴线）之间关系的涡轮机特性曲线。全静效率曲线被标绘用于在图例中由根据相等比例速度给出的速度参数（SP）表示的等速线。该图给出了现有技术应用中可获得的标准化全静效率与由本发明的实施例（LPT设计）获得标准化的全静效率之间的比较；

图4是表示叶片载荷系数（ψ）（竖直轴线）和流量系数（Φ）（水平轴线）之间的关联的图标，其上带有涡轮机全静效率（虚线）；

图5是实施本发明的涡轮机叶轮的轴向图，并且还示出了在涡轮机叶轮的入口（1）处的流速三角形。在该图中示出了绝对流速（C1）、相对流速（W1）、圆周速度（U1）、绝对气流角（α1）以及相对气流角（β1）；

图6示出了绝对气流角（α1）（水平轴线）和标准化涡轮机全静效率（竖直轴线）的关系；

图7是实施本发明的涡轮机叶轮的轴向图，并且还示出了涡轮机叶轮的出口（2）处的流速三角形。在该图中示出了绝对流速（C2）、相对流速（W2）、圆周速度（U2）、绝对气流角（α2）以及相对气流角（β2）；

图8示出了出口相对气流角（β2）（水平轴线）和标准化涡轮机全静效率（竖直轴线）的关系；

图9示出了在纵向平面上投影获得的叶片轮廓。

图10示出了出口相对气流角（β2）（水平轴线）与出口半径（R4）和入口半径（R1）的比值以及出口轮毂半径（R3）和出口护罩半径（R4）的比值（竖直轴线）的关系；

图11是实施本发明的涡轮机叶轮的轴测图：在设计中已经考虑到的涡轮机的入口面积（A1）和出口面积（A2）由虚线区域表示；

图12示出了出口相对气流角（β2）（水平轴线）与涡轮机的出口面积（A2）和入口面积（A1）的比值（A2/A1）（竖直轴线）之间的关系；

图13示出了涡轮机的出口面积（A2）和入口面积（A1）的比值（A2/A1）（水平轴线）与标准化涡轮机全静效率之间的关系；

图14示出了径流式涡轮机和混流式涡轮机的差别。

具体实施方式

现将对低压涡轮机的设计进行描述。该无量纲的设计流程旨在确定总体涡轮机构造。

参照图4至14对本发明的实施例进行描述。

首先通过两个参数，叶片载荷系数Φ和流量系数ψ对涡轮机结构进行描述。叶片载荷系数和流量系数是两个无量纲参数，ψ被定义为实际焓变（U2·C2·tanα2-U1·C1tanα1）与圆周速度（U1）的平方之比，而Φ被定义为绝对流速（CM1）的子午分量（meridional component）与圆周速度（U1）之比。如图4所示，叶片载荷系数和流量系数与全静效率仅有一种关联方式。

图4示出了，最佳的全静效率区域落在流量系数为0.1至0.3且叶片载荷系数为0.7至1.1的范围内。

这限制了绝对气流角（α1）（图5）的值，以具有低于大约80度的值。这成为首要条件。

该条件如图6所示，其中关于绝对气流角标绘出全静效率。该图显示，全静效率随α1增加而增加。但是，由于将导致绝对流速（C1）沿切线方向，且将导致高的冲角损失，因此α1的值不能选择过高。这被称为“第二条件”。

上述的条件限制了叶片的数量在8到13之间变化。这保证了可制造性并避免了在涡轮机出口处叶片的拥挤。

所有前述条件必须满足低压力比条件（PR≈1.02-1.2），这限定了叶轮几何形状使其与微型径流式/混流式涡轮机的现有技术应用不同。

此外通过估计转子的排流条件来实现涡轮机的改进。这通过相对于涡轮机全静效率（竖直轴线）改变出口相对气流角（β2）（水平轴线）来确定，如图8所示。

从图8可知，全静效率随出口相对气流角β2的增加而增加。因此β2的值应当设置地尽量高。然而高的β2会增加流分离和二次流的量，这增大了全静效率的损失，进而限制了涡轮机的运行范围。

因此需要限定最佳的出口相对气流角（β2），以防止流分离及回流的发生但仍然保持较高的全静效率。

β2的选择对转子叶轮的几何形状具有直接的影响。图9给出了限定该几何形状的几何参数。

在该图中，显示了涡轮机叶轮的前缘的半径（R1和R2）和后缘的半径（R3和R4）。

R1:转子护罩直径（前缘）

R2:转子轮毂直径（前缘）

R3:转子轮毂直径（后缘）

R4:转子护罩直径（后缘）

图10显示了出口相对气流角β2和叶轮几何形状之间的相互关系，图中对于不同的出口相对气流角（β2）确定了轮毂出口半径（R3）与护罩出口半径（R4）的比值。图10显示了半径比R3/R4随出口相对气流角的增加而增加，并且这对应于全静效率的增加（图7）。

所述半径比R3/R4的值必须保持在0.2和0.7之间的范围内：R3/R4的值小于0.2会限制轴的强度，而R3/R4的值大于0.7则对应于大的轮毂从而增加了叶轮的惯性。

上述β2和R3/R4的选择还限定了涡轮机叶片的出口到入口的条件。护罩出口半径（R4）和护罩入口半径（R1）的比值被估算并相对于出口相对气流角（β2）被标绘出，如图10。图10显示了半径比R4/R1随β2线性变化并且不能超过1.0，这是因为这将导致经过叶轮的膨胀过大。因此半径比R4/R1必须在0.6和0.9之间变化。

为了在满足低压力比条件下同时保持高的全静效率，上文列出的条件能够通过使出口面积（A2）与入口面积（A1）的比值保持较低而实现，如图11所示。

图12显示了面积比（A2/A1）（竖直轴线）随出口相对气流角（β2）的变化。该图显示，为了满足β2所需的流量条件，必须使面积比保持为低值。该条件与涡轮机的全静效率直接相关，如图13所示。该图显示了A2/A1的增加导致全静效率的增加。

作为出口相对气流角β2和所述面积比A2/A1之间的直接关联的结果，在A2/A1低于0.4时获得最大全静效率条件。

上文列出的条件确定了在低压力条件下运行的径流式或混流式涡轮机叶轮的叶片几何形状。护罩入口半径（R1）、入口护罩出口半径（R4）、轮毂出口半径（R3）、出口相对气流角（β2）和面积比条件（A2/A1）唯一地限定了叶片几何形状。

一旦限定了轮毂和护罩的几何结果，则使用标准四次贝塞尔多项式曲线来限定从轮毂直到护罩的叶片轮廓，并产生单一的脊线形曲线（camber-linecurve）。

叶片几何形状最终通过使用径向纤维叶片设计方法完成。径流式涡轮机和混流式涡轮机之间的区别在于涡轮机入口处的锥角（图14）。通过限定，径流式涡轮机具有βB=0的入口叶片角，并且叶片径向纤维条件将锥角限定为固定在在混流式涡轮机中，能够通过径向掠过径流式涡轮机的入口叶片但仍然保持径向纤维条件（以及βB≠0°）来克服0°叶片角限制。此外，在径流式涡轮机中，护罩入口半径（R1）等于轮毂入口半径（R2），R1=R2。但是无论设计的径流式涡轮机还是混流式涡轮机，该过程保持不变。

应该意识到，本文公开的调整比值A2/A1以使其低于大约0.4的方法与已建立的改变涡轮机性能的方法形成对比。特别地，应理解的是已建立的方法教导了对涡轮机叶轮以及涡轮护罩的轮廓的再成形，并且没有启示考虑比值A2/A1或者改变涡轮机从而使得该比例低于大约0.4，以提出特别适于低压力比应用的涡轮机。

本发明应用于径流式涡轮机和混流式涡轮机两者。

Claims (15)

1.一种用于低压力比应用的涡轮机叶轮，其中所述叶轮的出口面积(A2)与所述叶轮的入口面积(A1)的比值小于0.4；

其中，所述入口面积是通过围绕涡轮机叶轮的轴线旋转一个涡轮机叶片的第一边缘所画出的面积，所述第一边缘是被布置为毗邻入口的边缘；并且

其中，所述出口面积是通过围绕涡轮机叶轮的轴线旋转一个涡轮机叶片的第二边缘所画出的面积，所述第二边缘为被布置为毗邻出口的边缘。

2.根据权利要求1所述的涡轮机叶轮，其中比值A2/A1介于0.3和0.4之间。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮机叶轮，其中毗邻所述出口的叶片根部的半径与毗邻所述出口的叶片尖端的半径的比值介于0.2和0.7之间。

4.根据权利要求1或2所述的涡轮机叶轮，其中毗邻所述出口的叶片尖端的半径与毗邻所述入口的叶片尖端的半径的比值介于0.6和0.9之间。

5.根据权利要求1或2所述的涡轮机叶轮，其中出口相对气流角小于-55度。

6.根据权利要求1或2所述的涡轮机叶轮，其中出口相对气流角介于-41度和-55度之间。

7.根据权利要求1或2所述的涡轮机叶轮，其进一步为径流式涡轮机叶轮。

8.根据权利要求1或2所述的涡轮机叶轮，其进一步为混流式涡轮机叶轮。

9.一种涡轮机，包括根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机叶轮，还包括至少部分覆盖所述涡轮机叶轮以限定涡轮机的入口和出口的护罩。

10.根据权利要求9所述的涡轮机，其中毗邻所述出口的涡轮机叶轮的轮毂的半径(R3)与由所述护罩限定的出口的半径(R4)的比值介于0.2和0.7之间。

11.根据权利要求9或10所述的涡轮机，其中由所述护罩限定的出口的半径(R4)与由所述护罩限定的入口的半径(R1)的比值介于0.6和0.9之间。

12.一种涡轮复合单元，包括根据权利要求9至11中任一项所述的涡轮机。

13.一种排气系统，包括根据权利要求9至11中任一项所述的涡轮机，或者包括根据权利要求12所述的涡轮复合单元。

14.根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮机叶轮在压力比小于1.2的流动中的使用。

15.根据权利要求14所述的使用，其中所述压力比介于1.02和1.2之间。