离心式压气机的叶轮结构与气流特性.docxVIP

文章编号:1009-2439(2000)04-0248-04离心式压气机的叶轮结构与气流特性欧阳光耀谢斌(邵阳高等专科学校热能动力工程系,湖南邵阳422004)摘要:分析讨论了离心式压气机叶轮叶片结构形状,对叶轮气道内和压气机壳中气流特性的影响,并提出改进叶片形状结构,使气道向流线型靠近,以提高离心式压气机的性能。关键词:气流均匀性;抛物面叶型;阿基米德对数螺旋线出口段;配机工作覆盖面。中图分类号:TK474.8文献标识码:A离心式压气机叶绝大多数采用半开式结构,因为这种结构的工作叶片不仅与毂连成一体,而且也与叶侧壁相接(参看图11),从是保证工作叶片的刚度和强度,叶轮制造采用精铸也较简单,且有令人满意的气流损失3、4。工作轮叶片在于干面上的通道的内、外廓线均为抛物线,由于工艺上的原因,加工出来的内外廓线并非抛物线,而是用一个或几个圆弧近似代替,这样一来必然增加气体在流道中的损失。为了扩大压气机的匹配范围,以满足不同功率内燃机的供气量要求,以无锡动力机厂生产的5GJ型增压器为例,所采取的措施是保持压气机叶外径不变,用改变进口直径D1和叶出口叶片高度b2和扩压器的方法(见表1所示)8。此种改变实图1离心式压气机叶轮结构示意图际上是改变了叶流道的形状尺寸,使之偏离了原设计要求,也必然导致恶化压气机工况,影响增压器性能曲线发生同步崎变。表1压气机叶变形尺寸变型方案12345参数压气机叶轮外径Dk(mm)压气机叶轮进口直径D1(mm)压气机叶轮出口高度b2(mm)空气流量Gk(kg/s)π,k=2压气机效率ηk80453.50.13～020.15～0.2080525.20.19～0.27ηK=0.66～0.7280555.80.23～0.3280524.60.17～0.26压气机叶轮转速的变化,由于叶片导流部分的叶片安装角不变,气流进气攻角δ将发生变化,无论攻角δ是变大或变小,都将造成气流的进气损失。同时,转速的变化,使得流道内气流因环流的变化、潜流的变化,进口和出口气流速度三角形均发生变化,也将对压气机性能产生影响6。由于转速的变化,使得压气机出口处气流尾迹扰动变化,从而使得离开压气机流道以后的气流扰动损失随之变化。转速的变化直接影响压气机叶片子午线与压气机壳间的间隙漏气损失、摩擦损失发生变化。由上述可见,压气机叶轮与气流的关系紧密而又错综复杂。如何尽可能理顺其关系,对提高压气机性能是至关重要的。1压气机叶轮结构对性能的影响美国印地安纳州的许怀策公司是世界上生产径流式废气涡轮增压器最早的公司之一,该公司的增压器系列一直在不断改进,零件数目益减少,而性能则有所提高。1977年该公司又在传统的径向叶片压气机收稿日期:2000-09-27第4期欧阳光耀等:离心式压气机的叶轮结构与气流特性249叶轮基础上,使叶片出口段后弯,在增压器壳体、叶轮等其它尺寸不变的情况下,将原来压气机效率由68%～72%的水平提高到80%,并扩大了压气机的工作范围2。这一事例说明压气机叶轮结构的适当改进后,对压气机性能的影响是十分大的。其具体情况将在后面进行分析。1.1叶轮进口导流部分为保证空气无冲击地进入工作叶轮,离心式压气机叶轮进口处均设有导向装置,以使进入叶轮气道的空气产生预旋。(参看图11)。为使气流以最小损失导入工作轮叶片,以得到最高的增压器效率,导流部分形状宜选用抛物面。图2所示为和零位抛物面相对称的两个抛物面所形成的导流部分叶片形状1。为了减少气流对导流叶片的迎风阻力,叶片的进口边以做成圆弧形为宜,这样,当叶轮转速度变化而引起进气流冲角变化时,可减少气流损失。1.2叶轮气体通流通道叶轮叶片紧接着导流部分叶片而沿径向和轮盘方向延伸,限于制造工艺,在精铸工艺中制腊模时为便于退出模块,常用径向直叶片,可是精铸工艺现已采用硅橡胶柔性模来取代腊模,非纯径向叶片同样可以自由出模。因此,就有可能按气流特性来安排通流通道叶片的形状。这时,紧接导流部分的抛物面,可直接沿导流抛物面延伸,使通流通道叶片也成导流抛物面的继续,使整个通道也是损失较小的抛物面,以尽可能抑制因叶片工作面和吸力面之差异而造成的气流回流损失6。在叶轮轮缘附近的出口段,正如前述许怀策公司所做图2压气机叶轮导流部分叶片由两个抛物面形成的那样,采用后弯形式,而后弯段的曲面,则应与压气机壳的无叶扩压器相适应,选用阿基米德对数螺旋线曲面,则效果最好。后弯叶片翘曲角示于图35。采用现代数据控机床加工形状复杂的后弯叶片叶轮气流通道模块,是不会有太大困难,且能保证同一叶轮所需的十几块模块形状、尽寸的同一性,因此,制造尽可能符合气流特性的离心式压气机叶轮也是并不困难的。1.3离心压气机子午面和由轮毂到轮缘的曲面形状这两部分曲面与叶轮相邻两叶片中前一叶片与后一叶片工作面共同构成叶轮的气流通道,因而这