叶片设计方法、叶片及相关设备

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，特别涉及一种叶片设计方法、叶片及相关设备。

背景技术

目前，涡轮增压器轴中的叶片表面的压力分布均匀度较差，影响了涡轮增压器的增压效率，降低了发动机的经济性能和动力性能。

因此，如何提高叶片的压力分布均匀度，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提出了一种叶片设计方法、叶片及相关设备，以提高叶片的压力分布均匀度。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种叶片设计方法，方法包括：

获取涡轮增压器涡端的设计参数；

由设计参数生成喷嘴环初始模型，并计算目标叶片包角和目标叶片厚度；

由目标叶片包角和目标叶片厚度生成叶片三维模型；

将得到的叶片三维模型导入AnsysCFX软件中，进行稳态流场分析；

结合分析结果依次评价叶片三维模型中多个层高对应的气流攻角；确定气流攻角在阈值范围内的层高为基准层高，基准层高对应的二维模型为基准二维模型；优化剩余层高对应的二维模型，直至剩余层高所对应的气流攻角在阈值范围内；

由层高、基准二维模型和优化后的二维模型合成目标叶片三维模型。

优选的，上述叶片设计方法中，设计参数包括增压器涡端的气体流量、气体温度、膨胀比、叶轮转速、叶片数量和涡端叶轮尺寸中的任意一个或者多个。

优选的，上述叶片设计方法中，喷嘴环初始模型中叶片包角满足：

；

其中，m：子午面长度，等于叶片长度；

r：叶片上任一点对应的半径；

α：叶片上任一点对应的叶片包角；

：叶片前缘和出口的气流切削速度；

：叶片流动方向的气流切削速度；

ω：喷嘴环的转速；

θ：圆柱坐标系下叶片上任一点对应的角度；

B：叶片数量；

V

叶片厚度满足：

；

：初始叶片厚度；

：叶片厚度；

r：叶片上任一点对应的半径；

α：叶片包角；

z：圆柱坐标系下叶片上任一点对应z坐标的值。

优选的，上述叶片设计方法中，计算目标叶片包角和目标叶片厚度包括：判断叶片包角的最大包角

优选的，上述叶片设计方法中，预设角度的范围为25°~35°。

优选的，上述叶片设计方法中，稳态流场分析中计算边界与设计参数相等。

优选的，上述叶片设计方法中，优化剩余层高对应的二维模型包括：调整剩余层高对应的二维模型相对于旋转轴线的角度；和/或者

调整剩余层高对应的二维模型相对于基准二维模型的面积。

优选的，上述叶片设计方法中，调整剩余层高对应的二维模型相对于旋转轴线的角度中，自叶片上表面至叶片下表面，各层高对应的二维模型间的角度梯度为20%-25%；和/或者

调整剩余层高对应的二维模型相对于基准二维模型的面积中自叶片上表面至叶片下表面，各层高对应的二维模型间的面积梯度为20%-25%。

优选的，上述叶片设计方法中，阈值为±10°；相邻层高间的距离相等；和/或旋转轴线为重心轴线。

本发明第二方面提供了一种叶片，叶片由如上述任一项的叶片设计方法设计而成。

本发明第三方面提供了一种喷嘴环，包括安装盘和布置于多个布置于安装盘的叶片，叶片为如上述任一项的叶片。

本发明第四方面提供了一种涡轮增压器，包括涡轮机、压气机、转轴和喷嘴环，其中，涡轮机和压气机通过转轴传动连接；喷嘴环设置在涡轮机内的喷嘴处；喷嘴环如上述的喷嘴环。

本发明第五方面提供了一种发动机增压系统，包括空滤器、涡轮增压器、中冷器和发动机本体，其中，空滤器、涡轮增压器的压气机、中冷器、发动机本体和涡轮增压器的涡轮机经管路依次连接；涡轮增压器为如上述的涡轮增压器。

本发明第六方面提供了一种发动机，包括如上述的发动机增压系统。

由上述技术方案可以看出，本发明的设计方法所设计出的叶片优化了不同层高的气流攻角，改变了叶片的气体流入端的角度，从而提高了叶片的气流分布均匀度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些示例或实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，而且还可以根据提供的附图将本发明应用于其它类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

图1是本发明所提供的一种用于发动机的发动机增压系统的示意图；

图2a是本发明所提供的一种涡轮增压器的示意图；

图2b是本发明所提供的一种涡轮增压器的局部示意图；

图3a是本发明所提供的一种喷嘴环的立体示意图；

图3b是本发明所提供的一种叶片子午面的示意图；

图3c是本发明所提供的一种喷嘴环的主视示意图；

图4是本发明所提供的一种叶片的立体图；

图5是本发明所提供的一种叶片的俯视图；

图6是本发明所提供的一种叶片不同叶片高度的气体流场图；

图7是本发明所提供的一种叶片所成的喷嘴环的压力分布图；

图8是本发明所提供的一种叶片设计方法流程示意图；

图9是本发明所提供的步骤S200的流程示意图；

图10是本发明所提供的一种叶片不同叶片高度的气体流场图；

图11是本发明所提供的一种叶片不同叶片高度的马赫数压力分布图；

图12是本发明所提供的一种叶片所成的喷嘴环的压力分布图；

图13是本发明所提供的步骤S500的一种流程示意图；

图14是本发明所提供的另一种叶片的立体图；

图15是本发明所提供的另一种叶片的俯视图；

图16是图15中A部分的放大图；

图17是本发明所提供的步骤S500的又一流程示意图；

其中，1为空滤器、2为涡轮增压器、3为中冷器、4为进气歧管、5为发动机本体、6为排气歧管、21为压气机、22为涡轮机、23为转轴、24为喷嘴环、25为涡轮、241为安装盘、242为叶片、242’为叶片子午面、2421为叶片上表面、2422为叶片下表面、2423为叶片周表面、2424为叶片前缘、2425为叶片尾缘、2426为中间截面、2427为中间截面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

涡轮增压器：安装在内燃机排气侧的排气管上以提升空气动力的装置。通过利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮带动同轴的压轮，压轮压缩由空气滤清器管道送来的空气，压缩后的空气进入内燃机的进气缸参与内燃机燃烧。

参阅图1，图1展示了一种用于发动机的发动机增压系统的示意图，图示的发动机增压系统包括空滤器1、涡轮增压器2、中冷器3和发动机本体5，其中，空滤器1、压气机21、中冷器3、发动机本体5和涡轮机22经管路依次连接。发动机增压系统换气过程具体为，在发动机本体5的泵吸作用下，空气通过空滤器1进入涡轮增压器2的压气机21，压气机21压缩后通过中冷器3对压缩后的高温气体进行冷却，然后气体通过进气歧管4分配至发动机本体5的各个汽缸中。做功完成后，排气通过排气歧管6导入涡轮增压器2的涡轮机22，涡轮机22做功后的能量通过涡轮机22与压气机21之间的连接轴传递给压气机21，用于对进气进行压缩以提高进气压力。

参阅图2a，图2a展示了一种涡轮增压器的示意图；图2b展示了涡轮机的部分示意图。涡轮增压器2包括涡轮机22、压气机21、转轴23、喷嘴环24和涡轮25，其中，涡轮机22和压气机21通过转轴23传动连接；喷嘴环24设置在涡轮机22内的喷嘴处，并位于涡轮25的外周，涡轮25与转轴23传动连接。压气机21压缩通过压气机21入口吸入的空气，并且将压缩空气递送到发动机本体，用于增强发动机的性能。

参阅图3a，图3a展示了一种喷嘴环的立体示意图。图示的喷嘴环24包括叶片242和安装盘241，叶片242沿周向布置在安装盘241的端面。

参阅3b所示，叶片的子午面242’为通过喷嘴环轴线的平面，可以理解为叶片在喷嘴环轴线平面W的投影的展开平面，其中a为叶片高度，b为叶片长度。

参阅图3c，图3c展示了一种喷嘴环的主视示意图。在极坐标系中，叶片包角α为叶片上任一点与参考线之间的夹角，其中，参考线为叶片前缘顶点与喷嘴环轴线的连线；最大包角

参阅图4和图5，图4展示了一种叶片242的三维图，图5展示了一种叶片242的俯视图。图示的叶片242包括叶片上表面2421、叶片周表面2423、叶片下表面2422、叶片前缘2424和叶片尾缘2425。叶片上表面2421与叶片下表面2422相对布置；叶片周表面2423、叶片前缘2424和叶片尾缘2425连接叶片上表面2421与叶片下表面2422；叶片前缘2424是气流进入端；叶片尾缘2425是气流流出端。叶片上表面2421的形状与叶片下表面2422形状完全相同。叶片上表面2421与叶片下表面2422轴线垂直于安装盘241，即叶片上表面2421和叶片下表面2422沿轴向对称。

气流攻角β来流速度与叶片弦线的夹角，其中，叶片弦线为叶片的前缘2424顶部与叶片尾缘2425的顶部连线。

参见图6和图7，图6展示了不同叶片高度的气体流场图，图7展示了一种叶片所成的喷嘴环的压力分布图。其中，sp是指叶片高度，图6中sp=0.5是50%叶片高度的中间截面2426气体流场图；图6中sp=0.1是10%叶片的高度中间截面2426气体流场图；图6中sp=0.9是90%叶片高度的中间截面2426气体流场图。流线颜色代表流速大小，颜色越深；密度代表：气体的走向及充盈情况，越密集证明此处流过的气体越多。可见，上述每个叶片242表面的压力分布均匀度较差，影响涡轮增压器2的效率，降低了发动机的经济性能和动力性能。发明人经过研究发现气流分布均匀度主要是由于气流流入角度不合适导致的气流流动对冲等导致的。

因此，本发明提供了以一种叶片设计方法、叶片、喷嘴环、涡轮增压器、发动机增压系统和发动机，以提高叶片的压力分布均匀度。

参见图8，本发明公开了一种叶片设计方法，方法包括：步骤S100、获取涡轮增压器涡端的设计参数；所述设计参数包括增压器涡端的气体流量、气体温度、膨胀比、叶轮转速、叶片数量和涡端叶轮尺寸中的任意一个或者多个。例如：由于喷嘴环与涡轮装配在一起，因此喷嘴环的内径需要比涡端叶轮外径大(2-5) mm；而喷嘴环的外径，可结合现有产品的尺寸等确定。喷嘴环设计尺寸范围还可根据气体流量、膨胀比来找其他尺寸范围。

步骤S200、由所述设计参数生成喷嘴环初始模型，并计算目标叶片包角和目标叶片厚度。

设计参数中有些参数为特征设计参数，根据该特征设计参数匹配一种或多种原始三维模型，选取某些特征设计参数匹配原始三维模型，然后根据该原始三维模型结合其他设计参数评估生成喷嘴环的设计三维模型。例如，当特征设计参数为气体流量时，则原始三维模型所体现的结构主要在涡轮端叶轮的喷嘴环的类型，结合其他设计参数即可在原始三维模型上进一步确定设计三维模型。

所述喷嘴环初始模型中叶片包角满足：

；

其中，m：子午面长度，等于叶片长度；

r：叶片上任一点对应的半径；

α：叶片上任一点对应的叶片包角；

：叶片前缘和出口的气流切削速度；

：叶片流动方向的气流切削速度；

ω：喷嘴环的转速；

θ：圆柱坐标系下叶片上任一点对应的角度；

B：叶片数量；

V

叶片厚度满足：

：初始叶片厚度；

：叶片厚度；

r：叶片上任一点对应的半径；

α：叶片包角；

z：圆柱坐标系下叶片上任一点对应z坐标的值。

参见图9，上述计算目标叶片包角和目标叶片厚度包括：

步骤S201、调整喷嘴环初始模型参数；其中，模型参数包括子午面长度m、叶片上任一点对应的半径r、

步骤S202、判断叶片包角的最大包角

步骤S203、该叶片包角为目标叶片包角，否则直至叶片包角的最大包角

上述预设角度的范围为25°~35°。较优的，预设角度为30°。

S300、由目标叶片包角和目标叶片厚度生成叶片三维模型。

由上述步骤后可确定目标叶片包角和目标叶片厚度，可根据目标叶片包角和目标叶片厚度生成叶片三维模型，其中，该叶片三维模型中，叶片的上表面和叶片的下表面的形状与叶片下表面形状完全相同。叶片上表面与叶片下表面轴线垂直于安装盘。

步骤S400、将得到的叶片三维模型导入AnsysCFX软件中，进行稳态流场分析；所述稳态流场分析中计算边界与设计参数相等。该边界设计参数可以是气体流量、出口压力、气体温度、膨胀比、叶轮转速和涡端叶轮尺寸中的任意一个或多个。例如，当设计参数选择气体流量时，则边界设计参数也为气体流量，且两者取值相同。

该步骤中，稳态流场分析可包括气体沿叶片流动特性，叶片流场马赫数压力分布和喷嘴环前缘压力分布。

（1）气体沿叶片流动特性，如图10所示。

要求：气流无明显回流区，分析靠近叶片上面（sp=0.1）、叶片下面（sp=0.9）及叶片中间（sp=0.5）三层高度的流动特性，层高sp=0.1和0.9时存在较大的回流区。如果此3层的叶片流场均不理想时，可尝试分析其他叶片高度的流场。

（2）叶片流场马赫数压力分布，如图11所示。

同样，需要分析不同叶片高度的马赫数分布云图（高度选取方法如上相同），当该高度的叶片前缘出现高马赫数时，需要对其进行优化。

（3）叶片表面压力分布云图，如图12所示。

图中，压力分布不均匀，代表叶片各高度的气体流动特性不同，需要结合上述气体沿叶片流动特性及叶片流场马赫数压力分布对各层高叶片进行优化。

步骤S500、结合分析结果依次评价叶片三维模型中多个层高对应的气流攻角；确定气流攻角在阈值范围内的层高为基准层高，基准层高对应的二维模型为基准二维模型；优化剩余层高对应的二维模型，直至剩余层高所对应的气流攻角在阈值范围内。

参见图13，该步骤优化剩余层高对应的二维模型，直至剩余层高所对应的气流攻角在阈值范围内包括：

步骤S501、优化该层高对应的二维模型。参见图14至图16，所述优化剩余层高对应的二维模型包括：调整剩余层高对应的二维模型相对于旋转轴线的角度；和/或者调整剩余层高对应的二维模型相对于基准二维模型的面积。

例如，叶片242包括叶片上表面2421、叶片周表面2423、叶片下表面2422、叶片前缘2424、叶片尾缘2425、中间截面2426和中间截面2427，其中，叶片上表面2421与叶片下表面2422相对布置；叶片周表面2423、叶片前缘2424和叶片尾缘2425连接叶片上表面2421与叶片下表面2422；叶片前缘2424位于叶片242的气流进入端；叶片尾缘2425位于叶片242的气流流出端；叶片上表面2421、中间截面2426、中间截面2427和叶片下表面2422的形状相同。

优化时，当中间截面2426对应的层高为基准层高，中间截面2426对应的二维模型和基准二维模型时，中间截面2426不动，叶片上表面2421、叶片下表面2422和中间截面2427均围绕旋转轴调整一定角度。

所述调整剩余层高对应的二维模型相对于旋转轴线的角度中，自叶片上表面至叶片下表面，各层高对应的二维模型间的角度梯度为20%-25%。即角度调整过程中，自叶片上表面2421至叶片下表面24221为线性调整。

叶片上表面2421、中间截面2426、中间截面2427和叶片下表面2422所对应的面积分别为S1、S2、S3和S4。优化时，还可调整叶片上表面2421、中间截面2426、中间截面2427和叶片下表面2422所对应面积。当中间截面2426对应的层高为基准层高，中间截面2426对应的二维模型和基准二维模型时，中间截面2426的面积S2不动，调整S1、S3和S4，其关系满足：S4＞S3≥S2＞S1。

所述调整剩余层高对应的二维模型相对于基准二维模型的面积中自叶片上表面至叶片下表面，各层高对应的二维模型间的面积梯度为20%-25%。即面积调整过程中，自叶片上表面2421至叶片下表面24221为线性调整。

步骤S502、判断该气流攻角是否在阈值范围内，若是则进入步骤S600；否则返回步骤S501。所述阈值为±10°；相邻所述层高间的距离相等；和/或所述旋转轴线为重心轴线O2。

为了进一步优化上述方案，如图17所示，步骤S500还包括：

步骤S503、判断是否满足可制造性要求；若满足要求则进入步骤S504；否则返回步骤S501。

步骤S504、输出目标三维模型。

步骤S600、由层高、基准二维模型和优化后的二维模型合成目标叶片三维模型。在步骤中可利用三维模型的变截面扫描或者其他命令，生成叶片的目标三维模型。

请参阅图14至图16，本发明实施例公开了一种叶片，该叶片由上述叶片设计方法设计而成。本发明的设计方法所设计出的叶片优化了不同层高的气流攻角，改变了叶片的气体流入端的角度，从而提高了叶片的气流分布均匀度。

本发明一些实施例中叶片242包括叶片上表面2421、叶片周表面2423、叶片下表面2422、叶片前缘2424、中间截面2426和叶片尾缘2425，其中，叶片上表面2421与叶片下表面2422相对布置；叶片周表面2423、叶片前缘2424和叶片尾缘2425连接叶片上表面2421与叶片下表面2422；叶片前缘2424位于叶片242的气流进入端；叶片尾缘2425位于叶片242的气流流出端；叶片上表面2421、叶片下表面2422和中间截面2426的形状相同，叶片上表面2421、叶片下表面2422和中间截面2426围绕重心轴线O2偏转预设角度。由于叶片尾缘2425围绕重心轴线O2偏转预设角度，叶片上表面2421、叶片下表面2422和中间截面2426的形状相同，叶片上表面2421、叶片下表面2422和中间截面2426的面积不等从而改变了叶片242的气体流入端的角度，从而提高了叶片242的气流分布均匀度。

需要说明的是，上述所述预设平面可为喷嘴布置端面，还可为喷嘴环的安装盘的端面。叶片上表面2421、叶片下表面2422和中间截面2426的面积可根据叶片242在喷嘴环24的转速、材质而定，本发明不做具体限定。

叶片尾缘2425与叶片上表面2421为任意夹角，为了进一步优化上述技术方案，方便加工，本发明一些示例中，叶片尾缘2425与叶片上表面2421垂直。

叶片尾缘2425与叶片下表面2422为任意夹角，为了进一步优化上述技术方案，方便加工，本发明一些示例中，叶片尾缘2425与叶片下表面2422垂直。自叶片242的叶片上表面2421至叶片下表面2422面积逐渐变大。

还包括中间截面2427，叶片上表面2421、中间截面2426、中间截面2427和叶片下表面2422所对应的面积分别为S1、S2、S3和S4，S1、S2、S3和S4满足：S4＞S3≥S2＞S1。

叶片242中，叶片上表面2421、两个中间截面2426和叶片下表面2422中相邻面间的叶片高度差为任意值。为了方便优化叶片242的结构，叶片242中，叶片上表面2421、两个中间截面2426和叶片下表面2422中相邻面间的叶片高度差相等。

本发明还公开了一种喷嘴环24，包括安装盘241和布置于多个布置于安装盘241的叶片242，叶片242为如上述任一项的叶片242。由于上述叶片242具有以上效果，包括该叶片242的喷嘴环24具有相应的效果，此处不再赘述。

本发明还公开了一种涡轮增压器，包括涡轮机22、压气机21、转轴23和喷嘴环24，其中，涡轮机22和压气机21通过转轴23传动连接；喷嘴环24设置在涡轮机22内的喷嘴处；喷嘴环24如上述的喷嘴环24。由于上述喷嘴环24具有以上有益效果，包括该喷嘴环24的涡轮增压器2具有相应效果。

本发明还公开了一种发动机增压系统，包括空滤器1、涡轮增压器2、中冷器3和发动机本体5，其中，空滤器1、涡轮增压器2的压气机21、中冷器3、发动机本体5和涡轮增压器2的涡轮机22经管路依次连接；涡轮增压器2为如上述的涡轮增压器2。由于上述涡轮增压器2具有以上有益效果，包括该涡轮增压器2的发动机增压系统具有相应效果。

本发明还公开了一种发动机，包括如上述的发动机增压系统。由于上述发动机增压系统具有以上有益效果，包括该发动机增压系统的发动机具有相应效果。

需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应当理解，本发明中使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换该词语。

如本发明和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

其中，在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，在本发明实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

本发明中使用了流程图用来说明根据本发明的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的（但不限于）具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。