CN115962153B - 过渡段子午流道宽度变窄的压气机和发动机 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种过渡段子午流道宽度变窄的压气机和发动机，包括叶轮，过渡段和有叶扩压器，叶轮的出气口和过渡段的进气口连接，过渡段的出气口和有叶扩压器的进气口连接；过渡段的子午流道包括位于轮毂侧的第一型线和位于机匣侧的第二型线；过渡段的子午流道中至少部分为收缩段，第一型线和第二型线在收缩段处均沿气流方向趋近于过渡段的子午流道的中心线；气流方向为从过渡段的进气口指向过渡段的出气口的方向。第一型线和第二型线向中心线收缩，可以减小子午流道的宽度，提升过渡段机匣侧的压缩气体的切向速度，对经过叶轮的压缩气体的切向速度进行整流，达到减小有叶扩压器进气口处切向速度在叶片高度方向的不均匀度，提高压气机效率的效果。

Description

过渡段子午流道宽度变窄的压气机和发动机

技术领域

本发明涉及压气机技术领域，特别涉及一种过渡段子午流道宽度变窄的压气机和发动机。

背景技术

在压气机中，空气经过叶轮压缩后，在叶轮出口处压缩空气的切向速度分布是不均匀的。一种典型叶轮出口处空气的切向速度分布如图2所示。

现有压气机中，叶轮和有叶扩压器之间的过渡段采用等宽度设计，也就是说，现有压气机中，过渡段子午流道的宽度，从过渡段的进气口到出气口处处相等。

这种过渡段对流经叶轮的压缩空气无法起到整流作用，造成有叶扩压器进气口处气体的切向速度分布依然呈现如图2所示的不均匀状态，而这种切向速度分布不均匀的状态会导致压气机整体效率较低。

发明内容

针对上述现有技术的缺点，本发明提供一种过渡段子午流道宽度变窄的压气机和发动机，以改善压气机有叶扩压器进气口处气体的切向速度分布情况，提高压气机的效率。

本申请提供一种过渡段子午流道宽度变窄的压气机，包括叶轮，过渡段和有叶扩压器，所述叶轮的出气口和所述过渡段的进气口连接，所述过渡段的出气口和所述有叶扩压器的进气口连接；

所述过渡段的子午流道包括位于轮毂侧的第一型线和位于机匣侧的第二型线；

所述过渡段的子午流道中至少一部分为收缩段，所述第一型线和所述第二型线在所述收缩段处均沿气流方向趋近于所述过渡段的子午流道的中心线；

所述过渡段的子午流道的一部分为收缩段，另一部分为平行段，所述第一型线在所述平行段的首端处具有沟槽；

在所述收缩段处，所述第一型线除所述沟槽以外的部分和所述第二型线均平行于所述过渡段的子午流道的中心线；

所述气流方向为从所述过渡段的进气口指向所述过渡段的出气口的方向。

可选的，所述收缩段的首端位于所述过渡段的进气口处，所述收缩段的尾端和所述平行段的首端连接，所述平行段的尾端位于所述过渡段的出气口处。

可选的，所述收缩段的尾端位于所述过渡段的出气口处，所述收缩段的首端和所述平行段的尾端连接，所述平行段的首端位于所述过渡段的进气口处。

可选的，所述平行段包括第一平行段和第二平行段；

所述第一平行段的首端位于所述过渡段的进气口处，所述第一平行段的尾端和所述收缩段的首端连接，所述收缩段的尾端和所述第二平行段的首端连接，所述第二平行段的尾端位于所述过渡段的出气口处。

可选的，所述第一型线和所述第二型线位于所述收缩段的部分均为曲线。

可选的，所述第一型线和所述第二型线位于所述收缩段的部分均为直线。

本申请还提供一种发动机，至少包括燃烧室，涡轮和本申请任意一项所述的压气机；

所述压气机和所述涡轮同轴；

所述压气机的出气口和所述燃烧室的进气口连接；

所述涡轮的进气口和所述燃烧室的排气口连接。

本申请提供一种过渡段子午流道宽度变窄的压气机和发动机，包括叶轮，过渡段和有叶扩压器，叶轮的出气口和过渡段的进气口连接，过渡段的出气口和有叶扩压器的进气口连接；过渡段的子午流道包括位于轮毂侧的第一型线和位于机匣侧的第二型线；过渡段的子午流道中至少一部分为收缩段，第一型线和第二型线在收缩段处均沿气流方向趋近于过渡段的子午流道的中心线；气流方向为从过渡段的进气口指向过渡段的出气口的方向。第一型线和第二型线向中心线收缩，可以减小子午流道的宽度，提升过渡段机匣侧的压缩气体的切向速度，从而对经过叶轮的压缩气体的切向速度进行整流，达到减小有叶扩压器进气口处切向速度在叶片高度方向的不均匀度，提高压气机效率的效果。

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。

图1为本申请实施例提供的一种现有压气机的子午流道示意图；

图2为本申请实施例提供的一种现有压气机叶轮出口处空气的切向速度分布示意图；

图3为本申请实施例提供的一种过渡段子午流道宽度变窄的压气机的子午流道示意图；

图4为本申请实施例提供的一种过渡段的子午流道的示意图；

图5为本申请实施例提供的另一种过渡段的子午流道的示意图；

图6为本申请实施例提供的再一种过渡段的子午流道的示意图；

图7为本申请实施例提供的又一种过渡段的子午流道的示意图；

图8为本申请实施例还提供的一种过渡段的子午流道的示意图；

图9为本申请实施例提供的一种过渡段子午流道宽度变窄的压气机中，有叶扩压器进气口处空气的切向速度分布示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。

为了便于理解本申请的技术方案，首先对部分可能涉及的术语进行说明。

涡轮增压器，实际上是一种空气压缩机，涡轮增压器由同轴的涡轮和压气机组成，发动机排出的废气流经涡轮时，废气的惯性冲力推动涡轮旋转，涡轮又带动同轴的压气机的叶轮旋转，对空气进行压缩来增加进气量。

叶轮：是增压器的压气机端中转子总成的核心部件，车用增压器由于转速范围宽，空气流量变化大，叶轮由叶轮片（简称叶片）在轮毂上呈放射状曲线排列形成，叶片通常是三元曲面薄壁叶轮片。

有叶扩压器，位于叶轮的后端，利用流通截面积的不同，流经叶轮的压缩气体的速度能转化为压力能。有叶扩压器是将压缩空气的动能转化为静压的装置，通过叶片的形状限制气流的流动方向使压缩空气切向速度降低，压缩气体的静压力提高。

子午流道：是一个物理学术语。是叶轮机型的气流通道在子午面上的投影。子午面，可以理解为经过叶轮的轴线的任一平面。

请参见图1，为一种现有压气机的子午流道的示意图，其中，叶轮的子午流道（即叶轮的气流通道在子午面的投影）为100，其中101为压气机的进气口，102为压气机的出气口。

有叶扩压器的子午流道（即有叶扩压器的气流通道在子午面的投影）为300，其中301为有叶扩压器的进气口，302为有叶扩压器的出气口。

压气机的叶轮和有叶扩压器之间通过过渡段连接，过渡段的子午流道（即过渡段的气流通道在子午面的投影）为200。过渡段和叶轮出气口连接的一端过渡段的进气口，过渡段和有叶扩压器进气口连接的一端为出气口。

压气机工作时，空气从叶轮的进气口进入叶轮，经过叶轮压缩的气体从叶轮的出气口进入过渡段，流经过渡段后进入有叶扩压器，在有叶扩压器中进一步被压缩，然后从有叶扩压器的出气口进入压气机后端的部件。

在图1中可以看出，现有压气机的过渡段子午流道采用等宽度设计，即过渡段的子午流道的宽度沿气流流向处处相等，对应的，过渡段的横截面的面积沿气流流向处处相等。过渡段的横截面，是指过渡段垂直于气流流向的截面。

其中，过渡段中气流的流向定义为垂直于压气机轴线10的方向，如图1的箭头20所示。

如背景技术部分的介绍，这种结构的过渡段无法对流经过渡段的压缩气体的速度进行调整，因此现有的压气机中，压缩气体流经过渡段前后，其切向速度沿叶片高度方向的分布情况基本不变。

叶轮出气口处压缩气体的切向速度沿叶片高度的分布情况可以参见图2。

图2中，横轴为速度，单位为米每秒，纵轴为归一化叶片高度，其中1表示叶尖的高度，对应本实施例中的机匣侧，0表示叶根的高度，对应本实施例中的轮毂侧。

从图2的分布情况可以看出，叶轮出气口处压缩气体的切向速度沿叶片高度方向分布的不均匀程度较高。

由于现有压气机的过渡段结构，图2所示的切向速度不均匀的情况会延续到有叶扩压器的进气口，即现有压气机中，有叶扩压器的进气口处气体的切向速度沿叶片高度分布情况也呈现图2所示的不均匀分布，而这种不均匀分布的切向速度会导致有叶扩压器的压缩效率降低，进而造成压气机整体的效率降低。

目前针对该问题的一种解决方案是，增大有叶扩压器中叶片的扭曲程度，但是这种方案一方面增加了有叶扩压器中叶片的制造成本，且降低了叶片的可靠性，另一方面也只能部分缓解切向速度不均匀的情况。

针对上述问题，本申请实施例提供一种过渡段子午流道宽度变窄的压气机，请参见图3，为本申请实施例提供的一种过渡段子午流道宽度变窄的压气机的子午流道示意图。

该压气机的过渡段具有如下特征：

过渡段的气流通道中至少一部分为收缩段，在收缩段内，机匣侧的壁面和轮毂侧的壁面均沿气流方向趋近于气流通道内部，换言之，在收缩段内，机匣侧的壁面和轮毂侧的壁面均沿着气流方向往气流通道内部收缩。

从气流通道在子午面上的投影，即子午流道来看，过渡段的子午流道的至少一部分为收缩段，在收缩段中，轮毂侧的第一型线和机匣侧的第二型线沿气流方向趋近于过渡段子午流道的中心线205，换言之，在收缩段内，第一型线和第二型线均向中心线205收缩。

由此，过渡段的气流通道在收缩段内，沿气流方向呈现横截面的面积逐渐缩小的状态，也就是说，在收缩段内，气流通道沿气流方向逐渐变窄。

这种结构的气流通道中，一方面机匣（Shroud）侧的壁面向中心收缩，可以在压缩气体流经过渡段时，提高机匣侧的气体的切向速度；另一方面轮毂（Hub）侧的壁面向中心收缩，可以在压缩气体流经过渡段时，提高轮毂侧气体的切向速度，两方面因素结合，可以使得过渡段出气口处气体的切向速度分布趋于均匀分布，从而提高有叶扩压器的压缩效率。

从图3可以看到，该压气机包括叶轮，过渡段和有叶扩压器，其中叶轮的出气口和过渡段的进气口连接，过渡段的出气口和有叶扩压器的进气口连接。

图3中，过渡段的进气口为201，过渡段的出气口为202。过渡段的子午流道在矩形框210内的部分，就是前述收缩段。

过渡段的子午流道包括位于轮毂（hub）侧的第一型线和位于机匣（shroud）侧的第二型线。

图3中，第一型线为203，第二型线为204。第一型线，可以视为过渡段的气流通道中轮毂侧壁面在子午面上的投影，第二型线可以视为过渡段的气流通道中机匣侧壁面在子午面上的投影。

在一些可选的实施例中，本申请提供的压气机的过渡段中，其子午流道的收缩段可以是过渡段子午流道的一部分，即过渡段的子午流道可以分为两部分，一部分为前述收缩段，另一部分为平行段，在平行段中，第一型线和第二型线均和过渡段的子午流道的中心线平行，也就是说，在平行段中气流通道仍然采用等宽度设计。

在过渡段子午流道包括收缩段和平行段的情况下，收缩段在过渡段子午流道中的位置可以根据实际情况设定。

一种可选的收缩段位置是，收缩段位于过渡段子午流道中靠近叶轮的一端。具体来说，就是收缩段首端位于过渡段的进气口处，收缩段尾端和平行段首端连接，平行段尾端位于过渡段的出气口处。

这种情况下，过渡段的子午流道可以具有如图3所示的形状，可以看到，此时经过叶轮的压缩气体进入过渡段后，先经过收缩段，后经过平行段，流经平行段后就从过渡段的出气口离开过渡段。

一种可选的收缩段位置是，收缩段位于过渡段子午流道中靠近有叶扩压器的一端。具体来说，就是收缩段尾端位于过渡段的出气口处，收缩段首端和平行段尾端连接，平行段首端位于过渡段的进气口处。

这种情况下，过渡段的子午流道可以具有如图4所示的形状，可以看到，此时经过叶轮的压缩气体进入过渡段后，先经过平行段，后经过收缩段，流经收缩段后就从过渡段的出气口离开过渡段。

一种可选的收缩段位置是，收缩段位于过渡段子午流道的中部。具体来说，就是平行段分为两部分，分别记为第一平行段和第二平行段，第一平行段首端位于过渡段的进气口处，第一平行段尾端和收缩段首端连接，收缩段尾端和第二平行段首端连接，第二平行段尾端位于过渡段的出气口处。

这种情况下，过渡段的子午流道可以具有如图5所示的形状，图5为本申请实施例提供的另一种过渡段的子午流道的示意图。在该结构中，压缩气体从叶轮流出后，首先经过第一平行段，接着从第一平行段进入收缩段，流经收缩段后进入第二平行段，最后流经第二平行段到达过渡段的出气口。

可选的，当过渡段的子午流道分为收缩段和平行段时，可以在位于轮毂侧的第一型线上设置沟槽结构，请参加图6，为设置沟槽结构时过渡段的子午流道示意图。

可以看到，当收缩段位于靠近叶轮的一端时，沟槽可以设置在平行段的首端，即设置在收缩段和平行段的连接处。设置沟槽结构，可以调整轮毂侧压缩气体的切向速度，从而减小压缩气体在叶片高度方向的不均匀度，有利于扩压器叶片设计、制造及效率提升，从而有利于增压器压端的效率提升。

除上述设置方式以外，当收缩段位于靠近有叶扩压器的一端时，上述第一型线的沟槽结构也可以设置在收缩段的首端。当收缩段位于第一平行段和第二平行段之间时，沟槽结构可以设置在第一平行段的首端，也可以设置在第二平行段的首端。

设置以上沟槽结构的好处在于：

设置在轮毂侧的沟槽结构，能够降低靠近轮毂侧的气体的切向速度，使得轮毂侧的气体的切向速度低于机匣侧的气体的切向速度，从而改善有叶扩压器进气口处空气切向速度沿叶片高度方向的均匀度。

同时，该沟槽结构降低了靠近轮毂侧的气体的切向速度，自然也降低了有叶扩压器进气口处的平均切向速度，这样能够避免进入有叶扩压器的气体切向速度过高而产生较大的流动损失。

综上所述，通过在第一型线设置上述沟槽结构，可以在不增大有叶扩压器中的流动损失的前提下，改善有叶扩压器进气口处空气切向速度沿叶片高度方向的均匀度。

在一些可选的实施例中，过渡段的子午流道从过渡段的进气口到过渡段的出气口均为收缩段。

这种情况下，过渡段的子午流道可以具有如图7所示的形状，图7为本申请实施例提供的再一种过渡段的子午流道的示意图。

从图7可以看出，在这种情况下，第一型线从过渡段的进气口开始沿气流方向持续向过渡段子午流道的中心线收缩，直至过渡段的出气口为止，第二型线从过渡段的进气口开始沿气流方向持续向过渡段子午流道的中心线收缩，直至过渡段的出气口为止。对应的，过渡段气流通道的横截面的面积从进气口处开始逐渐变小，直至出气口处为止，压缩气体从叶轮进入过渡段后，持续过渡段的气流通道内被持续压缩，直到离开过渡段。

需要说明的是，在本申请实施例提供的压气机中，在收缩段内，机匣侧和轮毂侧的壁面，可以按曲线方式收缩，也可以按直线方式收缩，对应的，在收缩段中，第一型线和第二型线可以呈现为如图3至图7所示的曲线，也可以是直线。

示例性的，当第一型线和第二型线在收缩段内的部分为直线时，过渡段的子午流道可以具有如图8所示的形状，图8为本申请实施例提供的又一种过渡段的子午流道的示意图。

进一步可选的，在收缩段内，机匣侧和轮毂侧的壁面也可以分别按不同方式收缩。对应的，第一型线和第二型线可以呈现不同的线型。

例如，收缩段内壁面的结构可以设计成，机匣侧的壁面按曲线方式收缩，轮毂侧的壁面按直线方式收缩，对应的，轮毂侧壁面投影形成的第一型线在收缩段内的部分为直线，机匣侧壁面投影形成的第二型线在收缩段内的部分为曲线。

或者，也可以反过来，即轮毂侧的壁面按曲线方式收缩，机匣侧的壁面按直线方式收缩，对应的，轮毂侧壁面投影形成的第一型线在收缩段内的部分为曲线，机匣侧壁面投影形成的第二型线在收缩段内的部分为直线。

需要说明的，当第一型线和/或第二型线位于收缩段内的部分为曲线时，该曲线可以是任意形式的曲线，包括但不限于样条曲线，弧线，多项式曲线等，本实施例对此不做限定。

当压气机的过渡段具有上述在收缩段内沿气流方向逐渐变窄的特征时，该过渡段能够提高流经过渡段的压缩气体在机匣侧和轮毂侧的切向速度，使得流经过渡段，达到有叶扩压器进口的气体在叶片高度方向上具有更均匀的切向速度分布。请参见图9，本申请实施例提供的一种过渡段子午流道宽度变窄的压气机中，有叶扩压器进气口处空气的切向速度分布示意图。

对比图2和图9可以看出，采用本申请实施例提供的过渡段结构时，压缩气体流经过渡段后，机匣侧和轮毂侧的切向速度显著提高，对应的，有叶扩压器进气口处空气的切向速度沿叶片高度方向呈现均匀分布。所以，本申请实施例提供的如图3至图8的过渡段结构，可以改善有叶扩压器进气口处空气切向速度沿叶片高度方向的分布情况，提高有叶扩压器的压缩效率，进而提高压气机整体的压缩效率。

本申请实施例还提供一种发动机，至少包括燃烧室，涡轮和本申请任一实施例所提供的压气机；

压气机和涡轮同轴；

压气机的出气口和燃烧室的进气口连接；

涡轮的进气口和燃烧室的排气口连接。

基于上述连接关系，压气机可以将吸入的空气压缩，然后将压缩后的空气送入燃烧室进行燃烧。

燃烧室燃烧后产生的废气可以进入涡轮，从而驱动涡轮转动，涡轮转动后即可带动压气机转动，具体来说，可以带动压气机的叶轮转动，实现对空气的压缩。

上述燃烧室，具体可以是一个或多个气缸，当然也可以是其他结构，不做限定。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种过渡段子午流道宽度变窄的压气机，其特征在于，包括叶轮，过渡段和有叶扩压器，所述叶轮的出气口和所述过渡段的进气口连接，所述过渡段的出气口和所述有叶扩压器的进气口连接；

所述过渡段的子午流道包括位于轮毂侧的第一型线和位于机匣侧的第二型线；

所述过渡段的子午流道中至少一部分为收缩段，所述第一型线和所述第二型线在所述收缩段处均沿气流方向趋近于所述过渡段的子午流道的中心线；

所述过渡段的子午流道的一部分为收缩段，另一部分为平行段，所述第一型线在所述平行段的首端处具有沟槽；其中，当所述收缩段位于靠近所述有叶扩压器的一端时，所述第一型线的沟槽设置在所述收缩段的首端；

在所述平行段处，所述第一型线除所述沟槽以外的部分和所述第二型线均平行于所述过渡段的子午流道的中心线；

所述气流方向为从所述过渡段的进气口指向所述过渡段的出气口的方向。

2.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述收缩段的首端位于所述过渡段的进气口处，所述收缩段的尾端和所述平行段的首端连接，所述平行段的尾端位于所述过渡段的出气口处。

3.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述收缩段的尾端位于所述过渡段的出气口处，所述收缩段的首端和所述平行段的尾端连接，所述平行段的首端位于所述过渡段的进气口处。

4.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述平行段包括第一平行段和第二平行段；

所述第一平行段的首端位于所述过渡段的进气口处，所述第一平行段的尾端和所述收缩段的首端连接，所述收缩段的尾端和所述第二平行段的首端连接，所述第二平行段的尾端位于所述过渡段的出气口处。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的压气机，其特征在于，所述第一型线和所述第二型线位于所述收缩段的部分均为曲线。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的压气机，其特征在于，所述第一型线和所述第二型线位于所述收缩段的部分均为直线。

7.一种发动机，其特征在于，至少包括燃烧室，涡轮和权利要求1至6任意一项所述的压气机；

所述压气机和所述涡轮同轴；

所述压气机的出气口和所述燃烧室的进气口连接；

所述涡轮的进气口和所述燃烧室的排气口连接。

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