提高涡轮叶片自振频率的涡轮增压器涡轮叶轮的制作方法

1.本实用新型涉及涡轮增压器技术领域，特别是涉及提高涡轮叶片自振频率的涡轮增压器涡轮叶轮。


背景技术：

2.涡轮增压技术，是利用发动机废气推动涡轮增压器中的涡轮叶轮转动，并带动压气机叶轮旋转，压气机叶轮再将空气进行压缩，并将压缩后的空气充入发动机。
3.其中，高温的废气直接接触的涡轮叶轮，是涡轮增压器动力来源的驱动零件，其使用工况为高速旋转部件，受到高温废气的推动，气流旋转通过涡轮叶片，气流流动频率与涡轮叶片自身的固有频率(即固有自振频率)会产生共振的问题，这就要求涡轮叶片要有较高的固有自振频率，从而叶片设计会导致叶片增厚；
4.另一方面，涡轮作为性能部件，要求较高的流通性能，这就要求涡轮叶片做轻量化设计。因此，同时满足涡轮性能与强度的设计，是涡轮设计的追求目标。
5.但是，现在的传统涡轮叶片设计，由于首要设计目标为气动性能，设计优化的结果将导致涡轮叶片较薄，出现自振频率低的情况，从而降低了涡轮的可靠性。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供提高涡轮叶片自振频率的涡轮增压器涡轮叶轮。
7.为此，本实用新型提供了提高涡轮叶片自振频率的涡轮增压器涡轮叶轮，其包括涡轮轮毂；
8.其中，涡轮轮毂的上表面四周，围绕涡轮轮毂的垂直中心轴线，沿周向等间隔分布有多个涡轮叶片；
9.其中，涡轮叶片上，与涡轮轮毂相连接的内侧边缘为轮毂曲线边缘；
10.涡轮叶片上，远离涡轮轮毂且不与涡轮轮毂相连接的外侧边缘为轮罩曲线边缘；
11.轮毂曲线边缘和轮罩曲线边缘的形状，均是符合贝塞尔bezier样条曲线的形状；
12.其中，每个涡轮叶片的下部外侧，具有涡轮叶片进口边缘；
13.该涡轮叶片进口边缘的内侧端，与涡轮轮毂的上表面相连接；
14.每个涡轮叶片的顶部，具有涡轮叶片新型出口边缘；
15.该涡轮叶片新型出口边缘的内侧端，与涡轮轮毂的上表面相连接；
16.该涡轮叶片新型出口边缘的形状，是符合贝塞尔bezier样条曲线的曲线形状。
17.优选地，轮毂曲线边缘和轮罩曲线边缘的形状，具体是符合高阶贝塞尔 bezier样条曲线的形状；
18.高阶贝塞尔bezier样条曲线，具体为三次及以上贝塞尔bezier样条曲线。
19.优选地，轮罩曲线边缘下部与涡轮叶片进口边缘上部相连接处的夹角为钝角。
20.优选地，涡轮叶片进口边缘，与垂直直线a之间的夹角的角度范围为 0～35度。
21.优选地，涡轮叶片进口边缘，由里向外逐渐向上倾斜；
22.涡轮叶片进口边缘，越靠近涡轮轮毂的垂直中心轴线，高度越低。
23.优选地，涡轮叶片新型出口边缘对应的贝塞尔bezier样条曲线，是贝塞尔bezier样条四点控制曲线，包括的四个控制点为：样条曲线控制起点p0、样条曲线控制中间控制点p1、样条曲线控制中间控制点p2和样条曲线偏置位移控制点p3；
24.这四个控制点，位于涡轮叶片新型出口边缘的曲线控制坐标系中；
25.其中，横坐标，是控制点在涡轮叶片原始出口边缘的直线径向延伸方向的相对距离位置；
26.纵坐标，是控制点与涡轮叶片原始出口边缘的垂直方向偏移距离，单位为mm。
27.优选地，p0，p1，p2点的位置，纵坐标为零；
28.p0点的固定坐标(0，0)，p1坐标(p1_pos，0)，p2坐标(p2_pos，0)，其中p1_pos取值范围为0.4～0.6，p2_pos取值范围为0.85～0.95；
29.p3点的坐标(1，p3_offset)，横坐标固定为1，纵坐标p3_offset为涡轮叶片新型出口边缘的最远点尖部顶点的偏移距离；p3_offset的取值范围为 0.5～2mm。
30.优选地，p1_pos为0.6，p2_pos为0.9，p3_offset为0.5mm。
31.由以上本实用新型提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本实用新型提供了提高涡轮叶片自振频率的涡轮增压器涡轮叶轮，其结构设计科学，对涡轮叶片出口边缘进行了专门设计，涡轮叶片出口边缘的形状是符合贝塞尔bezier样条曲线的曲线形状，从而改变了涡轮叶片的叶片尖部的悬臂结构，相比原有的涡轮叶片结构，显著提高了涡轮叶片的自振频率，进而提升了涡轮叶片的整体性能，保证了涡轮的可靠性，具有重大的实践意义。
附图说明
32.图1为传统的涡轮叶轮的立体结构示意图；
33.图2为本实用新型提供的提高涡轮叶片自振频率的涡轮增压器涡轮叶轮的立体结构示意图；
34.图3为本实用新型提供的提高涡轮叶片自振频率的涡轮增压器涡轮叶轮的剖面结构示意图，该图还添加绘制了传统的涡轮叶轮具有的涡轮叶片原始出口边缘；
35.图4为本实用新型提供的提高涡轮叶片自振频率的涡轮增压器涡轮叶轮中，为涡轮叶片新型出口边缘5所构建的曲线控制坐标系的示意图；
36.图5为本实用新型提供的提高涡轮叶片自振频率的涡轮增压器涡轮叶轮的立体结构示意图，该图中还添加绘制了传统的涡轮叶轮具有的涡轮叶片原始出口边缘；
37.图中，1为涡轮轮毂，2为涡轮叶片，3为涡轮叶片进口边缘，4为涡轮叶片原始出口边缘，5为涡轮叶片新型出口边缘；
38.61为轮毂曲线边缘，62为轮罩曲线边缘。
具体实施方式
39.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。
40.参见图1至图5所示，本实用新型提供了提高涡轮叶片自振频率的涡轮增压器涡轮叶轮，包括涡轮轮毂1；
41.其中，涡轮轮毂1的上表面四周，围绕涡轮轮毂1的垂直中心轴线，沿周向等间隔分布有多个涡轮叶片2；
42.其中，涡轮叶片2上，与涡轮轮毂1相连接的内侧边缘为轮毂曲线边缘 61；
43.涡轮叶片2上，远离涡轮轮毂1且不与涡轮轮毂1相连接的外侧边缘为轮罩曲线边缘62；
44.轮毂曲线边缘61和轮罩曲线边缘62的形状，均是符合贝塞尔bezier 样条曲线的形状；
45.其中，每个涡轮叶片2的下部外侧，具有涡轮叶片进口边缘3；
46.该涡轮叶片进口边缘3的内侧端，与涡轮轮毂1的上表面相连接；
47.每个涡轮叶片2的顶部，具有涡轮叶片新型出口边缘5；
48.该涡轮叶片新型出口边缘的内侧端，与涡轮轮毂1的上表面相连接；
49.该涡轮叶片新型出口边缘5的形状，是符合贝塞尔bezier样条曲线的曲线形状。
50.在本实用新型中，具体实现上，轮毂曲线边缘61和轮罩曲线边缘62的形状，具体是符合高阶(例如三阶及以上)贝塞尔bezier样条曲线的形状。
51.在本实用新型中，具体实现上，轮罩曲线边缘62下部与涡轮叶片进口边缘3上部相连接处的夹角为钝角，即大于90度的交角
52.在本实用新型中，具体实现上，涡轮叶片进口边缘3，与垂直直线a之间的夹角的角度范围为0～35度，0度为涡轮径向进气，称为径流式涡轮，倾斜角大于零度，即角度非零设计，称为混流式涡轮，特点为径向加轴向进气。
53.需要说明的是，对于本实用新型，本实用新型可以是附图所示的进口边倾斜的混流式涡轮，但是，进口倾角为零度的径流式涡轮，同样适用于本实用新型，在本实用新型中，涡轮叶片频率的提升，主要通过出口边缘的修正获得，进口边缘的倾斜设计在一定程度上也可提升固有的自振频率，但不是主要作用。
54.具体实现上，涡轮叶片进口边缘3，由里向外逐渐向上倾斜(即越靠近涡轮轮毂1的垂直中心轴线，高度越低)，涡轮进口形式为混流式设计。
55.因此，基于以上涡轮叶片进口边缘3的角度和形状设计，改变涡轮废气进入涡轮的气流角度，进口边缘倾斜设计增加了，废气进入涡轮的轴向气流速度分量，有利于涡轮获取较大的进气流量，涡轮流通能力增强，废气做功能力增强，涡轮效率提升。
56.在本实用新型中，具体实现上，对于涡轮叶片新型出口边缘5，其对应的贝塞尔bezier样条曲线，在设计时，包括p0、p1、p2和p3等四个曲线控制点。通过这些曲线控制点，能够精确控制曲线的分布方向，曲线光滑连续可导，使得更加符合高阶bezier样条曲线，有利于精确控制气体流向。
57.在本实用新型中，具体实现上，涡轮叶片新型出口边缘5构建的局部坐标系，横坐标的定义是：叶片径向长度相对位置，范围0
‑
1，纵坐标的定义为：控制点与原叶片(即涡轮叶片原始出口边缘4)的偏移距离(即垂直方向偏移距离)，单位为mm。
58.需要说明的是，在涡轮叶片新型出口边缘5的曲线沿着原始边缘(即涡轮叶片原始出口边缘4)的直线径向延伸方向上，横坐标为0的位置是出口边缘(即涡轮叶片新型出口边
缘5)的曲线与轮毂(即涡轮轮毂1)的曲线的交点位置，横坐标为1位置是出口边缘(即涡轮叶片新型出口边缘5，是曲线形状)曲线沿着原始出口边缘(即涡轮叶片原始出口边缘4)直线延伸方向与轮罩(即涡轮轮毂1)曲线的交点位置，任意一个控制点的横坐标为：该点到横坐标为0的位置与横坐标为0和横坐标为1这两个点之间距离的比值，其值为比值，无单位，其值大小范围为0
‑
1之间，横坐标用于表示：任意一个控制点在原始边缘(即涡轮叶片原始出口边缘4)的直线(即顶部直线)径向延伸方向的相对距离位置。
59.对于本实用新型，可以构建涡轮叶片出口边缘的贝塞尔bezier样条修正曲线，通过特殊设计的四点(即p0、p1、p2和p3等四个曲线控制点)进行控制；
60.具体实现上，涡轮叶片新型出口边缘5对应的贝塞尔bezier样条曲线，是贝塞尔bezier样条四点控制曲线，包括的四个控制点为：样条曲线控制起点p0、样条曲线控制中间控制点p1、样条曲线控制中间控制点p2和样条曲线偏置位移控制点p3；
61.这四个控制点，位于涡轮叶片新型出口边缘5构建的局部坐标系(即曲线控制坐标系)中；
62.其中，p0，p1，p2点的位置，按照原有叶片边缘(即传统涡轮叶轮上的涡轮叶片原始出口边缘4)的顶部直线顺序水平排列，纵坐标为零；
63.p0点的固定坐标(0，0)，p1坐标(p1_pos，0)，p2坐标(p2_pos，0)，其中p1_pos取值范围为0.4～0.6，p2_pos取值范围为0.85～0.95；
64.p3点的坐标(1，p3_offset)，横坐标固定为1，纵坐标p3_offset为涡轮叶片新型出口边缘5的最远点尖部顶点的偏移距离(即与涡轮叶片原始出口边缘4的垂直方向偏移距离)；p3_offset根据涡轮叶片2的实际设计弯曲情况确定，取值范围为0.5～2mm。
65.需要说明的是，对于对本实用新型，涡轮叶轮在传统涡轮叶轮叶片设计的结构的基础上，针对涡轮叶片出口边缘的形状，进行了以样条曲线为设计模型的边缘曲线修正。通过在涡轮叶片出口边缘构建专用设计局部坐标系 (即曲线控制坐标系)，通过特殊设计的四点贝塞尔bezier样条曲线，实现对于涡轮叶片出口边缘形状的样条曲线设计，形成了具有涡轮叶片出口边缘样条曲线修正结构特征的涡轮叶轮。此种结构的涡轮相比传统设计的结构涡轮，修正结构自振频率相比原有叶片结构提升5
‑
10％，提升效果明显。
66.需要说明的是，与现有技术相比较，传统的涡轮叶片的涡轮叶片原始出口边缘为直线结构，通过传统设计方法获得的涡轮，涡轮叶片的悬臂长，涡轮叶片的自振频率低。与传统的涡轮叶片相比，本实用新型提供的提高涡轮叶片自振频率的涡轮增压器涡轮叶轮，设计边缘弯曲的叶片结构，具体设计了叶片新型出口边缘5，可以实现涡轮叶片自振频率的提高，本实用新型的涡轮叶片结构包括如下特征：
67.叶片新型出口边缘5的形状曲线，具有特殊的样条曲线修正特征，按照预先设计的贝塞尔bezier样条曲线形成，具体采取四控制点贝塞尔 bezier曲线构成，具体的控制点包括以下的控制点：
68.样条曲线控制起点p0；
69.样条曲线控制中间控制点p1；
70.样条曲线控制中间控制点p2；
71.样条曲线偏置位移控制点p3；
72.其中贝塞尔bezier曲线四个控制点，位于涡轮叶片新型出口边缘5构建的局部坐
标系中。
73.为了更加清楚地理解本实用新型的技术方案，下面说明本实用新型的涡轮叶片新型出口边缘5对应的贝塞尔bezier样条曲线的具体设计流程如下：
74.参见图1至图5所示，为了设计出本实用新型提供的提高涡轮叶片自振频率的涡轮增压器涡轮叶轮，本实用新型还提供了提高涡轮叶片自振频率的涡轮增压器涡轮叶轮的设计方法，包括以下具体设计步骤:
75.第一步、获取现有的传统涡轮叶轮的三维模型，传统涡轮叶轮的涡轮叶片原始出口边缘4是直线结构的边缘(见图1)；
76.在图1中，传统的涡轮叶轮，包括涡轮轮毂1；涡轮轮毂1的上表面分布有多个涡轮叶片2；每个涡轮叶片2的下部外侧具有涡轮叶片进口边缘3；每个涡轮叶片2的顶部具有涡轮叶片原始出口边缘4。
77.第二步、建立涡轮叶片新型出口边缘5的曲线控制坐标系(见图4)，构建边缘曲线修正样条修正曲线，确定样条曲线控制起点p0、样条曲线控制中间控制点p1、样条曲线控制中间控制点p2以及样条曲线偏置位移控制点p3的坐标，其中，四个控制点的坐标具体如下:
78.p0固定坐标(0，0)，p1坐标(p1_pos，0)，p2坐标(p2_pos，0)， p3坐标(1，p3_offset)；
79.在本实用新型中，具体实现上，在第二步中，p1_pos取值范围0.4～0.6， p2_pos取值范围0.85～0.95；p3_offset根据涡轮叶片2的实际设计弯曲情况确定，取值范围0.5～2mm。优选为：关键设计参数p1_pos为0.6，p2_pos 为0.9，p3_offset为0.5mm(可以根据涡轮叶片新型出口边缘在轮罩处的直径大小进行确定，本例中涡轮叶片新型出口边缘在轮罩直径为45mm，选择 p3_offset为0.5mm，随着涡轮叶片新型出口边缘在轮罩处的直径增加， p3_offset取值相应增加)。
80.第三步，根据p0、p1、p2和p3控制点的坐标，构建贝塞尔bezier样条曲线；
81.第四步，根据第三步构建的贝塞尔bezier样条曲线，来构建涡轮叶片新型出口边缘5；
82.第五步，根据第四步构建的涡轮叶片新型出口边缘5，来对传统涡轮叶轮的三维模型中的叶片原始出口边缘4进行修正，获得具有涡轮叶片新型出口边缘5的涡轮叶轮的三维模型；也就是说，涡轮叶片按照修正出口边缘样条曲线分布进行三维建模；
83.图2为构建完成的本实用新型的涡轮叶轮三维模型，图5中的虚线为根据本实用新型的技术方案，对涡轮叶片原始出口边缘4进行的样条曲线形状修正，可以看到修正前后的形状效果；
84.对于本实用新型，通过对涡轮叶轮的出口边缘进行修正，涡轮叶片的自振频率经过检测，涡轮叶片的1阶和2阶自振频率能够提高5
‑
10％，提升效果明显。
85.基于以上的技术方案可知，与现有技术相比较，本实用新型通过叶片新型出口边缘5的样条曲线特殊控制，最终构建完成了具有涡轮出口边缘样条曲线修正的涡轮叶片结构，修正模型在不改变原有涡轮叶片主体结构的情况下，对于涡轮叶片出口边缘做了特殊的样条修正，此种结构改变了涡轮叶片的叶片尖部的悬臂结构，叶片自振频率提高，相比原有的叶片结构，在气动性能没有较大损失的情况下，修正结构自振频率相比原有叶片结构提升 5
‑
10％，提升效果明显。
86.由以上本实用新型提供的技术方案可见，与现有技术相比较，通过本实用新型的结构，提升了涡轮叶片设计的设计结构范围，设计更加方便，涡轮叶片整体设计性能有了较大的提升。
87.综上所述，与现有技术相比较，本实用新型提供的提高涡轮叶片自振频率的涡轮增压器涡轮叶轮，其结构设计科学，对涡轮叶片出口边缘进行了专门设计，涡轮叶片出口边缘的形状是符合贝塞尔bezier样条曲线的曲线形状，从而改变了涡轮叶片的叶片尖部的悬臂结构，相比原有的涡轮叶片结构，显著提高了涡轮叶片的自振频率，进而提升了涡轮叶片的整体性能，保证了涡轮的可靠性，具有重大的实践意义。
88.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。