CN101109295A - 可变截面涡轮增压器的复合喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变截面涡轮增压器的复合喷嘴，包括动力涡轮和与动力涡轮同轴连接的喷嘴支撑盘，所述喷嘴支撑盘上设有若干个复合喷嘴叶片，所述复合喷嘴叶片由喷嘴动叶片和喷嘴静叶片组成，所述喷嘴动叶片的端部设有动叶片旋转轴，所述喷嘴动叶片通过动叶片旋转轴与喷嘴支撑盘转动连接，通过动、静叶片配合，实现气流调节，有效的解决了目前喷嘴式可变截面涡轮增压器中单一的气动喷嘴所固有的气动调节缺陷。

Description

可变截面涡轮增压器的复合喷嘴

技术领域

本发明涉及可变截面涡轮增压器，尤其涉及一种通过配置在涡轮增压器的涡轮壳体内的若干旋转叶片调整废气进气方向的旋转叶片的结构改进的可变截面涡轮增压器的复合喷嘴，属于内燃机领域。

背景技术

涡轮增压器是利用发动机排出的废气，按照一定的路线流入涡轮增压器的涡轮壳内以驱动涡轮，并带动与涡轮同轴的压气机叶轮高速旋转，新鲜空气在压气机叶轮离心力的作用下被压缩进入发动机的汽缸，由于空气密度大，从而增加了发动机的充气量，可供更多的燃油完全燃烧，提高了发动机的功率、节省了燃油的消耗率，同时由于燃烧条件的改善，减少了废气中CO、HC、NO_X以及PM等有害物的排放，经过对发动机废气气流的引导作用也同步降低了发动机的噪音。

对于涡轮增压器，我们常常希望通过控制流入涡轮的废气流量，以改善涡轮增压器的效率和匹配范围。随着对柴油机和汽油机经济性和排放指标需求的不断提升，可变截面涡轮增压器的结构已经逐步满足这些需求。

可变喷嘴涡轮增压器就是可变截面涡轮增压器的一种。如图1所示，可变喷嘴涡轮增压器大致包括一中间壳2，其一端连接一压气机壳1，另一端连接涡轮壳4。包含在中间壳体内的轴承8支撑转子轴19，转子轴可以高速旋转。动力涡轮7和压气机叶轮9通过转子轴19连接于轴的两端。动力涡轮7和压气机叶轮9并分别支撑在涡轮壳4和压气机壳1内。中间壳2通过螺栓与涡轮壳4及压气机壳1连接。图2中表示了已知可变喷嘴涡轮增压器的涡轮机部分，该涡轮机部分包括一涡轮壳4，涡轮壳4具有一个可以用于接收废气的涡壳进口20和一个用于引导废气到发动机排气***的涡壳出口21。多个喷嘴叶片6通过喷嘴环支撑盘5连接后安装在涡轮壳4中，喷嘴环支撑盘5与涡轮壳喷嘴内壁22形成了气流通道的两个喷嘴壁。动力涡轮7通过转子轴19支撑后安装于喷嘴叶片6的径向内侧。多个喷嘴叶片6分别与多个拨叉10分别按照固定角度连接，在传动机构3的带动下向内或向外径向移动喷嘴叶片6。从而控制从涡轮壳进口20进入的高温废气按照一定的角度和开度进入动力涡轮7，带动压气机叶轮9旋转压缩气体。喷嘴环内壁通道通过支撑套11进行轴向定位，确保喷嘴叶片6能够在使用中自由转动。

在可变喷嘴涡轮增压器中通过控制传动机构来带动分布在涡轮壳进气通道中的若干摆动喷嘴叶片，这些喷嘴叶片被共同控制，通过调整叶片的不同角度来改变叶片间流道的喉口面积，从而起到控制进入涡轮的废气能量的作用。为确保可变喷嘴涡轮增压器能够按照要求准确的工作，各叶片需要能够按照废气流量的控制动作在涡轮壳内部自由的改变位置和变换角度。如图3所示，表示了已知的喷嘴叶片6在喷嘴环支撑盘5中通过传动机构3带动相对于动力涡轮7的旋转轴线进行旋转。从而影响相邻喷嘴叶片6形成a1的开度。图3所示a1为大开度，喷嘴叶片尾缘23距离涡轮叶片进口24距离最近，气动损失小。此时，增压器与发动机的匹配工况为大流量工况。如图4所示，表示了已知的喷嘴叶片6在喷嘴环支撑盘5中通过传动机构3带动相对于动力涡轮7的旋转轴线进行旋转。从而影响相邻喷嘴叶片6形成a2的开度。图3所示a2为小开度，喷嘴叶片尾缘23距离涡轮叶片进口24距离最远，气动损失大。此时，增压器与发动机的匹配工况为小流量工况，气动损失对增压器效率影响大。

已知的多叶片可变喷嘴涡轮增压器包含多个带有旋转轴的喷嘴叶片，每个叶片通过旋转轴被安装在与涡轮壳配合的支撑盘内。利用焊接或者铆接的方式形成一个可以旋转的整体，然后通过控制机构和传动机构进行动作。这种带旋转叶片的可变喷嘴结构被大量应用在国外的可变截面增压器上。

通过实际应用发现这种可变喷嘴增压器在性能匹配过程中存在一些缺点。喷嘴叶片在使用过程中以固定的传动轴为中心同步旋转，在发动机大流量工况下叶片开度最大，旋转叶片尾缘在直径方向最靠近涡轮增压器的动力涡轮，气流能够按照导向顺利的进入涡轮作功。按照需求，在发动机低转速、小流量的工况点，旋转叶片开度最小，以维持增压器在一个合理的转速下工作，从而满足发动机的增压压力需求。因为旋转因素，在小开度情况下，旋转叶片尾缘在直径方向上离增压器的动力涡轮最远，气流流动路径最长。因此，在低速、小流量工况下该类型可变截面增压器的气流损失大，这些气流损失对于发动机低速工况本身有限的废气能量来说影响是巨大的。

因此，希望设计一种喷嘴，应用于可变喷嘴涡轮增压器以解决低速喷嘴叶片损失问题。通过喷嘴配合调节，以获得比普通旋转叶片在低速工况下更合适的气流传动路径，从而改善与发动机的低速匹配问题。

发明内容

本发明所要解决的问题是解决可变喷嘴涡轮增压器中叶片式喷嘴的气动调节局限性，提供一种可变截面涡轮增压器的复合喷嘴，能够有效解决气流路线问题和改善发动机低速、小流量工况下的匹配效果。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种可变截面涡轮增压器的复合喷嘴，包括动力涡轮和与动力涡轮同轴连接的喷嘴支撑盘，所述喷嘴支撑盘上设有若干个复合喷嘴叶片，其特征是：所述复合喷嘴叶片由喷嘴动叶片和喷嘴静叶片组成，所述喷嘴动叶片的端部设有动叶片旋转轴，所述喷嘴动叶片通过动叶片旋转轴与喷嘴支撑盘转动连接，通过动、静叶片配合，实现气流调节。

以下是本发明对上述方案的进一步改进：

所述喷嘴动叶片和喷嘴静叶片分别具有弧形结构，所述喷嘴静叶片的外侧具有弧形台阶，所述喷嘴动叶片位于弧形台阶上与喷嘴静叶片配合连接，所述喷嘴动叶片的外圆弧与喷嘴静叶片的外圆弧位于同一弧形面上，所述复合喷嘴中的动叶片通过拨叉盘带动旋转，初始位置受静叶片影响，按照固定方向开启一定角度。

所述喷嘴支撑盘上设有与喷嘴动叶片弧形一致的叶栅，当喷嘴动叶片打开至最大角度时，所述叶栅与喷嘴动叶片位于同一弧形面上，复合喷嘴中的动、静叶片能够形成不同的叶栅组合，叶栅与复合喷嘴动叶片配合，有效解决了喷嘴叶片尾缘气流导向问题。

所述喷嘴支撑盘远离动力涡轮的一侧设有若干个拨叉，所述拨叉与复合喷嘴叶片一一对应，所述所述喷嘴支撑盘上设有喷嘴环旋转孔，所述动叶片旋转轴穿过喷嘴环旋转孔与拨叉连接。

所述喷嘴静叶片的端部设有静叶片焊接轴，所述静叶片焊接轴与喷嘴支撑盘固定连接。

所述复合喷嘴动叶片相对复合喷嘴静叶片未发生旋转时，所述复合喷嘴叶片与相邻的复合喷嘴叶片之间形成最大的喷嘴角度，所述复合喷嘴叶片中动叶片尾缘距离涡轮进口距离最近，所述复合喷嘴动叶片相对复合喷嘴静叶片旋转至最大角度时，所述复合喷嘴叶片与相邻的复合喷嘴叶片之间形成最小的喷嘴角度，复合喷嘴叶片中静叶片尾缘距离涡轮进口距离最近。

有益效果：

本发明通过对复合喷嘴叶片的设计开发，有效的解决了目前喷嘴式可变截面涡轮增压器中单一的气动喷嘴所固有的气动调节缺陷。本发明中的复合喷嘴结构采用动、静喷嘴叶片配合的方法，能够按照需要形成多种配合角度，从而有效引导气流方向，按照需要以合理的方式传输到涡轮增压器的动力涡轮。复合喷嘴中的动静叶片经过合理的气动设计，能够有效的改善可变喷嘴涡轮增压器的匹配效果，尤其是改善低速匹配效果。复合喷嘴中的动叶片作为旋转叶片，实现了单一气动喷嘴的调节功能；复合喷嘴动的静叶片在整个调节过程中角度不发生变化。动叶片旋转前与静叶片形成的气流角适合发动机大流量工况；旋转后的动叶片能够与静叶片形成适合发动机低速工况的气流角。因此在低速匹配时，静叶片与相邻的动叶片形成了一个合理的气流通道，同时，静叶片的位置能够有效的缩短喷嘴出口的气流流动距离，减少气流损失。

综上，采用复合喷嘴后的可变喷嘴涡轮增压器能够有效的改善增压器的气动性能，装配过程同原先的可变喷嘴增压器没有大的变化。在目前涡轮增压器逐步向可变截面增压器过度的时机，复合喷嘴结构具有广阔的市场推广价值，能取得良好的应用效果。

下面结合附图和实施例对本发明专利作进一步的说明：

附图说明

附图1是背景技术中可变喷嘴涡轮增压器的结构示意图；

附图2是背景技术中采用普通喷嘴叶片的涡轮增压器的涡轮壳体的分解投影图；

附图3是背景技术中可调喷嘴机构在发动机大流量工况下的结构示意图；

附图4是背景技术中可调喷嘴机构在发动机小流量工况下的结构示意图；

附图5是本发明实施例中复合喷嘴装配的结构示意图；

附图6是本发明实施例中复合喷嘴叶片的结构示意图；

附图7是本发明实施例中复合喷嘴动、静叶片装配的结构示意图；

附图8是本发明实施例中在发动机大流量工况下复合喷嘴的结构示意图；

附图9是本发明实施例中在发动机小流量工况下复合喷嘴的结构示意图；

附图10是本发明实施例2中复合喷嘴装配的结构示意图。

图中各部分的名称：1-压气机壳、2-中间壳、3-传动机构、4-涡轮壳、5-喷嘴环支撑盘、6-喷嘴叶片、7-动力涡轮、8-轴承、9-压气机叶轮、10-拨叉、11-支撑套、12-喷嘴动叶片、13-喷嘴静叶片、14-复合喷嘴支撑盘、15-串联叶栅、16-喷嘴环旋转孔、17-动叶片旋转轴、18-静叶片焊接轴、19-转子轴、20-涡壳进口、21-涡壳出口、22-涡壳喷嘴内壁、23-喷嘴叶片缘、24-涡轮叶片进口、25-复合喷嘴叶片、26-动叶片尾缘、27-静叶片尾缘。

具体实施方式

实施例1，如图5所示，一种可变截面涡轮增压器的复合喷嘴，包括动力涡轮7和与动力涡轮7同轴连接的喷嘴支撑盘14，喷嘴支撑盘14上设有若干个复合喷嘴叶片25，复合喷嘴叶片25由喷嘴动叶片12和喷嘴静叶片13组成，喷嘴动叶片12的端部设有动叶片旋转轴17，喷嘴动叶片12通过动叶片旋转轴17与喷嘴支撑盘14转动连接，喷嘴静叶片13固定在喷嘴支撑盘14上，喷嘴动叶片12和喷嘴静叶片13分别具有弧形结构，如图6所示，喷嘴动叶片12可以绕动叶片旋转轴17相对于喷嘴静叶片13进行转动，从而实现复合喷嘴叶片的工作原理，如图7所示，喷嘴静叶片13的外侧具有弧形台阶，喷嘴动叶片12位于弧形台阶上与喷嘴静叶片13配合连接，喷嘴动叶片12的外圆弧与喷嘴静叶片13的外圆弧位于同一圆弧面上，喷嘴动叶片12的端部设有动叶片旋转轴17，喷嘴支撑盘14远离动力涡轮7的一侧设有若干个拨叉10，拨叉10与复合喷嘴叶片25一一对应，喷嘴支撑盘14上设有喷嘴环旋转孔16，动叶片旋转轴17穿过喷嘴环旋转孔16与拨叉10连接。

如图8所示，传动机构带动复合喷嘴叶片25相对于动力涡轮7的旋转轴线进行旋转，复合喷嘴叶片25中的喷嘴动叶片12相对于静叶片13未发生转动时，复合喷嘴叶片25与相邻的复合喷嘴叶片之间形成最大的喷嘴角度，复合喷嘴叶片25中动叶片尾缘26距离涡轮进口24距离最近，静叶片尾缘27进行气流导向，气动损失小，此时，增压器与发动机的匹配工况为大流量工况。

如图9所示，传动机构带动复合喷嘴叶片25中的喷嘴动叶片12相对于动力涡轮7的旋转轴线进行旋转，喷嘴动叶片12相对于喷嘴静叶片13发生转动时，复合喷嘴叶片25与相邻的复合喷嘴叶片之间形成最小的喷嘴角度，复合喷嘴叶片25中静叶片尾缘27距离涡轮进口24距离最近，喷嘴静叶片13和相邻的喷嘴动叶片12共同作用，进行气流导向。此时，复合喷嘴有效解决了气流路径问题，气动损失大大减小。因此，解决了可调喷嘴增压器与发动机低速小流量配试时效率降低的问题。

本发明专利针对可变喷嘴涡轮增压器的需求，完成了由动静叶片组成的复合喷嘴结构的开发，有效的控制和利用了涡轮增压器所引入的废气能量。该复合叶片可以由同类材料和现有的铸造及加工技术完成。复合喷嘴中的动静叶片大多采用实心结构，动静叶片的功能可以根据结构需要相互替换。

实施例2，如图5所示，一种可变截面涡轮增压器的复合喷嘴，包括动力涡轮7和与动力涡轮7同轴连接的喷嘴支撑盘14，喷嘴支撑盘14上设有若干个复合喷嘴叶片25，复合喷嘴叶片25由喷嘴动叶片12和喷嘴静叶片13组成，喷嘴动叶片12的端部设有动叶片旋转轴17，喷嘴动叶片12通过动叶片旋转轴17与喷嘴支撑盘14转动连接，喷嘴静叶片13固定在喷嘴支撑盘14上，喷嘴动叶片12和喷嘴静叶片13分别具有弧形结构，如图6所示，喷嘴动叶片12可以绕动叶片旋转轴17相对于喷嘴静叶片13进行转动，从而实现复合喷嘴叶片的工作原理，如图7所示，喷嘴静叶片13的外侧具有弧形台阶，喷嘴动叶片12位于弧形台阶上与喷嘴静叶片13配合连接，喷嘴动叶片12的外圆弧与喷嘴静叶片13的外圆弧位于同一圆弧面上，喷嘴动叶片12的端部设有动叶片旋转轴17，喷嘴支撑盘14远离动力涡轮7的一侧设有若干个拨叉10，拨叉10与复合喷嘴叶片25一一对应，喷嘴支撑盘14上设有喷嘴环旋转孔16，动叶片旋转轴17穿过喷嘴环旋转孔16与拨叉10连接。

如图8所示，传动机构带动复合喷嘴叶片25相对于动力涡轮7的旋转轴线进行旋转，复合喷嘴叶片25中的喷嘴动叶片12相对于喷嘴静叶片13未发生转动时，复合喷嘴叶片25与相邻的复合喷嘴叶片之间形成最大的喷嘴角度，复合喷嘴叶片25中动叶片尾缘26距离涡轮进口24距离最近，静叶片尾缘27进行气流导向，气动损失小，此时，增压器与发动机的匹配工况为大流量工况。

如图9所示，传动机构带动复合喷嘴叶片25中的喷嘴动叶片12相对于动力涡轮7的旋转轴线进行旋转，喷嘴动叶片12相对于喷嘴静叶片13发生转动时，复合喷嘴叶片25与相邻的复合喷嘴叶片之间形成最小的喷嘴角度，复合喷嘴叶片25中静叶片尾缘27距离涡轮进口24距离最近，喷嘴静叶片13和相邻的喷嘴动叶片12共同作用，进行气流导向，此时，复合喷嘴有效解决了气流路径问题，气动损失大大减小。因此，解决了可调喷嘴增压器与发动机低速小流量配试时效率降低的问题。

如图10所示，喷嘴支撑盘14上设有与喷嘴动叶片12弧形一致的叶栅15，当喷嘴动叶片12打开至最大角度时，所述叶栅15与喷嘴动叶片12位于同一弧形面上，叶栅15与喷嘴动叶片12的动叶片尾缘26共同进行气流导向，能够进一步完善复合喷嘴结构中的气流导向问题。可以进一步减少气动损失，提高低速效率。

本发明专利针对可变喷嘴涡轮增压器的需求，完成了由动静叶片组成的复合喷嘴结构的开发，有效的控制和利用了涡轮增压器所引入的废气能量，该复合叶片可以由同类材料和现有的铸造及加工技术完成，复合喷嘴中的动静叶片大多采用实心结构，动静叶片的功能可以根据结构需要相互替换。

我们按照国家专利法的相关规定对本发明进行了详细的描述，对于本领域的技术人员根据本文所公开的具体实施例的改进或代替，如果这些修改是在本发明的精神和范围内，应落入本发明的的保护范围。

Claims (6)

1.一种可变截面涡轮增压器的复合喷嘴，包括动力涡轮(7)和与动力涡轮(7)同轴连接的喷嘴支撑盘(14)，所述喷嘴支撑盘(14)上设有若干个复合喷嘴叶片(25)，其特征是：所述复合喷嘴叶片(25)由喷嘴动叶片(12)和喷嘴静叶片(13)组成，所述喷嘴动叶片(12)的端部设有动叶片旋转轴(17)，所述喷嘴动叶片(12)通过动叶片旋转轴(17)与喷嘴支撑盘(14)转动连接，所述喷嘴静叶片(13)固定在喷嘴支撑盘(14)上。

2.根据权利要求1所述的可变截面涡轮增压器的复合喷嘴，其特征是：所述喷嘴动叶片(12)和喷嘴静叶片(13)为弧形结构，所述喷嘴静叶片(13)上具有弧形台阶，所述喷嘴动叶片(12)位于弧形台阶上。

3.根据权利要求1或2所述的可变截面涡轮增压器的复合喷嘴，其特征是：所述喷嘴支撑盘(14)上设有与喷嘴动叶片(12)弧形一致的叶栅(15)，当喷嘴动叶片(12)打开至最大角度时，所述叶栅(15)与喷嘴动叶片(12)位于同一弧形面上。

4.根据权利要求3所述的可变截面涡轮增压器的复合喷嘴，其特征是：所述喷嘴支撑盘(14)远离动力涡轮(7)的一侧设有若干个拨叉(10)，所述动叶片旋转轴(17)穿过喷嘴支撑盘(14)与拨叉(10)连接。

5.根据权利要求4所述的可变截面涡轮增压器的复合喷嘴，其特征是：所述喷嘴静叶片(13)的端部设有静叶片焊接轴(18)，所述静叶片焊接轴(18)与喷嘴支撑盘(14)固定连接。

6.根据权利要求5所述的可变截面涡轮增压器的复合喷嘴，其特征是：所述复合喷嘴动叶片(12)相对复合喷嘴静叶片(13)未发生旋转时，所述复合喷嘴叶片(25)中动叶片尾缘(26)距离涡轮进口(24)距离最近，所述复合喷嘴动叶片(12)相对复合喷嘴静叶片(13)旋转至最大角度时，复合喷嘴叶片(25)中静叶片尾缘(27)距离涡轮进口(24)距离最近。

Images