CN101949305B - 涡轮增压器复合喷嘴装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡轮增压器复合喷嘴装置，包括涡轮叶轮和与其同轴安装的喷嘴环支撑盘，在喷嘴环支撑盘上设有若干组复合喷嘴叶片，所述复合喷嘴叶片包括移动叶片和静叶片，所述静叶片与喷嘴环支撑盘固定连接，所述移动叶片与动力传动装置传动连接，在发动机的其他工况条件下，传动机构会根据发动机工况的变化而不断地调节移动叶片的位置，通过改变蜗壳喷嘴出口面积来实现对废气能量的控制，能有效的改善增压器的气动性能，尤其是改善发动机在小流量工况下的气动性能，更好的实现与发动机的匹配。

Description

涡轮增压器复合喷嘴装置
技术领域
本发明涉及一种可变截面涡轮增压器，具体的说涉及一种涡轮增压器复合喷嘴装置，能够有效的兼顾发动机的高低速增压要求，尤其是提高低速扭矩性能，属于内燃机领域。
背景技术
随着排放标准的逐步提高，增压器已经成为现代发动机不可缺少的零部件，增压器不仅要承担传统的提高发动机进气密度从而提高发动机功率密度并改善燃烧的功能，还必须能够实现增压压力和发动机排气压力的可调节功能。随着国四排放的实施，可变截面涡轮增压器已经成为增压器行业研发的重点。
目前普遍采用在涡轮内增加旋转喷嘴叶片来满足变截面的要求。它能有效的提高涡轮增压器的效率和拓宽与发动机的匹配范围。
旋叶式可变涡轮增压器1结构示意图如图1所示，旋叶式涡轮增压器的涡轮部分包括涡轮蜗壳5、蜗壳喷嘴7、涡轮叶轮9三部分。涡轮蜗壳5收集的高温废气经过蜗壳进气流道11到达蜗壳喷嘴7，在传动机构4作用下，通过控制喷嘴叶片8的旋转角度来调节蜗壳喷嘴7的出口流通面积，使废气按设计的角度分布到涡轮叶轮9的周边，推动涡轮叶轮9高速旋转。在中间壳3内部浮动轴承12的支撑下，通过涡轮转子轴13带动压气机叶轮14高速旋转，对轴向进入压气机的空气进行压缩，压缩的空气通过压气机壳2的收集后被送入气缸参与发动机的燃烧过程，实现增压的目的。发动机的高温废气在对涡轮叶轮9做完功后，通过蜗壳排气口10排到发动机的排气管路中。
喷嘴环支撑盘6上的喷嘴叶片8通过不同开度来满足与发动机不同工况的匹配。图2所示的a1为大开度。喷嘴叶片尾缘23离涡轮叶片前缘24的距离最近，气动损失最小。此时，增压器与发动机匹配的工况为大流量工况。图3所示的a2为小开度。喷嘴叶片尾缘23离涡轮叶片前缘24的距离最远，喷嘴出口面积最小。此时，增压器与发动机匹配的工况为小流量工况。
通过实际的应用发现这种旋叶式可变涡轮增压器在性能匹配过程中也存在着一些缺点。
当发动机在大流量工况下，喷嘴叶片8的开度最大，喷嘴叶片尾缘23在径向方向上最靠近涡轮叶片前缘24，气流能够按照叶片的导向顺利的吹入涡轮叶轮9做功，所以气动损失很小。但是喷嘴叶片8距离涡轮叶片前缘24较近，废气中的颗粒会对喷嘴叶片8造成较大的磨损。当发动机在小流量的工况下，喷嘴叶片8开度减小，从而减少了喷嘴出口面积，增加了涡轮的进气压力，涡轮输出功增加，从而满足发动机增压压力的要求。但是由于转速相对比较低，在喷嘴叶片8小开度的情况下，喷嘴叶片尾缘23距离涡轮叶片前缘24最远，气流流动路径最长，气动损失最严重，并且在小开度情况下涡轮进气周向速度加大，涡轮变为冲动式涡轮，不利于废气能量的充分利用，使涡轮效率偏低，并且还造成发动机排气背压过高。
因此希望设计一种喷嘴，可应用于可变截面涡轮增压器以重点解决低速喷嘴叶片的气动损失，并提高增压器的效率。通过喷嘴的配合调节来获得比普通旋转喷嘴叶片更合适的气体流动路径，提高涡轮增压器的效率和更好地实现与发动机的低速匹配。
发明内容
本发明要解决的问题是针对旋叶式可变涡轮增压器在小流量工况下气动损失严重、增压器效率偏低的问题，设计一种涡轮增压器复合喷嘴装置，能够有效的解决气体流动损失问题和改善与发动机小流量下工况的匹配效果，满足发动机的增压要求。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种涡轮增压器复合喷嘴装置，包括涡轮叶轮和与其同轴安装的喷嘴环支撑盘，在喷嘴环支撑盘上设有若干组复合喷嘴叶片，所述复合喷嘴叶片包括移动叶片和静叶片，所述静叶片与喷嘴环支撑盘固定连接，所述移动叶片与动力传动装置传动连接。
以下是本发明对上述方案的进一步改进：
喷嘴环支撑盘上与移动叶片对应的位置设有斜槽，所述移动叶片的前缘端部设有移动叶片轴，所述移动叶片轴穿过斜槽与动力传动装置传动连接。
进一步改进：所述移动叶片、所述静叶片与斜槽均为弧形结构。
所述斜槽在设计时考虑了静叶片的气动叶型，尽量使所述移动叶片在沿所述斜槽进行周向和径向运动过程中，移动叶片的弧面与所述静叶片的弧面过渡处不会产生太大的曲面形状突变，这样能减少气体流动过程中的能量损失。
进一步改进：
所述斜槽设置在喷嘴环支撑盘上靠近静叶片前缘的位置，移动叶片相对于静叶片沿斜槽发生移动，移动至径向上距离涡轮叶片前缘最近时，移动叶片与邻近的静叶片之间形成最小的喷嘴出口面积；移动至径向上距离涡轮叶片前缘最远时，移动叶片与邻近的静叶片之间的形成最大的喷嘴出口面积。
在所述的复合喷嘴叶片配合工作过程中，无论发动机工作在大流量还是小流量时，所述静叶片尾缘与涡轮叶片前缘的距离保持不变，由所述移动叶片的移动实现涡轮喷嘴流通截面的变化。随着移动叶片沿斜槽按远离涡轮叶轮的方向运动，涡轮喷嘴出口面积变大；当移动叶片沿斜槽按相反方向移动时，喷嘴出口面积变小，通过改变涡轮喷嘴出口面积来控制废气的能量，进而控制涡轮叶轮的旋转速度，满足发动机的增压要求，以适应发动机不同工况的匹配要求。
进一步改进：
在与复合喷嘴叶片相反一侧的喷嘴环支撑盘上设有若干拨叉，所述拨叉与移动叶片一一对应，所述移动叶片轴穿过斜槽与拨叉连接。
在喷嘴环支撑盘的外圆周上设有拨叉盘，所述拨叉由两个拨叉臂组成，所述两个拨叉臂的共用端通过从动拨叉旋转轴与喷嘴环支撑盘转动连接，其中一个拨叉臂的另一端与拨叉盘转动连接，另一拨叉臂的另一端与移动叶片轴连接。
拨叉盘转动带动所述拨叉的一个拨叉臂绕从动拨叉轴旋转，进而带动与所述移动叶片轴连接的另一个拨叉臂绕从动拨叉轴转动，实现移动叶片进行沿斜槽进行周向和径向运动。
进一步改进：在喷嘴环支撑盘上设有主动旋转轴，所述主动旋转轴上安装有主动拨叉，所述主动拨叉与拨叉盘转动连接。
另一种改进：所述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环支撑盘固定连接。
本发明通过移动叶片和静叶片的配合调节，能使气流按照合理的路线运动到涡轮叶轮，它能根据发动机不同工况的要求，在传动机构的作用下，实现不同的配合角度。在整个过程中，静叶片的位置保持不变，在动力传动装置的驱动下，移动叶片沿斜槽进行周向和径向运动。
这样会有效的减少了普通单一叶片在小流量下叶片尾缘距离涡轮叶片前缘太远，造成严重的气动损失，并且提高了涡轮的做功能力。减少了单一叶片在大流量下因叶片尾缘距离涡轮叶片前缘太近造成的喷嘴叶片的磨损。
当移动叶片沿斜槽移动至径向上距离涡轮叶片前缘最近时，这时移动叶片与邻近的静叶片形成的喷嘴出口面积最小。这时涡轮进口压力升高，使流动气体具有更多的能量。同时复合喷嘴叶片能降低小流量时进气周向速度过高，避免了涡轮叶轮完全变成冲击式叶轮，能提高小流量时的涡轮效率。当流动气体冲击涡轮叶轮时，会有更多的能量转化成涡轮的输出功，从而提高发动机在小流量下的增压压力，更好的实现与发动机在小流量工况下的匹配。
当移动叶片沿斜槽移动至径向上距离涡轮叶片前缘最远时，这时两相邻复合喷嘴叶片形成的喷嘴出口面积最大以保证流通能力。以实现与发动机大流量工况下与发动机的匹配，
在发动机的其他工况条件下，传动机构会根据发动机工况的变化而不断地调节移动叶片的位置，通过改变蜗壳喷嘴出口面积来实现对废气能量的控制，从而实现与发动机各工况的匹配。
综上，采用带移动叶片的复合喷嘴涡轮增压器能有效的改善增压器的气动性能，尤其是改善发动机在小流量工况下的气动性能，更好的实现与发动机的匹配。
下面结合附图和实施例对本发作进一步说明：
附图说明：
图1是背景技术中旋叶式可变涡轮增压器结构示意图；
图2是背景技术中旋叶式喷嘴机构在发动机大流量工况下的结构示意图；
图3是背景技术中旋叶式喷嘴机构在发动机小流量工况下的结构示意图；
图4是本发明实施例中带移动叶片的复合喷嘴的装配结构示意图；
图5是本发明实施例中带移动叶片的复合喷嘴叶片结构示意图；
图6是本发明实施例中移动叶片运动机构的示意图；
图7是本发明实施例中移动叶片的装配示意图；
图8是本发明实施例中发动机在小流量工况下带移动叶片的复合喷嘴的结构示意图；
图9是本发明实施例中发动机在大流量工况下带移动叶片的复合喷嘴的结构示意图。
图中：1-旋叶式可变涡轮增压器
Figure BSA00000258574600061
2-压气机壳；3-中间壳；4-传动机构；5-涡轮蜗壳；6-喷嘴环支撑盘；7-蜗壳喷嘴；8-喷嘴叶片；9-涡轮叶轮；10-蜗壳排气口；11-蜗壳进气流道；12-浮动轴承；13-涡轮转子轴；14-压气机叶轮；15-拨叉；16-拨叉盘；17-移动叶片；18-静叶片；19-斜槽；20-移动叶片轴；21-静叶片焊接轴；22-静叶片尾缘；23-喷嘴叶片尾缘；24-涡轮叶片前缘；25-主动旋转轴；26-主动拨叉；27-从动拨叉旋转轴；28-复合喷嘴叶片。
具体实施方式
实施例，如图4所示，一种涡轮增压器复合喷嘴装置，它包括涡轮叶轮9和与其同轴安装的喷嘴环支撑盘6，在喷嘴环支撑盘6上呈环形均匀设有若干组复合喷嘴叶片28，每组复合喷嘴叶片28包括一个移动叶片17和一个静叶片18。在喷嘴环支撑盘上开有若干斜槽19，所述斜槽19与移动叶片17一一对应，
所述移动叶片17、所述静叶片18与斜槽19均为弧形结构，在设计斜槽19时，尽量使所述移动叶片17在沿所述斜槽19运动过程中，移动叶片17的弧面与所述静叶片18的弧面过渡处不会产生太大的曲面形状突变，这样能减少气体流动过程中的能量损失，提高废气能力量的利用。
如图5所示，移动叶片17可以沿着喷嘴环支撑盘上的斜槽进行径向和周向运动，与静叶片18一起来配合实现工作。静叶片18通过静叶片焊接轴21被固定安装在喷嘴环支撑盘上。移动叶片17设有移动叶片轴20，所述移动叶片轴20穿过斜槽19与动力传动装置传动连接。
如图6所示，所述动力传动装置包括设置在与复合喷嘴叶片相反一侧的喷嘴环支撑盘6上的若干拨叉15，所述拨叉15与移动叶片17一一对应，所述移动叶片轴20穿过斜槽19与拨叉15连接，在喷嘴环支撑盘6的外圆周上设有拨叉盘16，所述拨叉15由两个拨叉臂组成，所述两个拨叉臂的共用端通过从动拨叉轴27与喷嘴环支撑盘6转动连接，其中一个拨叉臂的另一端与拨叉盘16进行转动连接，另一拨叉臂的另一端与移动叶片轴20进行连接。
在喷嘴环支撑盘6上设有主动旋转轴25，所述主动旋转轴25上安装有主动拨叉26，所述主动拨叉26与拨叉盘16转动连接，在传动机构的作用下，主动旋转轴25带动主动拨叉26旋转，进而带动拨叉盘16转动。拨叉盘16转动又带动拨叉15的一个拨叉臂绕从动拨叉旋转轴27旋转，进而带动与移动叶片轴20连接的另一个拨叉臂绕从动拨叉轴27转动。
动力传动装置驱动移动叶片17沿着斜槽19设定的轨迹进行径向和周向运动，实现改变涡轮喷嘴出口面积的作用。
如图7所示，拨叉15安装在与移动叶片17相反一侧的喷嘴环支撑盘16上，移动叶片17通过移动叶片轴20与拨叉15相连接。拨叉15带动移动叶片轴20运动，使移动叶片17沿斜槽进行周向和径向运动。
如图8所示，所述斜槽19设置在喷嘴环支撑盘6上靠近静叶片18前缘的位置，移动叶片17相对于静叶片18沿斜槽19发生移动，移动至斜槽19的前缘位置时，即移动至径向上距离涡轮叶片前缘24最近时，移动叶片17与邻近的静叶片18之间形成最小的喷嘴出口面积，移动叶片17与相邻静叶片18相互作用完成气流的导向工作，气动损失大大减少。
如图9所示，移动叶片17相对于静叶片18沿斜槽19发生移动，移动至斜槽19的后缘位置时，即移动至径向上距离涡轮叶片前缘24最远时，移动叶片17与邻近的静叶片18之间的形成最大的喷嘴出口面积。
静叶片尾缘22距离涡轮叶片前缘24的距离仍然不变。这时两邻近复合喷嘴叶片28共同完成气流的导向作用，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。
在发动机的其他工况条件下，传动机构会根据发动机工况的变化而不断地调节移动叶片的位置，通过改变蜗壳喷嘴出口面积来实现对废气能量的控制，从而实现与发动机各工况的匹配。
本发明专利针对可变喷嘴涡轮增压器的需求，完成了由移动叶片和静叶片组成的涡轮增压器复合喷嘴装置的开发，有效的控制和利用了废气能量。该复合喷嘴叶片可以由同类材料和现有的铸造及加工技术完成。复合喷嘴中的移动、静叶片大多采用实心结构，移动、静叶片的功能可以根据结构需要相互替换。

Claims (2)

1.一种涡轮增压器复合喷嘴装置，包括涡轮叶轮(9)和与其同轴安装的喷嘴环支撑盘(6)，在喷嘴环支撑盘(6)上设有若干组复合喷嘴叶片(28)，其特征在于：所述复合喷嘴叶片(28)包括移动叶片(17)和静叶片(18)，所述静叶片(18)与喷嘴环支撑盘(6)固定连接，移动叶片(17)与动力传动装置传动连接；
喷嘴环支撑盘(6)上与移动叶片(17)对应的位置设有斜槽(19)，所述移动叶片(17)的前缘端部设有移动叶片轴(20)，所述移动叶片轴(20)穿过斜槽(19)与动力传动装置传动连接；
所述移动叶片(17)、所述静叶片(18)与斜槽(19)均为弧形结构；
所述斜槽(19)设置在喷嘴环支撑盘(6)上靠近静叶片(18)前缘的位置，移动叶片(17)相对于静叶片(18)沿斜槽(19)移动，当所述移动叶片(17)移动至斜槽(19)的前缘位置时，移动叶片(17)与邻近的静叶片(18)之间形成最小的喷嘴出口面积；当所述移动叶片(17)移动至斜槽(19)的后缘位置时，移动叶片(17)与邻近的静叶片(18)之间形成最大的喷嘴出口面积；
所述动力传动装置包括设置在与复合喷嘴叶片相反一侧的喷嘴环支撑盘(6)上的若干拨叉(15)，所述拨叉(15)与移动叶片(17)一一对应，所述移动叶片轴(20)穿过斜槽(19)与拨叉(15)连接；
在喷嘴环支撑盘(6)的外圆周上设有拨叉盘(16)，所述拨叉(15)由两个拨叉臂组成，所述两个拨叉臂的共用端通过从动拨叉旋转轴(27)与喷嘴环支撑盘(6)转动连接，其中一个拨叉臂的另一端与拨叉盘(16)转动连接，另一拨叉臂的另一端与移动叶片轴(20)连接；
在喷嘴环支撑盘(6)上设有主动旋转轴(25)，所述主动旋转轴(25)上安装有主动拨叉(26)，所述主动拨叉(26)与拨叉盘(16)转动连接。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器复合喷嘴装置，其特征在于：所述静叶片(18)的端部设有静叶片焊接轴(21)，所述静叶片焊接轴(21)与喷嘴环支撑盘(6)固定连接。
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