CN102296995A

CN102296995A - 用于向涡轮引导废气的叶片

Info

Publication number: CN102296995A
Application number: CN2011102229488A
Authority: CN
Inventors: A·默罕默德; S·麦肯兹; S·纳西尔; M·格罗斯克罗伊茨
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Garrett Power Technology (Shanghai) Co.,Ltd.
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2031-06-24
Also published as: EP3048253B8; US20110314808A1; EP3048253B1; EP3048253A1; CN102296995B; US8834104B2; EP2402558A1; EP2402558B1

Abstract

本发明涉及用于向涡轮引导废气的叶片。用于涡轮增压器的涡轮机组件的叶片，包括具有一对流动表面的翼型，这一对流动表面设置在毂端和罩端之间以及前缘和后缘之间，其中翼型进一步具有非零的偏移角度，非零的倾斜角度，非零的扭转角度或它们的任何两种或更多的组合。本发明同样对装置，组件，***，方法等其他各种实施例进行了公开。

Description

用于向涡轮引导废气的叶片

技术领域

本发明所要描述的主题总体涉及到用于内燃机的涡轮机械，并且特别涉及到用于向涡轮引导废气的叶片。

背景技术

用于向涡轮引导废气的常规叶片往往是“堆叠”的。堆叠指的是沿叶片轴线挤压成型的二维翼型轮廓或外形。可变几何形状涡轮机的可旋转叶片的挤压轴线通常和与叶片杆相关联的旋转轴线重合。常规叶片的单个二维翼型轮廓决定了叶片的控制转矩和尾流。控制转矩对控制规划和磨损产生影响，尾流对涡轮的性能产生影响。在对转矩和磨损问题提供合乎要求的解决方案方面，常规的单一的二维翼型轮廓方案被证明并非最佳。如本文所述，与常规的单一的二维翼型轮廓的叶片相比较，各种不同的叶片均提供了增强的转矩和磨损性能特点。

附图说明

对本文中所述的各种方法，装置，设备，***，布置等，或它们的等同方式的更全面的理解，可通过下述结合相应附图的详细说明得到：

图1示出了涡轮增压器和内燃机的简图；

图2示出了涡轮组件的剖面图，该涡轮组件包括向涡轮引导废气的可调节叶片；

图3示出了具有偏移、倾斜和扭转的叶片的透视图；

图4和图5是图示了偏移、倾斜和扭转以及拱曲线特征的绘图；

图6是图示了偏移、倾斜和扭转特征的一系列叶片视图；

图7是各种不同的偏移、倾斜和扭转数值的试验数据的一系列表格；

图8是叶片的一个实施例的一系列视图；

图9是叶片的一个实施例的一系列视图；

图10是各种不同的特征组合的试验数据的一系列表格；以及

图11是包括各种不同的叶片示例的试验数据和标准叶片数据的一系列绘图。

具体实施方式

可变喷嘴涡轮机中的叶片设计与涡轮增压器的磨损和耐用性相关。叶片翼型的特征在某种程度上决定了，在叶片的控制轴附近产生的转矩以及产生的尾流，而这影响涡轮的性能和可靠性。至于叶片翼型的特征，某些特征有益于转矩的降低，而某些特征有益于尾流的降低。如本文所述，在不同的实施例中，提供了具有有益特征的叶片。特别地，本文中提供的各种不同的叶片证实了，不同类型的翼型轮廓可被组合以对叶片优化。有时，该方法被称为轮廓融合，其中多种轮廓融合在一起以同时减小控制转矩和尾流。轮廓融合可***多种轮廓以形成一个三维表面。例如，叶片的三维表面可包括随叶片高度的变化。这种变化在某种程度上可由扭转角度(如，沿叶片高度的交错角变化)来表示。在不同的实施例中，三维叶片包括随叶片高度变化的以下特征中的一个或多个：交错角、从前缘至后缘的长度、中心线角度以及厚度(如，叶片宽度)。虽然叶片的高度一般相对于沿叶片长度的方向保持不变，但叶片可进一步包括在叶片高度上的变化。本文中给出的试验数据证实了轮廓融合的提高的性能特征。

在不同实施例中，叶片可被用于常规的可变几何形状涡轮机中，然而，为了利用增强了的性能特征，涡轮可被配置为与叶片相匹配。这种涡轮可以被称为被构造成适用于轮廓融合叶片的涡轮。特别地，轮廓融合叶片的改进的尾流使得能够创造新的涡轮，该新的涡轮比常规的涡轮更高效，例如，当用于常规可变几何形状涡轮机时。

本文中的各种叶片来源于对轮廓的分析，这些轮廓在各种不同的叶片交错角(叶片位置)下产生例如，平坦的转矩特性。从计算流体动力学(CFD)分析中得出的试验数据表明，通过增加作用在处于未加载叶片位置(为零和接近零的与来流的攻角)的叶片枢转轴上的气动转矩，转矩逆转以低叶片膨胀比(ERs)被降低或消除。通过降低作用在处于高加载叶片位置(与来流的攻角较高)的叶片枢转轴上的气动转矩，降低了具有多个叶片的组件的磨损和调节(如，绕枢转轴转动叶片)所需的致动。

这种叶片的设计参数包括，例如：(a)中心线弯曲角度的分布：构造成带有多个负和正拱曲的拐点以实现目标转矩特征；(b)上和下表面的厚度分布(如，通常在中心线两侧上相同)；(c)叶片枢轴相对于中心线的轴向和径向位置(如，被定位在压力的气动中心的一侧上以防止气动转矩的方向逆转)；(d)前缘半径和后缘半径；(e)叶片长度(如，被限制为大于或等于保证叶片到叶片的关闭(叶片之间为零流动区)所需的最小值。

如下文进一步讨论地，对叶片转矩和高循环疲劳(HCF)结果进行了分析，并与现有的叶片设计进行了比较。本文所描述的各种三维轮廓融合叶片被构造为具有三维叶片偏移、倾斜和扭转角度中的一个或多个，以降低叶片后缘的尾流和转子/定子相互作用的冲击强度，从而在满足所需转矩特征(如，无方向逆转和更低的致动力)的同时降低不稳定的涡轮轮叶负载。对于“三维”叶片，按照本文定义，偏移角、倾斜角或扭转角为非零的角度。通过CFD分析，二维和三维叶片的实施例显示了比被比基线设计更好的转矩特征。这种叶片适于与常规可变几何形状涡轮机(如，由霍尼韦尔运输和动力***销售的GT35DAVNT^TM和GT22AVNT^TM)一起使用。

涡轮增压器常用于增加内燃机的输出。参见图1，一种常规***100包括内燃机110和涡轮增压器120。所述内燃机110包括发动机缸体118，所述发动机缸体118包含一个或多个可操作地驱动轴112的燃烧室。如图1所示，进气口114为空气提供到达发动机缸体118的流动路径，而排放口116为废气提供了离开发动机缸体118的流动路径。

涡轮增压器120工作以从废气中提取动力并向进气空气提供能量，所述进气空气可与燃料组合以形成燃烧气体。如图1所示，涡轮增压器120包括空气进口134，轴122，压缩机124，涡轮机126，壳体128和废气出口136。壳体128由于其被设置在压缩机124和涡轮机126之间，因此可被称为中间壳体。轴122可以是包括多个部件的轴组件。

这种涡轮增压器可包括一个或多个的可变几何形状单元，其中可变几何形状单元可利用多个可调叶片，可调扩散器部分，废气门或其他特征以控制废气流动(如，可变几何形状涡轮机)或控制进气空气的流动(如，可变几何形状压缩机)。在图1中，涡轮增压器120进一步包括可变几何形状机械装置130和致动器或控制器132。所述可变几何形状机械装置130实现对进入涡轮机126的废气流动的调节或改变。

定位在通向涡轮机的进口处的可调叶片能够操作以控制到达涡轮机的废气的流动。例如，

涡轮增压器调节涡轮机入口处的废气流动以使用所需负载对涡轮机动力进行优化。叶片朝向关闭位置的运动通常使废气更多地沿切线方向进入涡轮机，而这进而赋予涡轮机更多的能量，并且因此提高了压缩机的进气增压。相反地，叶片朝向打开位置的运动通常使废气更多地沿径向方向进入涡轮机，而这进而减少达到涡轮机的能量，并且因此降低了压缩机的进气增压。关闭叶片还限制了通过那里的通道，该通道产生了穿过涡轮机的增大的压差，这种增大的压差进而赋予涡轮机更多的能量。因此，在低发动机转速和小废气流量下，可变几何形状涡轮机涡轮增压器可提高涡轮机的动力和进气增压压力；然而，在满发动机转速/负载和高气流量下，可变几何形状涡轮机涡轮增压器有助于避免涡轮增压器的超速并有助于维持适当的或需要的进气增压压力。

现有用于控制几何形状的多种控制策略，例如，与压缩机压力相关联的致动器可控制几何形状和/或发动机管理***可利用真空致动器控制几何形状。总体而言，可变几何形状涡轮机能够实现进气增压压力调节，这种调节可有效地优化动力输出，燃料效率，废气排放，响应，磨损等。当然，示例性的涡轮增压器可利用废气门技术作为替换方案或上述可变几何形状技术的补充。

图2示出了涡轮机组件200的截面图，该涡轮机组件200具有涡轮204和与可变几何形状机械装置相关联的叶片(即，例如，叶片220)。所述涡轮机组件200可以是涡轮增压器、例如图1中的涡轮增压器120的一部分。在图2的示例中，涡轮204包括多个主要沿径向方向从z轴向外延伸的轮叶(即，例如，轮叶206)。轮叶206，同时代表了其他轮叶，具有外缘208，该外缘208上的任何点都可以在一个r，θ，z坐标系中(即，圆柱坐标系)被定义。外缘208限定了出口导流部(废气从其排出)和入口导流部(废气从其进入)。叶片220将废气导向到涡轮204的入口导流部。

在图2的示例中，叶片220被定位在轴或杆224上，轴或杆224被设置在叶片基部240内，叶片基部可为可变几何形状机械装置的一部分。如图所示，杆224基本上与涡轮204的z轴平行地对齐，并具有上表面226。尽管杆224示出为未延伸超过上表面226，但在其他实施例中，杆可能与上表面226平齐或延伸到上表面226之上(如，被壳体250的接收部接收，等)。

对于调节，可变几何形状机械装置能够实现叶片220与其他叶片的可转动调节，以改变流向涡轮204轮叶的废气流。一般而言，调节是调节整个叶片和通常调节所有的叶片，其中对任何叶片的调节也改变相邻叶片之间的流动空间(例如，叶片喉口或喷嘴)的形状。在图2中，箭头表示废气流从叶片220的入口端223到出口端225的大致流向。如上文所述，朝向“打开”的调节引导废气流更多地沿径向方向进入涡轮204；反之，朝向“关闭”的调节引导废气流更多地沿切向方向进入涡轮204。

涡轮机组件200是一个具体的示例；需要注意的是本文中描述的各种叶片均可被应用在其他类型的涡轮机组件中。在图2的示例中，组件200具有***件250，该***件从上到下(即，沿z轴方向)包括：大致圆筒状或管状的部分251；基本上平坦的环状部分253；一个或多个延伸部分255；腿部或阶梯部分257；和基体部分259。基体部分259延伸到一个构造成用来接收用于将***件250连接到中间壳体270上的螺栓272的开口。如图2所示，涡轮机壳体260坐落在***件250上并形成蜗壳262，该蜗壳至少部分地由壳体260的蜗壳侧表面264和***件250的蜗壳侧表面256界定。蜗壳262接收废气(如，来自于发动机的一个或多个气缸)并将废气引导到叶片。

在急剧操作的瞬间期间，作用在叶片上的力可能会影响操作性能或使用寿命。这种作用力可能来自流过叶片表面的废气流，压差(如，在控制空间245和叶片空间之间的压差)，或一种或多种其他因素。

图1中的控制器132可与包括处理器和存储器的发动机控制单元(ECU)通信。所述ECU可向控制器132提供多种信息(如，指示、节气门、发动机速度，等)中的任何信息，而控制器132可类似地向ECU提供信息(如，叶片位置等)。控制器132可被ECU或其他技术编程指令。控制器132可包括处理器和存储器，任选地作为单一的集成电路(如，芯片)或作为不止一个集成电路(如，芯片组)。

如前所述，本文中提出的各种叶片包括一种或多种轮廓，这些轮廓能增强叶片的性能，特别是对转矩和尾流。图3示出了具有融合轮廓的叶片300的示例。叶片300包括设置在杆330上的翼型310，所述翼型位于下杆固定部322和上杆固定部324之间。翼型310包括一对流动表面312，314，这一对流动表面设置在前缘(LE)316和后缘(TE)318之间，以及在下部的毂表面(HS)315和上部的罩表面(SS)317之间。在图3的示例中，杆330包括杆端部331和339，在杆端部331和339之间设置有不同的圆柱表面332，334，336和338。叶片300可被构造成具有一个或多个不同类型的杆构造，或者，更一般的，用于固定或旋转的装置。例如，叶片300可只包括下杆并适用于图2中涡轮机组件200中。

叶片300是偏移的，倾斜的和扭转的，并沿其拱曲线具有三个腹点(anti-node)(如，三个临界点，在两个相邻的临界点之间具有一个拐点)。图4和5示出了表示叶片300的偏移，倾斜，扭转和拱曲线特征的各种绘图410，420，430和440。在图4中，一对绘图410示出了叶片的偏移，该偏移可被定义为沿x轴的给定值的相对于枢转轴轴线的角度。具体的，在图4的示例中，该角度将叶片的罩端相对于叶片的毂端沿x轴正向偏移(如，正x偏置)。另一对绘图420示出了叶片的倾斜，该倾斜可被定义为相对于y轴的角度。具体的，在图4的示例中，该角度将罩端相对于叶片的毂端沿y轴正向倾斜(如，正y偏置)。

图5示出了绘图430和440，其与一个或多个拱曲线相关。在绘图430中，示出了位于毂轮廓拱曲线和罩轮廓拱曲线间的扭转角。在图4和图5的所有示例中，叶片或翼型的轮廓可以是相同的，但由于偏移，倾斜或扭转或这些变形的组合而是非堆叠的。尽管线图440示出了具有三个腹点(或临界点A，B或C)和两个拐点(1和2)的特定拱曲线外形，但其他的拱曲线外形也是有可能的。绘图440的拱曲线外形描述了拱曲线沿着诸如图3的叶片300的叶片的前缘(LE＝0)和后缘(TE＝1)之间的叶片长度(x轴，无量纲)相对于y轴(无量纲)如何变化。

低转矩叶片的二维轮廓可包括其拱曲薄片设计中的各种特征，这些特征改进了叶片的转矩特征。例如，在拱曲薄片的前缘处或附近的由负拱曲向正拱曲的转变已被示出改进了可控性(如，图5中位于临界点“A”和“B”之间的拐点“1”)。如本文所述的，一个额外的拐点(如，位于临界点“B”和“C”之间的，从正值到负值的拐点“2”)，能实现在可控性方面更多优点。在图5的示例中，第二拐点(位于临界点“B”和“C”之间的拐点“2”)在从叶片前缘(LE＝0)起测量时为子午长度的大概75％至大概100％(TE＝1)。第三腹点或(临界点“C”)的幅值位于y轴的大概-0.002(无量纲)处。

如本文所述，涡轮增压器涡轮机组件的叶片可包括具有一对流动表面的翼型，这一对流动表面位于毂端和罩端之间以及前缘和后缘之间，其中翼型包括沿着拱曲线的至少两个拐点和至少三个腹点。在此实施例中，拱曲线的正规化长度可在从前缘处的0到后缘处的1的范围内，其中，例如，至少一个拐点位于至少0.75的位置处。如图5所示的实施例所示，叶片可包括位于小于0.75的位置处的至少两个腹点。在图5所示的实施例中，叶片在大概0.2，大概0.7和大概0.9的位置处分别具有三个腹点，并具有两个拐点。

如本文所述，叶片可包括沿着拱曲线的第一半段定位的拐点和沿着拱曲线的第二半段定位的另一拐点。其中拱曲线被定义为从前缘到后缘，沿着第一半段的拐点可从负值到正值，而沿着第二半段的拐点可从正值到负值。就腹点(或临界点)而言，叶片在最靠近后缘处可具有幅值最小的临界点。如此处所述，在一组三个或更多个腹点中，叶片中间腹点可具有最大的幅值。

如本文所述，涡轮增压器可包括位于压缩机和可变几何形状涡轮机之间的中间壳体，其中可变几何形状涡轮机包括多个叶片，其中每个叶片包括具有一对流动表面的翼型和至少两个拐点和至少三个腹点，这一对流动表面位于前缘和后缘之间，至少两个拐点和至少三个腹点沿着从前缘延伸到后缘的拱曲线。

图6示出了叶片的偏移610，倾斜620和扭转630以及一些度数示例。

图7示出了从对偏移710，倾斜720和扭转730的CFD分析得到的各种试验数据。该试验与两个实施例相关，被表示为“EX1”和“EX2”。这些实施例通过选择加和减偏移，倾斜和扭转的角度而被修正。对于偏移710，负角度减小了两个实施例的应变。对于倾斜720，正角度减小了两个实施例的应变。对于扭转730，在EX1中，负角度减小了应变，而在EX2中，正角度减小了应变。扭转730的试验数据证明了正角度或负角度的扭转可能不必然导致应变的减小。特别的，在扭转角度和应变方面，需要理解叶片的根本构造。

图8示出了具有通过融合轮廓(三维)实现的增强的性能特征的叶片800的实施例。叶片800包括设置在杆830上的翼型810，该翼型位于下杆固定部822和上杆固定部824之间。翼型810包括一对流动表面812，814，这一对流动表面位于前缘(LE)816和后缘(TE)818之间，和在下部的毂表面(HS)815和上部的罩表面(SS)817之间。图8所示实施例中，杆830包括杆端部831和839，在杆端部之间具有不同的圆柱表面832，834，836和838。叶片800可被构造成具有一个或多个不同类型的杆结构，或，更一般地，用于固定或旋转的装置。例如，叶片800可只包括下杆并适用于图2中涡轮机组件200中。

图9示出了具有通过融合轮廓(三维)实现的增强的性能特征的叶片900的实施例。叶片900包括设置在杆930上的翼型910，该翼型位于下杆固定部922和上杆固定部924之间。翼型910包括一对流动表面912，914，这一对流动表面位于前缘(LE)916和后缘(TE)918之间，和在下部的毂表面(HS)915和上部的罩表面(SS)917之间。图9所示实施例中，杆930包括杆端部931和939，在杆端部之间具有不同的圆柱表面932，934，936和938。叶片900可被构造成具有一个或多个不同类型的杆结构，或，更一般地，用于固定或旋转的装置。例如，叶片900可只包括下杆并适用于图2中涡轮机组件200中。

图9中的叶片900可被构造为，例如，叶片宽度为大约2.5mm至大约3.5mm，叶片高度为大约8.5mm至大约9.5mm(如，或其他高度，只要适于与叶轮和壳体相配)。图9中的叶片900可具有大概-17.3度的偏移，大概+8.9度的倾斜和大概+2度的扭转。在涡轮机组件中，大概用13个叶片与，例如，具有11个轮叶且直径为大概65mm至大概75mm的涡轮相组合。涡轮和叶片可以具有略大于叶片高度的b宽度。涡轮机组件的涡轮机蜗壳可具有大概为1.2的A/R和大概为0.7的修正因子。对于大概15％开度控制位置，叶片喉口的宽度可以为，例如，大概2.5mm至3mm。在此组件中，涡轮可被构造为以大于100,000rpm的速度旋转。在不同的CFD分析中，104,000pm的速度，5.4的PR，101325pa的静态出口压力，和725K的进口温度被用于如图9中的叶片900的叶片中。

表1：试验数据

表1中示出的试验数据，支持以下的结论，二维叶片对不同的开度值、涡轮转速和温度均显示了降低应变的效果。

如前所述，叶片900是具有偏移，倾斜和扭转组合的三维叶片。图10示出了被称为“EX2”的叶片实施例的试验数据，和特征或变形的各种组合。表1010示出了特征和作为应变的试验数据，其中最小应变值与特定的偏移，倾斜和扭转相关联。表1020示出了实施例EX2A和EX2B的试验数据，其中EX2A的试验数据，试验是对二维和三维结构进行的。这些数据证实了减小的应变。一个具体的实施例包括，大约-17.3度的叶片偏移，大约+8.9度的叶片倾斜和大约+2度的叶片扭转(如，负值的偏移，正值的倾斜和正值的扭转)。叶片可被任选地构造为具有大约0度到大约-25度的偏移。叶片可被任选地构造为具有大约0度到大约+10度的倾斜。叶片可被任选地构造为具有大约-5度到大约+5度的扭转。叶片可任选地包括偏移，倾斜或扭转的一个或多个的组合，例如，可从上述范围中选择一个或多个角度。

图11示出了和表1120的示例以及标准叶片(ASM)相关联的试验数据的两个绘图1110(膨胀比，ER＝1.5)和1120(ER＝3.5)。试验数据证实了叶片EX2A(二维)，Ex2A(三维)和Ex2B(三维)在大于大约0.15(对应ER＝1.5)和大于大约0.19(对应ER＝3.5)的修正质量流率范围上减小了转矩。如上所述，转矩的降低能够降低磨损，增加寿命并提高叶片的可控性。

尽管在附图中图示了并在前面的具体实施方式中描述了方法，设备，***，布置等的一些实施例，但应当理解的是，所述公开的示例性实施例并不是限制性的，而是能够在不脱离所公开的并由后面权利要求所限定的精神下进行众多重新布置，修改和替代。

Claims

1.一种用于涡轮增压器的涡轮机组件的叶片，该叶片包括：

翼型，所述翼型包括一对流动表面，这一对流动表面设置在毂端和罩端之间以及前缘和后缘之间，其中翼型进一步包括至少一个非零角度，该至少一个非零角度选自由非零偏移角度、非零倾斜角度和非零扭转角度构成的组。

2.根据权利要求1所述的叶片，包括非零偏移角度和非零倾斜角度。

3.根据权利要求1所述的叶片，包括非零偏移角度和非零扭转角度。

4.根据权利要求1所述的叶片，包括非零倾斜角度和非零扭转角度。

5.根据权利要求1所述的叶片，进一步包括沿拱曲线的至少三个腹点。

6.根据权利要求1所述的叶片，进一步包括沿拱曲线的至少两个拐点。

7.根据权利要求1所述的叶片，进一步包括杆。

8.根据权利要求7所述的叶片，其中所述杆包括从毂端延伸的部分，和从罩端延伸的部分。

9.根据权利要求1所述的叶片，包括由在毂端的后缘或前缘上的点和在罩端的后缘或前缘上的点所定义的非零偏移角度。

10.根据权利要求1所述的叶片，包括由在毂端的一个流动表面上的点和在罩端的所述一个流动表面上的点定义的非零倾斜角度。

11.根据权利要求1所述的叶片，包括由在翼型毂端的拱曲线和在翼型罩端的拱曲线定义的非零扭转角度。

12.根据权利要求1所述的叶片，包括负的偏移角度，正的倾斜角度和正的扭转角度。

13.根据权利要求12所述的叶片，其中所述角度分别为大约-17度，大约+9度和大约+2度。

14.一种用于涡轮增压器的涡轮机组件的叶片，该叶片包括：

翼型，该翼型包括一对流动表面，这一对流动表面设置在前缘和后缘之间，其中翼型进一步包括，沿着在所述前缘和所述后缘之间延伸的拱曲线的至少两个拐点和至少三个腹点。

15.根据权利要求14所述的叶片，其中，拱曲线的正规化长度的范围是从前缘处的0到后缘处的1，并且其中至少一个拐点具有至少0.75的位置。

16.根据权利要求14所述的叶片，其中，拱曲线的正规化长度的范围是从前缘处的0到后缘处的1，并且其中所述腹点中的至少两个具有小于0.75的位置。

17.根据权利要求14所述的叶片，其中，拱曲线的正规化长度的范围是从前缘处的0到后缘处的1，并且其中所述叶片包括分别位于大约0.2，大约0.7和大约0.9处的三个腹点。

18.根据权利要求14所述的叶片，其中，最接近所述后缘的腹点具有最小的幅值。

19.根据权利要求14所述的叶片，其中，所述腹点中的中间一个具有最大的幅值。

20.一种涡轮增压器，包括：

设置在压缩机和可变几何形状涡轮机之间的中间壳体，其中可变几何形状涡轮机包括多个叶片，其中每个叶片包括翼型，该翼型具有一对流动表面，这一对流动表面设置在前缘和后缘之间，且其中翼型进一步包括，沿着从所述前缘延伸到所述后缘的拱曲线的至少两个拐点和至少三个腹点。