專利名稱：一種變出口流動(dòng)截面渦輪噴嘴環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)渦輪增壓器中的渦輪噴嘴環(huán)。
背景技術(shù)：
對(duì)渦輪增壓器采用可變噴嘴渦輪調(diào)節(jié)技術(shù)是近二十年發(fā)展起來的提高內(nèi)燃機(jī)扭矩儲(chǔ)備和瞬態(tài)響應(yīng)性、降低燃料消耗與有害排放的有效措施。通過改變渦輪噴嘴環(huán)葉片出口的流動(dòng)截面積，可以實(shí)現(xiàn)全工況范圍內(nèi)增壓器與內(nèi)燃機(jī)的良好匹配。
可變噴嘴渦輪調(diào)節(jié)的現(xiàn)有技術(shù)，無例外地均采用可調(diào)噴嘴技術(shù)方案。可調(diào)噴嘴是利用機(jī)械方式轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴葉片(改變噴嘴葉片在渦輪噴嘴環(huán)葉柵內(nèi)的安裝角)來改變噴嘴環(huán)葉片的出口截面積。其作用是當(dāng)噴嘴環(huán)葉片出口截面積減小，可改變內(nèi)燃機(jī)排出廢氣的能量使渦輪進(jìn)口燃?xì)獾膲毫ι?，渦輪輸出功率增加，增壓器轉(zhuǎn)速上升，壓氣機(jī)增壓壓力增大；反之，當(dāng)噴嘴環(huán)葉片出口截面積加大，則可使渦輪進(jìn)口燃?xì)鈮毫ο陆?，渦輪輸出功率減少，增壓器轉(zhuǎn)速相對(duì)減小，增壓壓力降低。這樣，在內(nèi)燃機(jī)低轉(zhuǎn)速工況，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，可減小噴嘴環(huán)葉片出口截面積，使增壓壓力不致下降過大；而對(duì)于內(nèi)燃機(jī)高轉(zhuǎn)速工況，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，可增大噴嘴環(huán)葉片出口截面積，使增壓壓力不致過量增升。從而保證了低轉(zhuǎn)速工況具有較高的增壓壓力而獲得滿意的扭矩特性；在高轉(zhuǎn)速工況也限制了增壓壓力的增加，不致出現(xiàn)增壓過度。另外，渦輪噴嘴環(huán)葉片角度調(diào)節(jié)因可實(shí)現(xiàn)電控?zé)o級(jí)調(diào)節(jié)增壓壓力的大小，因而可以根據(jù)燃燒和控制排放的需要調(diào)節(jié)空燃比和排氣背壓的大小，改善燃燒降低燃料消耗與調(diào)節(jié)EGR(廢氣再循環(huán))率實(shí)現(xiàn)達(dá)到歐IV和歐V的排放控制要求。該技術(shù)與渦輪增壓器的另一種渦輪調(diào)節(jié)技術(shù)——廢氣旁通閥放氣相比，其優(yōu)點(diǎn)是因無放氣造成的高溫、高壓燃?xì)獾哪芰坷速M(fèi)，故可在不增大高轉(zhuǎn)速工況燃料消耗率的條件下增大低速扭矩；擴(kuò)大了低燃耗的運(yùn)行區(qū)范圍；可以滿足要求越來越高的內(nèi)燃機(jī)排放和噪聲規(guī)范。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度高，價(jià)格昂貴，體積大；長期在高溫下工作，難以保證結(jié)構(gòu)與操作系統(tǒng)的可靠性，為此，它僅在燃?xì)鉁囟认鄬?duì)較低的柴油機(jī)的渦輪增壓器上獲得應(yīng)用，迄今為止，仍未推廣用在燃?xì)鉁囟雀叩钠蜋C(jī)用的渦輪增壓器上；噴嘴葉片與渦輪蝸殼內(nèi)壁之間為轉(zhuǎn)動(dòng)葉片所留空隙的高溫燃?xì)庑孤┦箿u輪級(jí)的效率降低；噴嘴葉片角度變化的調(diào)節(jié)會(huì)引起葉輪進(jìn)口氣流沖角和渦輪級(jí)反動(dòng)度的變化，調(diào)節(jié)幅度過大會(huì)導(dǎo)致渦輪級(jí)效率大幅下降。
目前，渦輪噴嘴環(huán)葉片角度調(diào)節(jié)的實(shí)施方案甚多，其動(dòng)作原理基本相同，但在葉片轉(zhuǎn)動(dòng)方式上尚有細(xì)微差別(詳見朱大鑫編著·渦輪增壓與渦輪增壓器·北京·機(jī)械工業(yè)出版社·1992·第431～443頁的相關(guān)內(nèi)容)，典型結(jié)構(gòu)實(shí)例可參見華覺源·渦輪增壓器和增壓系統(tǒng)研制的新進(jìn)展·大同·車用發(fā)動(dòng)機(jī)·1992年第4期·第20～24頁的相關(guān)介紹。
為了消除渦輪噴嘴環(huán)葉片角度調(diào)節(jié)技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明公開了一種新的可變噴嘴渦輪調(diào)節(jié)技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為可調(diào)渦輪增壓器提供一種結(jié)構(gòu)最簡單，成本最低，調(diào)控最方便，能在全轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)滿足內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放要求，比采用噴嘴環(huán)葉片角度調(diào)節(jié)裝置使用效果更好的且能適用于汽油機(jī)渦輪增壓的渦輪調(diào)節(jié)技術(shù)。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案的核心技術(shù)是對(duì)通用結(jié)構(gòu)型式(葉片固定不動(dòng))，但葉片空心結(jié)構(gòu)的渦輪噴嘴環(huán)葉柵的繞流氣流實(shí)施射流偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)控制——利用引自渦輪增壓器本身的壓氣機(jī)出口或外部氣源的壓縮空氣，經(jīng)過噴嘴葉片的空心內(nèi)腔，由葉型背面(或腹面)和/或尾緣部位開割的通流槽縫順流射吹葉柵流道內(nèi)和/或葉柵出口的燃?xì)庵髁鳎ㄟ^縫隙空氣射流與葉柵燃?xì)庵髁鞯南嗷プ饔?，使縫隙射流與主流混合后的氣流在噴嘴環(huán)葉片出口產(chǎn)生流向不同于原主流方向的偏轉(zhuǎn)造成出口氣流角(即出口流動(dòng)截面積)的改變。
利用槽縫縫隙射流偏轉(zhuǎn)主流流向的機(jī)理是用外加壓縮空氣對(duì)噴嘴葉片縫隙側(cè)葉型壁面上的附著邊界層順流動(dòng)方向進(jìn)行吹氣，使縫隙出口后的附著邊界層與柵內(nèi)流動(dòng)發(fā)生下述改變形成新的附著邊界層，吹入的空氣射流令附著在縫隙側(cè)葉型壁面上縫隙出口后部分的附著邊界層的流體組成由燃?xì)飧某苫旧嫌煽諝獯?，并改變了該部分附著邊界層在與縫隙側(cè)葉型壁面垂直的剖面內(nèi)的流速分布，提高了層內(nèi)流體的動(dòng)能，使近壁層的流速和密流(密度與流速的乘積)值大幅增加，致使附著邊界層內(nèi)的流線向壁面貼近，產(chǎn)生射流附壁偏轉(zhuǎn)效應(yīng)；同時(shí)，縫隙吹出的空氣射流與葉柵流道內(nèi)的燃?xì)庵髁髟诳p隙出口后的部位相混合，形成射流邊界層。在射流邊界層內(nèi)，流速由附著邊界層外邊界處的流速變化到接近主流的流速。射流邊界層內(nèi)不均勻的流速與密流值的分布，致使射流邊界層內(nèi)的流線與主流方向產(chǎn)生偏離，流動(dòng)向密流值大的一側(cè)偏轉(zhuǎn)。附著邊界層內(nèi)流線的附壁偏轉(zhuǎn)與射流邊界層內(nèi)流線偏轉(zhuǎn)的綜合決定了葉柵出口氣流的偏轉(zhuǎn)方向和偏轉(zhuǎn)量值。附圖1示出了附著邊界層與射流邊界層的示意圖。由近尾緣的葉片縫隙吹出空氣，同樣可以改善縫隙側(cè)葉型壁面上的附著邊界層內(nèi)的流速分布，消除該壁面近尾緣區(qū)域的流動(dòng)分離，使該壁面的邊界層流體貼近壁面流出，并減少葉柵出口后尾跡氣流速度與壓力的不均勻度。
眾所周知，利用合理配置在葉型壁面和尾緣的縫隙吹氣，是現(xiàn)代工程流體力學(xué)中對(duì)機(jī)翼和葉柵葉型上的邊界層流動(dòng)實(shí)施控制的一項(xiàng)常用有效措施。其目的在于降低流動(dòng)損失、提高葉型承載氣動(dòng)負(fù)荷的能力。也即，避免葉型表面上的邊界層在大沖角繞流情況下出現(xiàn)嚴(yán)重分離，降低流動(dòng)損失(氣流總壓損失)；增大繞機(jī)翼或葉柵葉型的速度環(huán)量(增加升力或舉力)；減小葉柵氣流落后角(又稱氣流偏角，它反映了由相鄰葉片形成的葉柵流道的導(dǎo)向能力。由于葉型背弧表面靠近尾緣處邊界層厚度的影響，使氣流在葉柵出口的流出角實(shí)際達(dá)不到預(yù)期設(shè)計(jì)的幾何出口角而落后的角度)以增大氣流在葉柵中的折轉(zhuǎn)角。
因此，通過葉型表面和尾緣上的縫隙位置的合理配置與選擇合適的吹氣量進(jìn)行吹氣來控制葉柵繞流，既能降低葉型流動(dòng)損失，又能通過減小或增大氣流落后角來使葉柵出口氣流偏轉(zhuǎn)，從而具有變出口流通截面的“變幾何”功能。
鑒于葉柵出口氣流落后角的數(shù)值一般都小，只有幾度，很少到達(dá)8°(尤其對(duì)于葉型中線彎度小、安裝角小和稠度低的葉柵，落后角更小，一般小于3°)，這樣，單靠現(xiàn)有葉柵流體力學(xué)中采用的上述利用縫隙射吹實(shí)施型面邊界層的控制改變落后角的角度所產(chǎn)生的葉柵出口流動(dòng)截面積變化的幅度，尚距滿足噴嘴環(huán)葉柵出口截面積“變幾何調(diào)節(jié)”要求的變化幅度相差甚遠(yuǎn)。為此，本發(fā)明在噴嘴環(huán)葉柵的葉型尾緣縫隙吹氣口處加裝一個(gè)“射流偏轉(zhuǎn)弧形導(dǎo)流板”裝置(附圖2)，使尾緣部位的縫隙空氣射流增大向噴嘴環(huán)葉片出口流通截面積變化所要求的出口氣流角減小(或增大)的方向偏轉(zhuǎn)柵后主流流向的力度。利用弧形導(dǎo)流板，可以大幅度增加對(duì)噴嘴環(huán)葉片出口流動(dòng)截面積變化的調(diào)控能力，其效果的估算可依物理學(xué)(力學(xué))中的動(dòng)量合成原理進(jìn)行。也即，流出噴嘴環(huán)葉柵后的柵內(nèi)燃?xì)庵髁髋c尾緣空氣射流混合后的氣流平均動(dòng)量矢量 應(yīng)等于燃?xì)庵髁髟谌~柵出口處的平均動(dòng)量矢量 與尾緣空氣射流的平均動(dòng)量矢量 二者的矢量和，即(G1+Gj)C1m→=G1C1→+GjCj→,]]>式中G1，Gj分別表示柵內(nèi)主流燃?xì)夂臀簿壣淞骺諝獾馁|(zhì)量； 和 分別表示噴嘴環(huán)葉柵出口處柵內(nèi)燃?xì)庵髁?、尾緣空氣射流和主流與空氣射流混合后的氣流各按相應(yīng)質(zhì)量平均所得的平均流速矢量?；⌒螌?dǎo)流板對(duì)出口氣流的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)可由 方向決定的出氣角的大小變化來反映。
根據(jù)對(duì)變出口流通截面渦輪噴嘴環(huán)的調(diào)控應(yīng)用需要，本發(fā)明采用下述兩種渦輪噴嘴環(huán)基本結(jié)構(gòu)形式①減小葉柵出口氣流角的噴嘴環(huán)葉片葉型結(jié)構(gòu)附圖3示出了徑流式或混流式渦輪增壓器用于減小噴嘴環(huán)葉片出口氣流角(即減小出口流通截面面積)的三種具有吹氣槽縫的渦輪噴嘴環(huán)葉片葉型結(jié)構(gòu)示意圖單一的吹氣槽縫位于葉型腹弧面?zhèn)鹊臉?gòu)造(圖3a)；單一的吹氣槽縫開在近尾緣部位背弧面?zhèn)?，該處的葉型腹弧面向葉柵出口方向延伸并彎向葉型背弧面方向而在尾緣處形成一個(gè)射流偏轉(zhuǎn)弧形導(dǎo)流板的構(gòu)造(圖3b)；圖3a與圖3b復(fù)合而成的第三種構(gòu)造(圖3c)。三種構(gòu)造的射流偏轉(zhuǎn)減小噴嘴環(huán)葉片出口氣流角的能力與效果排序?yàn)閳D3c的結(jié)構(gòu)型式最強(qiáng)、最佳，圖3b次之，圖3a最差。因此，圖3a的構(gòu)造僅適合弱調(diào)控(噴嘴環(huán)葉片出口流通截面積減小幅度小)的場合；圖3b和圖3c的構(gòu)造則分別適合用于強(qiáng)調(diào)控和超強(qiáng)調(diào)控的場合，噴嘴環(huán)葉片出口氣流角減幅可達(dá)20°～25°，甚至更高，這對(duì)調(diào)控噴嘴環(huán)葉片出口流通截面積滿足內(nèi)燃機(jī)配機(jī)的需要已足夠有余。至于合理地?fù)裼煤畏N構(gòu)造，應(yīng)依實(shí)際需要而定。
附圖4示出了軸流式渦輪增壓器用于減小噴嘴環(huán)葉片出口氣流角的三種具有吹氣槽縫的渦輪噴嘴環(huán)葉片葉型結(jié)構(gòu)示意圖(圖4a～圖4c)。它們的構(gòu)造特點(diǎn)和適用范圍的分析與附圖3a～3c類似，只是吹氣槽縫在葉型型面和尾緣的開割部位及導(dǎo)流板的構(gòu)成不同。
②增加葉柵出口氣流角的噴嘴環(huán)葉片葉型結(jié)構(gòu)附圖5a～5c與附圖6a～6c分別示出了徑、混流式渦輪增壓器和軸流式渦輪增壓器用于增大噴嘴環(huán)葉片出口氣流角(即增大出口流通截面面積)的三種具有吹氣槽縫的渦輪噴嘴環(huán)葉片葉型結(jié)構(gòu)示意圖。它們的結(jié)構(gòu)不同于附圖3a～3c和附圖4a～4c之處在于對(duì)應(yīng)的吹氣槽縫的開割部位與導(dǎo)流板的構(gòu)成和彎曲方向相反。
顯然，實(shí)施本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵是確定吹氣縫隙在噴嘴環(huán)葉片葉型中的配置位置、縫隙本身及尾部附近射流偏轉(zhuǎn)弧形導(dǎo)流板的形狀尺寸、以及吹氣射流的氣動(dòng)參數(shù)。
葉面上控制邊界層的吹氣縫隙應(yīng)位于大沖角繞流該縫隙出口所在葉面時(shí)在葉面上出現(xiàn)的流動(dòng)分離點(diǎn)的位置之前。這是由于只有在葉面上的氣流尚未嚴(yán)重分離的情況下，對(duì)邊界層流動(dòng)的氣體動(dòng)力作用才是有效和經(jīng)濟(jì)的。而當(dāng)縫隙位于氣流分離點(diǎn)下游時(shí)，繞流氣動(dòng)控制的效果就會(huì)急劇減小?？紤]到分離點(diǎn)的位置隨工況而變以及氣流在噴嘴環(huán)葉柵的通流面積沿流動(dòng)方向呈收縮狀的收斂流道中流動(dòng)非常穩(wěn)定，不易出現(xiàn)流動(dòng)分離。因此，一般只能近似地將吹氣槽縫的出口位置選擇在葉片流道進(jìn)口喉部截面與葉型表面交點(diǎn)的前方附近(對(duì)于徑、混流式渦輪增壓器噴嘴環(huán)葉柵結(jié)構(gòu))或選擇在葉片流道出口喉部截面與葉型表面交點(diǎn)的前方附近(對(duì)于軸流式渦輪增壓器噴嘴環(huán)葉柵結(jié)構(gòu))，如附圖3～6所示。
●葉面吹氣槽縫出口寬度與尾部吹氣槽縫出口寬度的尺寸選擇葉面吹氣槽縫寬度尺寸δ和/或尾部吹氣槽縫寬度尺寸Δ(附圖3～6)的大小，主要應(yīng)由欲對(duì)葉型表面邊界層流動(dòng)和葉柵后氣流偏轉(zhuǎn)實(shí)施控制的力度要求來確定。δ值和/或Δ值越大，由槽縫吹出參與邊界層控制和射流偏轉(zhuǎn)的外加空氣量就越多，對(duì)噴嘴環(huán)葉柵繞流控制的力度也越大。但過大的δ值和/或Δ值，會(huì)造成高速空氣射流能量的浪費(fèi)，反之，過小的δ值和/或Δ值，會(huì)因控制力度不夠，不足以實(shí)現(xiàn)有效控制。一般，槽縫出口寬度尺寸宜在δ＝(0.02～0.06)a1和/或Δ＝(0.03～0.10)a2的尺寸范圍內(nèi)初步進(jìn)行選擇，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)整后定下，式中a1和a2分別是噴嘴環(huán)葉柵葉型的型面和尾部槽縫出口位置處葉柵流道的寬度尺寸(槽縫出口位置處葉柵流道圓的直徑)，如附圖3～4所示。
●葉型尾部附接射流偏轉(zhuǎn)弧形導(dǎo)流板的尺寸選擇本發(fā)明為加強(qiáng)葉型尾部槽縫吹氣(空氣射流)對(duì)柵后主流氣流方向的偏轉(zhuǎn)作用，改造葉型尾部槽縫吹氣口后面部份的結(jié)構(gòu)如下在開割尾部槽縫吹氣口之后剩下的葉型面上，順流動(dòng)方向延接一個(gè)向所需氣流偏轉(zhuǎn)方向彎曲的弧形導(dǎo)流板，使流出尾部縫隙吹氣口的空氣射流沿導(dǎo)流板的出口方向流向柵后，對(duì)主流氣流在柵后的流向產(chǎn)生附加偏轉(zhuǎn)作用。
射流偏轉(zhuǎn)弧形導(dǎo)流板的幾何尺寸薦用范圍為導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角θ＝5°～50°；導(dǎo)流板弧長S＝(0.03～0.25)L，式中L——葉型中弧線總長度，如附圖2所示。
考慮到噴嘴環(huán)葉柵出口氣流角調(diào)小至12°已臻近極限，再小就使效率下降明顯，因此在采用減小出口氣流角的調(diào)控方式時(shí)，必須根據(jù)調(diào)控力度(所擇取θ值的大小)選擇相應(yīng)的葉型在葉柵中安裝角的大小(當(dāng)θ取值大時(shí)，安裝角也須相應(yīng)加大)，俾使出口氣流角減至最小也不要低于限定值。同樣，當(dāng)采用增大出口氣流角的調(diào)控方式時(shí)，葉型在葉柵中安裝角的大小須能保證出口氣流角在調(diào)控尚未實(shí)施時(shí)不低于上述限定的值。一般說來，在未調(diào)控的情況下，安裝角加大時(shí)，出口氣流角也隨之加大，反之，則出口氣流角減小。
●槽縫吹氣空氣射流的氣動(dòng)參數(shù)選擇縫隙吹氣產(chǎn)生的空氣射流的動(dòng)量 的大小和方向決定了噴嘴環(huán)葉柵柵后氣流偏轉(zhuǎn)量的大小和方向。因此，對(duì)噴嘴環(huán)葉柵繞流實(shí)施調(diào)控的實(shí)質(zhì)就是對(duì)空氣射流動(dòng)量矢量的方向和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。
射流空氣動(dòng)量矢量的模等于縫隙出口處的空氣密度ρj與縫隙出口處空氣射流速度的平方Cj2及縫隙槽縫寬度δ和/或Δ三者的乘積。其中，Pj＝ρjRTj，式中Pj和Tj分別是縫口處的空氣靜壓和靜溫；空氣射流在縫口處的流速值的大小為Cj＝44.83{Tj[1-(Pj/Pj)0.2857]}0.5，式中Pj和Tj分別是縫口處的空氣總壓和總溫。由此可見，對(duì)射流空氣動(dòng)量大小的調(diào)控主要需依靠外加壓縮空氣源的壓力Pj的變化來實(shí)現(xiàn)。一般，空氣射流流速Cj與葉柵出口燃?xì)庵髁髁魉貱1的比值Cj/C1處于0.8～1.5范圍時(shí)，可獲得對(duì)葉柵繞流既經(jīng)濟(jì)又有效的控制，其中C1＝50.48{T1[1-(P1/P1)0.2481]}0.5，式中，P1，T1和P1分別是噴嘴環(huán)葉柵進(jìn)口處燃?xì)獾目倝海倻睾腿~柵出口處氣流的靜壓。對(duì)外加壓縮空氣源的供氣壓力Pj可通過一個(gè)連接氣源與噴嘴葉片內(nèi)腔的空氣節(jié)流閥簡單地進(jìn)行調(diào)節(jié)。至于射流空氣量的大小，如前所述可依槽縫出口寬度δ和/或Δ的尺寸選擇，在設(shè)計(jì)時(shí)就預(yù)先設(shè)定好，然后在渦輪增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中再隨工況進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)射流偏轉(zhuǎn)弧形導(dǎo)流板的偏轉(zhuǎn)角θ的設(shè)定也同樣如δ和Δ的尺寸選擇一樣，須在設(shè)計(jì)時(shí)就擇定。
本發(fā)明對(duì)外加壓縮空氣源的選用有下述兩種方式①渦輪增壓器本身的壓氣機(jī)出口的壓縮空氣將壓氣機(jī)出口的部分壓縮空氣通過連接管及壓力調(diào)節(jié)閥與噴嘴環(huán)葉片內(nèi)腔相通的集氣箱聯(lián)接。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)與渦輪增壓器配機(jī)工況需要的增壓壓力值通過壓力調(diào)節(jié)閥對(duì)壓氣機(jī)出口的空氣壓力進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，以滿足縫隙空氣射流所需的壓力Pj。這一氣源選用方案的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)如下1、不需添增專用壓縮氣源設(shè)備，減少設(shè)備投資與安裝空間；2、壓氣機(jī)壓縮射流空氣耗用的能量，大部份可在渦輪葉輪中作功回收；3、噴嘴環(huán)葉柵前的燃?xì)鈿饬骺倝号c壓氣機(jī)出口空氣氣流的總壓相差不大，但燃?xì)鉁囟燃s為空氣溫度的二倍，因此，空氣的密度值約比燃?xì)獾拿芏雀咭槐?，從而使縫隙空氣射流的密流與動(dòng)量值均較速度相同的燃?xì)庵髁鞔罅艘槐?，非常有利于葉柵繞流的氣動(dòng)控制。特別對(duì)于需要射流空氣流速小于吹氣口處主流燃?xì)饬魉俚恼{(diào)控場合，可以用密度增大來彌補(bǔ)速度不足對(duì)射流動(dòng)量的削弱影響，擴(kuò)大調(diào)控的有效范圍。
4、有可能在相當(dāng)多的工況下，根據(jù)噴嘴環(huán)葉柵前燃?xì)饪倝号c壓氣機(jī)出口空氣總壓的壓差隨工況(內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速與功率)的變化和對(duì)增壓壓力的調(diào)控需要，對(duì)葉型形狀、吹氣縫隙位置與吹氣口寬度尺寸、葉型在葉柵中的安裝角大小，以及射流偏轉(zhuǎn)導(dǎo)流板的彎曲角進(jìn)行合理選擇，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Pj少調(diào)節(jié)、甚至不調(diào)節(jié)便能滿足全轉(zhuǎn)速工況的增壓壓力需求。
②外部氣源供給的壓縮空氣可以利用大多數(shù)車輛和船舶內(nèi)燃機(jī)裝置中都有的起動(dòng)或制動(dòng)用的空氣壓縮機(jī)及儲(chǔ)氣瓶，也可配用專用的小型旋轉(zhuǎn)葉片式的電動(dòng)空氣泵(如朱大鑫編著·渦輪增壓與渦輪增壓器·北京·機(jī)械工業(yè)出版社·1992·第471頁圖10～19所示)作為壓縮空氣源，通過壓力調(diào)節(jié)閥配制縫隙吹氣射流空氣所需的壓力Pj和氣量Gj后輸送到與葉片空腔相聯(lián)接的集氣箱。這種供氣方式的優(yōu)點(diǎn)是壓力Pj的配制與調(diào)控獨(dú)立、使用非常方便；缺點(diǎn)是配用專用氣源需增加設(shè)備投資，額外耗用電能，以及增大了設(shè)備占用的空間。
本發(fā)明的技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)(改變噴嘴葉片在渦輪噴嘴環(huán)葉柵內(nèi)的安裝角)的可變噴嘴渦輪調(diào)節(jié)方案相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)■取消了轉(zhuǎn)動(dòng)葉片(改變?nèi)~片安裝角)的復(fù)雜機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)——簡化了調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，減小了安裝調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)占有的空間，降低了制造成本，減少了事故發(fā)生率。
■由于不需要預(yù)留轉(zhuǎn)動(dòng)葉片必需的葉片與渦輪進(jìn)氣殼殼體之間的間隙(該間隙須保證在葉片高溫膨脹后仍不會(huì)對(duì)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生卡滯、咬死、故間隙一般較大，致使產(chǎn)生較大的漏氣損失，降低了渦輪效率，如朱大鑫編著·渦輪增壓與渦輪增壓器·北京·1992·第517頁中介紹的實(shí)例所示)，因此，本發(fā)明方案不存在噴嘴環(huán)葉片端部的燃?xì)饴鈸p失，且葉片的高溫膨脹不會(huì)影響正常工作，故本發(fā)明可在轉(zhuǎn)動(dòng)葉片角度的現(xiàn)有技術(shù)方案至今仍不能應(yīng)用的汽油機(jī)的渦輪增壓器上實(shí)施可變噴嘴渦輪調(diào)節(jié)技術(shù)。
■消除了伴隨葉片轉(zhuǎn)動(dòng)必然產(chǎn)生的噴嘴葉片進(jìn)口大沖角繞流分離流動(dòng)損失。在本發(fā)明技術(shù)方案中，流入噴嘴環(huán)葉柵的氣流方向不隨流量改變，因此在噴嘴葉片進(jìn)口不會(huì)產(chǎn)生變工況引起的沖角分離流動(dòng)損失，大大提高了噴嘴環(huán)葉柵變工況情況下的流動(dòng)效率。另外，由于采用縫隙吹氣進(jìn)氣繞流控制也大幅改善了葉型面邊界層內(nèi)的流動(dòng)，消除或減少了葉面上的流動(dòng)分離，提高了流動(dòng)效率。因此，在大多數(shù)工況下，本發(fā)明方案不僅不會(huì)降低噴嘴環(huán)葉柵的流動(dòng)效率，反而會(huì)比不采用縫隙吹氣繞流控制措施時(shí)的常規(guī)繞流狀態(tài)的效率高。
■本發(fā)明采用外加空氣經(jīng)縫隙射吹控制噴嘴環(huán)葉柵繞流的技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)(轉(zhuǎn)動(dòng)葉片改變安裝角的)方案相比，本質(zhì)上的不同還在于1、由縫隙吹氣加入到柵內(nèi)氣流的外加空氣，使流經(jīng)噴嘴和/或葉輪的氣量增大。依連續(xù)方程，這部分外加質(zhì)量氣流流經(jīng)噴嘴和/或葉輪時(shí)，將使葉輪入口及噴嘴入口的氣流總壓產(chǎn)生一個(gè)附加的壓力增升，外加氣量越大，壓力增升越大。如前所述，可變噴嘴渦輪調(diào)節(jié)的目的是通過改變噴嘴環(huán)葉片出口的流動(dòng)截面積大小來改變渦輪進(jìn)口(噴嘴環(huán)葉片進(jìn)口)的燃?xì)鈮毫ΓM(jìn)而改變增壓壓力的大小。因此，本發(fā)明方案除與可調(diào)葉片安裝角渦輪噴嘴環(huán)現(xiàn)有技術(shù)方案一樣具有變出口截面積改變增壓壓力的功能之外，還比后者多具備了利用外加空氣質(zhì)量調(diào)控增壓壓力的功能。因此，調(diào)節(jié)幅度的范圍更大，調(diào)控效果更好。
2、外加縫隙射流空氣對(duì)噴嘴環(huán)葉片與渦輪葉片和葉輪有冷卻作用(若用中冷后的空氣射吹，效果更佳)可允許對(duì)葉片和葉輪材質(zhì)的耐熱性能降低要求，這對(duì)汽油機(jī)渦輪增壓器意義重大。
3、外加空氣的加入，稀釋了有害排放物的濃度，有利于達(dá)到環(huán)保要求。


圖1示出了由噴嘴葉片葉型的空心內(nèi)腔經(jīng)葉型背弧面上開割的槽縫順柵內(nèi)主流流動(dòng)方向吹出的空氣射流與噴嘴環(huán)葉柵流道內(nèi)的燃?xì)庵髁飨嗷プ饔眯纬筛街吔鐚雍蜕淞鬟吔鐚拥氖疽鈭D。
圖2示出的是在噴嘴環(huán)葉柵的葉型尾緣附近部位的縫隙吹氣口處設(shè)置的射流偏轉(zhuǎn)弧形導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3示出了徑流式或混流式渦輪增壓器用于減小噴嘴環(huán)葉片出口氣流角的三種具有吹氣槽縫的渦輪噴嘴環(huán)葉片葉型結(jié)構(gòu)示意圖——圖3a～3c。
圖4示出了軸流式渦輪增壓器用于減小噴嘴環(huán)葉片出口氣流角的三種具有吹氣槽縫的渦輪噴嘴環(huán)葉片葉型結(jié)構(gòu)示意圖——圖4a～4c。
圖5示出了徑流式或混流式渦輪增壓器用于增大噴嘴環(huán)葉片出口氣流角的三種具有吹氣槽縫的渦輪噴嘴環(huán)葉片葉型結(jié)構(gòu)示意圖——圖5a～5c。
圖6示出了軸流式渦輪增壓器用于增大噴嘴環(huán)葉片出口氣流角的三種具有吹氣槽縫的渦輪噴嘴環(huán)葉片葉型結(jié)構(gòu)示意圖——圖6a～6c。
圖7示出的是用于徑流式渦輪增壓器的本發(fā)明結(jié)構(gòu)渦輪噴嘴環(huán)的一個(gè)示例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下，通過實(shí)施例與結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容作進(jìn)一步的描述。
如上所述，本發(fā)明的技術(shù)核心是利用外加壓縮空氣，經(jīng)過噴嘴葉片的空心內(nèi)腔，由葉型型面和/或尾緣部位開割的通流槽縫(尾緣槽縫后附安裝有弧形導(dǎo)流板)順流射吹噴嘴環(huán)葉柵流道內(nèi)和/或葉柵出口的燃?xì)庵髁?，使縫隙射流與主流混合后的氣流在噴嘴環(huán)出口產(chǎn)生流向不同于原主流方向的偏轉(zhuǎn)，造成出口氣流角(即出口流動(dòng)截面積)的改變。通過壓力調(diào)節(jié)閥對(duì)外加壓縮空氣的供氣壓力進(jìn)行調(diào)控，就會(huì)使出口氣流角按需要變化，滿足不同工況對(duì)增壓壓力的需求。因此，本發(fā)明技術(shù)方案的渦輪噴嘴環(huán)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)構(gòu)造的渦輪噴嘴環(huán)結(jié)構(gòu)不同，其差異之處在于▲葉片具有空心內(nèi)腔，因此葉型剖面是由薄壁圍成的空心葉型。為保證外加壓縮空氣供應(yīng)充足、通暢，空心內(nèi)腔應(yīng)有足夠大的截面積，致使葉型剖面積大幅增加(葉型仍以采用氣動(dòng)性能優(yōu)良的機(jī)翼形為宜)。另外，噴嘴葉片的頂端和/或根端須與集氣箱(環(huán)形腔室)相通，以引接外加壓縮空氣。
▲噴嘴環(huán)葉柵結(jié)構(gòu)宜選用中弧線彎曲角大的葉型、加大葉型安裝角和減小葉柵稠度(葉片數(shù)少的低稠度葉柵)，以使葉柵出口氣流的落后角增大。這樣可以充分發(fā)揮縫隙吹氣能大幅改變出口氣流角的優(yōu)點(diǎn)，獲得使出口流動(dòng)截面積大幅改變的預(yù)期效果。
▲具有環(huán)形腔室狀的外加空氣輸氣室(集氣箱)，以保證外加壓縮空氣由氣源經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)壓流入集氣箱后，能均勻、充足地流入各個(gè)噴嘴葉片的空心內(nèi)腔。徑流式或混流式渦輪增壓器噴嘴環(huán)的集氣箱安置在噴嘴葉片的軸向側(cè)(右側(cè)和/或左側(cè))；軸流式渦輪增壓器噴嘴環(huán)的集氣箱則安置在徑向側(cè)(外徑側(cè)和/或內(nèi)徑側(cè))。集氣箱用接管(一個(gè)或數(shù)個(gè))與壓力調(diào)節(jié)閥的出口管道通連，管路截面積應(yīng)足夠大，以保證吹氣量的充足供給。
圖7示出了用于徑流式渦輪增壓器的本發(fā)明結(jié)構(gòu)渦輪噴嘴環(huán)的一個(gè)例子的示意圖。圖中頂端蓋板1和根端蓋板3分別是噴嘴葉片2的頂端和根端的蓋板，噴嘴葉片2是具有本發(fā)明結(jié)構(gòu)用于減小出氣角調(diào)控功能的葉型——在空心葉片葉型腹面與尾緣附近的背面壁面上開割有和空心內(nèi)腔通連的吹氣槽縫，根據(jù)工況需要，將外加壓縮空氣源供給、并經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥配制的合適壓力的壓縮空氣流導(dǎo)入集氣箱4，然后由集氣箱均勻地分配至各個(gè)葉片的空心內(nèi)腔，最后由葉型壁面和尾緣部位處的槽縫吹出，形成空氣射流。為加強(qiáng)射流對(duì)葉柵出口氣流流向的偏轉(zhuǎn)作用，在尾部縫隙吹氣口后加裝了射流偏轉(zhuǎn)弧形導(dǎo)流板5?？招娜~片2(包括槽縫和弧形導(dǎo)流板5)可采用精密鑄造(或用兩塊鈑材按型面弧線模鍛后封閉頂端并沿邊緣對(duì)接焊接)再經(jīng)機(jī)械加工制成一個(gè)完整的葉片單元構(gòu)件，然后將各個(gè)葉片單元構(gòu)件與端蓋板1和3組合配裝成噴嘴葉片環(huán)。根端蓋板3上與葉片2配接的葉型廓線孔可用精鑄工藝在制作根端蓋板3時(shí)一并做出；也可采用數(shù)控線切割機(jī)床或電火花機(jī)床輔以其它機(jī)械加工制作。葉片2穿過根端蓋板3的葉型廓線孔后的伸出部分，可用焊接工藝沿葉型廓線焊住，這部分的吹氣縫隙也要用焊接封閉但要保持伸出部分空心內(nèi)腔的暢通。然后用螺栓襯以銅墊片將根端蓋板3與同壓力調(diào)節(jié)閥出口連接管6鑄成一體的壓蓋7壓緊，即可在葉片環(huán)軸向右側(cè)形成集氣箱4。
混流式渦輪增壓器用的本發(fā)明結(jié)構(gòu)的渦輪噴嘴環(huán)的構(gòu)造與圖7完全類似，但有一點(diǎn)不同徑流式渦輪級(jí)流入和流出噴嘴環(huán)的氣流流向是徑向(氣流由半徑大的進(jìn)口位置沿與渦輪轉(zhuǎn)軸垂直的方向“向心地”流向半徑小的出口位置)，因此端蓋板1、3和壓蓋7都是與轉(zhuǎn)軸垂直的徑向平面；混流式渦輪級(jí)流入和流出噴嘴環(huán)的氣流流向是與轉(zhuǎn)軸呈一定傾角的斜向流動(dòng)，因此其端蓋板1、3和壓蓋7都應(yīng)是與流向平行的傾斜于轉(zhuǎn)軸的錐面，其集氣箱4也因此成為一個(gè)由錐形壁及其相垂直的錐形面構(gòu)成的矩形截面環(huán)狀腔室。
軸流式渦輪增壓器用的本發(fā)明結(jié)構(gòu)的渦輪噴嘴環(huán)的構(gòu)造，與大中型燃?xì)廨啓C(jī)裝置的渦輪冷卻技術(shù)中采用的吹氣冷卻導(dǎo)向葉片的結(jié)構(gòu)完全相同(譬如玉鐘銘編·艦船燃?xì)廨啓C(jī)裝置·北京·國防工業(yè)出版社·1981年·第122～125，234～236頁，圖7～19介紹展示的結(jié)構(gòu)型式)。其特點(diǎn)是葉片環(huán)系由精密機(jī)械加工的各個(gè)葉片單元鑲嵌裝配組合而成，另外，因?yàn)榱鹘?jīng)葉片內(nèi)腔的外加空氣是由徑向流入，故集氣箱4(輸送外加空氣的環(huán)形腔室)應(yīng)布置在葉片環(huán)的徑向側(cè)——外徑側(cè)和/或內(nèi)徑側(cè)。
本發(fā)明方案噴嘴環(huán)所用外加壓縮空氣的壓力調(diào)節(jié)，可采用最簡單的電控電動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥，以渦輪增壓器的壓氣機(jī)出口的增壓壓力值作為電控的反饋控制參數(shù)，實(shí)施節(jié)流控壓調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種渦輪噴嘴環(huán)，它由頂端蓋板1、空心葉片2、根端蓋板3和集氣箱壓蓋7構(gòu)成，其特征在于在具有空心內(nèi)腔的葉片2的葉型腹面(或背面)和/或尾緣部位的型面壁面上，開割有與空心內(nèi)腔連通的吹氣槽縫，尾緣吹氣槽縫后附接裝有射流偏轉(zhuǎn)弧形導(dǎo)流板5，葉型腹面(或背面)吹氣槽縫出口的寬度尺寸δ的擇用范圍為δ＝(0.02～0.06)a1，尾緣部位吹氣槽縫出口的寬度尺寸△的擇用范圍為△＝(0.03～0.10)a2，式中a1和a2分別是噴嘴環(huán)葉柵葉型的壁面和尾部槽縫出口位置處葉柵流道的寬度尺寸(槽縫出口位置處葉柵流道圓的直徑)。
2.按權(quán)利要求1所述的渦輪噴嘴環(huán)，其特征在于射流偏轉(zhuǎn)弧形導(dǎo)流板5的幾何尺寸薦用范圍為導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角θ＝5°～50°，導(dǎo)流板弧長S＝(0.03～0.25)L，式中L——葉型中弧線總長度。
全文摘要
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)渦輪增壓器中的一種渦輪噴嘴環(huán)。其特征是對(duì)通用結(jié)構(gòu)型式(噴嘴葉片固定不動(dòng))但葉片具有空心內(nèi)腔的渦輪噴嘴環(huán)葉柵的繞流氣流實(shí)施射流偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)控制——利用引自渦輪增壓器本身壓氣機(jī)出口或外部氣源的壓縮空氣，經(jīng)過噴嘴葉片的空心內(nèi)腔，由葉型背面(或腹面)和/或尾緣部位開割的通流槽縫順流射吹葉柵流道內(nèi)和/或葉柵出口的燃?xì)庵髁?，通過縫隙空氣射流與葉柵燃?xì)庵髁鞯南嗷プ饔茫箍p隙射流與主流混合后的氣流在噴嘴環(huán)出口產(chǎn)生流向偏轉(zhuǎn)(為加強(qiáng)尾緣縫隙空氣射流的偏轉(zhuǎn)力度，在尾緣吹縫口后增設(shè)了射流偏轉(zhuǎn)弧形導(dǎo)流板)，造成出口氣流角(即出口流動(dòng)截面積)的改變。與現(xiàn)有技術(shù)利用機(jī)械方式轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴葉片改變安裝角實(shí)施葉片出口截面積改變的方案相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、安全可靠、效率高、調(diào)控方便、能適用于汽油機(jī)渦輪增壓器以及外加空氣兼有附加增壓與冷卻功能的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F02B37/24GK101050722SQ20061002550
公開日2007年10月10日 申請日期2006年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者孫敏超, 孫正柱 申請人:孫敏超