[發明專利]用于可變幾何形狀渦輪噴嘴的系統和方法

有效

• 申請號: 201510811279.6
• 申請日: 2015-11-20
• 公開（公告）號: CN105626162B
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發明（設計）人: 孫惠民;趙奔;胡良軍;易建文;E·W·柯蒂斯;J·張
• 申請（專利權）人: 福特環球技術公司
• 主分類號: F01D9/02
• 分類號: F01D9/02;F01D17/16
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民;趙志剛

本發明涉及用于可變幾何形狀渦輪噴嘴的系統和方法。描述用于可變幾何形狀渦輪的各種系統和方法。在一個示例中，噴嘴葉片包括具有第一弧形滑動表面的靜止葉片和具有第二弧形滑動表面的滑動葉片，其中第二弧形滑動表面包括與第一滑動弧形表面接觸的流動干擾特征部。滑動葉片可以被定位成沿彎曲路徑在與渦輪噴嘴的內圓周基本上相切的方向上滑動，并且選擇性地露出流動干擾特征部。

相關申請的交叉引用

本申請要求于2014年11月21日提交的名稱為“用于可變幾何形狀渦輪噴嘴的系統和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR A VARIABLE GEOMETRY TURBINE NOZZLE)”的美國臨時專利申請No.62/082,899的優先權，該專利申請的全部內容通過引用在此被并入以用于所有目的。

技術領域

本申請涉及用于內燃發動機的渦輪增壓器的可變幾何形狀渦輪。

背景技術

發動機可以使用渦輪增壓器改善發動機扭矩和/或功率輸出密度。渦輪增壓器可以包括渦輪，該渦輪與發動機的排氣流成直線設置，并且經由驅動軸聯接到與發動機的進氣通道成直線設置的壓縮機。排氣驅動的渦輪然后可以經由驅動軸將能量供應給壓縮機，以增大進氣壓力。以這種方式，排氣驅動的渦輪將能量供應給壓縮機，以增大進入發動機的空氣的壓力和流量。因此，增加渦輪的旋轉速度可以增加增壓壓力。期望量的增壓可以隨發動機的操作而變化。例如，在加速期間的期望增壓可以比在減速期間的大。

控制增壓壓力的一種解決方案是使用渦輪增壓器中的可變幾何形狀渦輪。可變幾何形狀渦輪通過改變通過渦輪的排氣的流量來控制增壓壓力。例如，排氣可以從排氣歧管流動通過渦輪噴嘴并且流動到渦輪葉片。渦輪噴嘴的幾何形狀可以被改變，以控制排氣接觸渦輪葉片的角度并且/或者改變渦輪葉片上游的入口通道或噴口的橫截面積。增加入口通道的橫截面積可以允許更多氣體流動通過通道。此外，流經渦輪葉片的氣體的入射角可以影響渦輪的效率，例如，從轉換成機械能的流中捕獲的熱力學能的量。因此，通過改變渦輪噴嘴的幾何形狀可以改變渦輪速度和增壓壓力。

可變幾何形狀渦輪的設計已被修改以得到各種期望結果。例如，Sun等人的美國專利申請2013/0042608公開了通過調節相鄰噴嘴葉片之間的通道的橫截面積來改變流經渦輪葉片的氣體的入射角的系統和方法。在其中，所提供的環形渦輪噴嘴具有中心軸線和數個噴嘴葉片。每個噴嘴葉片包括靜止葉片和滑動葉片，其中滑動葉片包括與靜止葉片的平面表面滑動接觸的平面表面。如此，噴嘴葉片可以允許在發動機工況范圍內的期望入射角和通道的優選橫截面積。

發明人在此已經認識到使用以上識別的方法的潛在問題。例如，(一個或多個)滑動葉片可以突入入口通道的高流量區域中。以這種方式，滑動葉片的前邊緣的突入可以產生用于引入氣體的次佳入射角，并且由此導致增加的空氣動力學流動損失。此外，在平面表面上行進的滑動葉片可以在徑向方向上滑動相對大的距離進入入口通道的高流量區域，從而導致包裝挑戰。

進一步地，以上方法和系統未解決在某些發動機工況(諸如，發動機制動)期間生成的潛在沖擊波。在發動機制動期間，可以收縮排氣流并且因此可以生成沖擊波，從而導致渦輪葉片上的強相互作用和激發。沖擊波引起的激發(也被稱為強制響應激發或流體結構相互作用)可以是渦輪葉片上疲勞的來源和進一步增加渦輪增壓發動機的排氣制動功率的限制因素。

發明內容

發明人在此已經認識到以上問題并且已經開發出一種至少部分解決以上問題的方法。作為一個示例，可以提供包括噴嘴葉片的環形渦輪噴嘴，噴嘴葉片包括靜止葉片和滑動葉片，靜止葉片被附接到噴嘴壁板的表面并且包括第一滑動表面，滑動葉片包括具有與第一滑動表面接觸的流動干擾特征部的第二滑動表面，該滑動葉片被定位成在與渦輪噴嘴的內圓周基本上相切的方向上滑動，并且選擇性地露出流動干擾特征部。以這種方式，在各種狀況(諸如，發動機制動)期間可以暴露表面處理，以減少渦輪葉片上可能沖擊波和激發的強度。