[發(fā)明專利]用于可變噴嘴渦輪機(jī)的噴嘴葉片設(shè)計(jì)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810466141.0
• 申請(qǐng)日: 2018-05-16
• 公開（公告）號(hào): CN108952836A
• 公開（公告）日: 2018-12-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡良軍;易建文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 福特全球技術(shù)公司
• 主分類號(hào): F01D17/16
• 分類號(hào): F01D17/16;F01D9/04;F02B37/24
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 趙志剛;張凱

本發(fā)明涉及用于可變噴嘴渦輪機(jī)的噴嘴葉片設(shè)計(jì)。提供用于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的可變噴嘴渦輪機(jī)的噴嘴葉片的系統(tǒng)。在一種示例中，用于可變幾何形狀渦輪機(jī)的渦輪機(jī)噴嘴的噴嘴葉片可以包括：弧形外表面，其相對(duì)于噴嘴葉片的弦從所述噴嘴葉片的入口端到所述噴嘴葉片的出口端彎曲，所述弦具有從所述入口端到所述出口端限定的弦長度，所述噴嘴葉片具有在1.54至2.95的范圍內(nèi)的寬高比、在所述弦長度的47％至61％的范圍內(nèi)最大的厚度以及從噴嘴葉片的入口端到所述噴嘴葉片的出口端在0.94至1.16的范圍內(nèi)的弧線角度變化比率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體上涉及用于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的可變噴嘴渦輪機(jī)的噴嘴葉片的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

渦輪增壓器可以被提供在發(fā)動(dòng)機(jī)中以改善發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩或功率輸出密度。渦輪增壓器可以包括經(jīng)由驅(qū)動(dòng)軸聯(lián)接到壓縮機(jī)的排氣驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。壓縮機(jī)可以被流體聯(lián)接到發(fā)動(dòng)機(jī)中的空氣進(jìn)氣歧管。來自一個(gè)或多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的排氣流可以被引導(dǎo)至渦輪機(jī)中的葉輪，從而使渦輪機(jī)繞固定軸線旋轉(zhuǎn)。渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)基于發(fā)動(dòng)機(jī)工況將空氣壓縮到空氣進(jìn)氣歧管中以改善增壓壓力。在渦輪增壓器中可以使用可變噴嘴渦輪機(jī)，以通過改變渦輪機(jī)噴嘴處的排氣流狀況來控制發(fā)動(dòng)機(jī)增壓壓力。在這種情況下，可變噴嘴渦輪機(jī)的幾何形狀可以通過調(diào)節(jié)渦輪機(jī)噴嘴的葉片的開啟程度來改變，以適應(yīng)取決于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載的寬范圍的排氣流狀況。例如，在低渦輪機(jī)膨脹比率下以高效率運(yùn)轉(zhuǎn)渦輪機(jī)可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)性。以此方式，可變噴嘴渦輪機(jī)可以改善渦輪機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)和發(fā)動(dòng)機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)性。

可變噴嘴渦輪機(jī)會(huì)易受到高循環(huán)疲勞的影響，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣制動(dòng)狀況下。當(dāng)在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣制動(dòng)模式下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，渦輪機(jī)內(nèi)部的高膨脹比率可以在渦輪機(jī)噴嘴和葉輪之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波。因而，強(qiáng)烈的激勵(lì)可能由于所述沖擊波而傳播到渦輪機(jī)葉輪，這可以導(dǎo)致渦輪機(jī)中的高循環(huán)疲勞失效。

為了改善渦輪機(jī)效率，可變噴嘴渦輪機(jī)的每個(gè)噴嘴葉片可以針對(duì)亞音速流(subsonic flow)狀況或跨音速流(transonic flow)狀況進(jìn)行優(yōu)化。此外，當(dāng)每個(gè)噴嘴葉片被設(shè)計(jì)成支持跨音速流狀況時(shí)，沖擊狀況可以被最小化。然而，設(shè)計(jì)噴嘴葉片以適應(yīng)亞音速狀況和跨音速流狀況以實(shí)現(xiàn)高效率和弱沖擊波可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。

Groves在美國專利號(hào)9,188,019中公開了一種用于可變?nèi)~片組件的噴嘴葉片設(shè)計(jì)。其中，可變?nèi)~片組件包括具有連接到致動(dòng)器環(huán)的多個(gè)葉片的環(huán)形噴嘴環(huán)以及具有管狀部分和噴嘴部分的插入件。管狀部分可以被容納在渦輪機(jī)殼體中的孔中，而噴嘴部分從管狀部分的一端徑向地延伸出并且可以與噴嘴環(huán)軸向地間隔開。

然而，本文的發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這種系統(tǒng)的潛在問題。例如，葉片組件的葉片設(shè)計(jì)可以導(dǎo)致渦輪機(jī)端壁附近的排氣流增加，并且在每對(duì)葉片之間形成的喉部中的流動(dòng)區(qū)域中減小。在這種情況下，葉片組件的總壓力損失會(huì)由于端壁或渦輪機(jī)葉輪損失的增加而增加。系統(tǒng)中的壓力損失的增加可以對(duì)渦輪機(jī)效率和性能產(chǎn)生不利影響。

發(fā)明內(nèi)容

在一個(gè)示例中，上述問題可以通過用于可變幾何形狀渦輪機(jī)的渦輪機(jī)噴嘴的噴嘴葉片來解決，所述噴嘴葉片包括：弧形外表面，所述弧形外表面相對(duì)于所述噴嘴葉片的弦從所述噴嘴葉片的入口端到出口端彎曲，所述弦具有從所述入口端到所述出口端限定的弦長度，所述噴嘴葉片具有在1.54至2.56的范圍內(nèi)的寬高比(aspect ratio)、在所述弦長度的47％至61％的范圍內(nèi)最大的厚度。以這種方式，在渦輪機(jī)噴嘴上的每個(gè)噴嘴葉片可以被設(shè)計(jì)成將排氣流引導(dǎo)到渦輪機(jī)中，同時(shí)減少端壁和渦輪機(jī)損失。

作為一個(gè)示例，可以在可變噴嘴渦輪機(jī)的渦輪機(jī)噴嘴上提供具有寬高比、葉片厚度和弧線角度變化比率(camber line angle change ratio)的特定組合的噴嘴葉片，由此允許渦輪機(jī)適應(yīng)取決于發(fā)動(dòng)機(jī)工況(諸如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載)的一定范圍的排氣流狀況。