CN101113678A - 一种变出口流动截面可调节涡轮喷嘴环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮增压器中的一种涡轮喷嘴环。利用引自涡轮增压器本身压气机出口和/或外部气源的压缩空气，经过喷嘴叶片的空心内腔或无叶蜗壳进口管内壁附近的空心夹层，由叶型背面(或腹面)和/或尾缘部位开割的通流槽缝或无叶蜗壳舌尖零度截面附近空心夹层出口的环弧形通流缝隙，顺流射吹喷嘴叶片环或无叶蜗壳流道内和/或出口的燃气主流，使缝隙射流与主流混合后的气流在喷嘴环出口产生流向偏转，造成出口气流角(即出口流动截面积)的改变。本发明具有调控力度大、结构简单、成本低、安全可靠、效率高、调控方便、能适用于汽油机涡轮增压器以及外加空气兼有附加增压和外界能源施加辅助能量功能的优点。

Description

一种变出口流动截面可调节涡轮喷嘴环

技术领域

本发明涉及内燃机涡轮增压技术领域内涡轮增压器中的涡轮喷嘴环变截面调节技术。

背景技术

对涡轮增压器采用可变喷嘴环涡轮调节技术是近二十年发展起来的提高内燃机扭矩储备和瞬态响应性、降低燃料消耗与有害排放的有效措施。通过改变涡轮喷嘴环出口的流动截面积，可以实现全工况范围内增压器与内燃机的良好匹配。，

可变喷嘴环调节按涡轮喷嘴环的结构形式可分成喷嘴叶片环(由喷嘴叶片构成的涡轮喷嘴环叶栅，也称有叶喷嘴环)调节和无叶喷嘴环(无叶喷嘴环与涡轮壳做成一体，也称涡轮无叶蜗壳)调节两大类。在可变喷嘴环流动截面调节的现有技术中，由于结构的复杂和工作的不可靠等方面的原因，致使迄今为止尚无成熟的无叶蜗壳(无叶喷嘴环)变截面调节技术产品问世；而喷嘴叶片环(有叶喷嘴环)变截面调节技术，却已在各种涡轮增压器商品上获得广泛应用。可变喷嘴叶片环涡轮调节的现有技术，无例外地均为利用机械方式转动喷嘴叶片(改变喷嘴叶片在涡轮喷嘴环叶栅内的安装角)，使喷嘴环叶片的出口截面积改变的技术方案。其作用是：当喷嘴环叶片出口截面积减小，可改变内燃机排出废气的能量使涡轮进口燃气的压力升高，涡轮输出功率增加，增压器转速上升，压气机增压压力增大；反之，当喷嘴环叶片出口截面积加大，则可使涡轮进口燃气压力下降，涡轮输出功率减少，增压器转速相对减小，增压压力降低。这样，在内燃机低转速工况，当转速降低时，可减小喷嘴环叶片出口截面积，使增压压力不致下降过大；而对于内燃机高转速工况，当转速升高时，可增大喷嘴环叶片出口截面积，使增压压力不致过量增升。从而保证了低转速工况具有较高的增压压力而获得满意的扭矩特性；在高转速工况也限制了增压压力的增加，不致出现增压过度。另外，涡轮喷嘴环叶片角度调节因可实现电控无级调节增压压力的大小，因而可以根据燃烧和控制排放的需要，调节空燃比和排气背压的大小，改善燃烧降低燃料消耗与调节EGR(废气再循环)率实现达到欧IV和欧V的排放控制要求。

该技术与涡轮增压器的另一种涡轮调节技术——废气旁通阀放气相比，其优点是：因无放气造成的高温、高压燃气的能量浪费，故可在不增大高转速工况燃料消耗率的条件下增大低速扭矩；扩大了低燃耗的运行区范围；可以满足越来越高的内燃机排放和噪声规范的要求。缺点是：结构复杂，制造精度高，价格昂贵，体积大；长期在高温和碳烟的环境下工作，难以保证结构与操作系统的可靠性，会使转动叶片出现卡滞、咬死而失效。为此，它仅在燃气温度相对较低的柴油机的涡轮增压器上获得应用，至今仍未推广应用在燃气温度更高的汽油机用的涡轮增压器上；喷嘴叶片与涡轮蜗壳内壁之间为转动叶片所留空隙造成的高温燃气泄漏使涡轮级的效率降低；喷嘴叶片角度变化的调节则会引起叶轮进口气流冲角和涡轮级反动度的变化，调节幅度过大会导致涡轮级效率大幅下降。

目前，涡轮喷嘴环叶片角度调节的实施方案甚多，其动作原理基本相同，但在叶片转动方式上尚有细微差别(关于涡轮喷嘴环变截面调节技术方案的介绍详见朱大鑫编著·《涡轮增压与涡轮增压器》·北京·机械工业出版社·1992·第431～443页和陆家祥编著·《车用内燃机增压》·北京·机械工业出版社·1993·第70～88页的相关内容)，典型结构实例可参见华觉源·《涡轮增压器和增压系统研制的新进展》·大同·车用发动机·1992年第4期·第20～24页的相关介绍。

为了消除涡轮喷嘴环变截面调节现有技术存在的缺点与不足，本发明公开了一种新的可变截面喷嘴环涡轮调节技术方案。

发明内容

本发明的目的在于为可调涡轮增压器提供一种结构最简单，成本最低，调控最方便，能在全转速工况范围内满足内燃机动力性、经济性和排放要求，比采用喷嘴环叶片角度调节装置使用效果更好的且能适用于汽油机涡轮增压器的涡轮喷嘴环变截面调节技术。本发明为实现上述目的采用的技术方案如下：

一、喷嘴叶片环(有叶喷嘴环)变截面调节

本方案的核心技术是对通用结构型式(叶片固定不动)，但叶片结构空心的涡轮喷嘴环叶栅的绕流气流实施射流偏转调节控制——利用引自涡轮增压器本身的压气机出口和/或外部气源的单独或二者引射混合后的压缩空气，经过喷嘴叶片的空心内腔，由叶型背面(或腹面)和/或尾缘部位开割的通流槽缝顺流射吹叶栅流道内和/或叶栅出口的燃气主流，通过缝隙空气射流与叶栅燃气主流的相互作用，使缝隙射流与主流混合后的气流在喷嘴环叶片出口产生流向不同于原主流方向的偏转，造成出口气流角(即出口流动截面积)的改变。

利用槽缝缝隙射流偏转主流流向的机理是：用外加压缩空气对喷嘴叶片缝隙侧叶型壁面上的附着边界层顺流动方向进行吹气，使缝隙出口后的附着边界层与栅内流动发生下述改变：形成新的附着边界层，吹入的空气射流令附着在缝隙侧叶型壁面上缝隙出口后部分的附着边界层的流体组成由燃气改变成基本上由空气代替，并改变了该部分附着边界层在与缝隙侧叶型壁面垂直的剖面内的流速分布，提高了层内流体的动能，使近壁层的流速和密流(密度与流速的乘积)值大幅增加，致使附着边界层内的流线向壁面贴近，产生射流附壁偏转效应；同时，缝隙吹出的空气射流与叶栅流道内的燃气主流在缝隙出口后的部位相混合，形成射流边界层。在射流边界层内，流速由附着边界层外边界处的流速变化到接近主流的流速。射流边界层内不均匀的流速与密流值的分布，致使射流边界层内的流线与主流方向产生偏离，流动向密流值大的一侧偏转。附着边界层内流线的附壁偏转与射流边界层内流线偏转作用的综合结果决定了叶栅出口气流的偏转方向和偏转量值。附图1示出了附着边界层与射流边界层的示意图。由近尾缘的叶片缝隙吹出空气，同样可以改善缝隙侧叶型壁面上的附着边界层内的流速分布，消除该壁面近尾缘区域的流动分离，使该壁面的边界层流体贴近壁面流出，并减少叶栅出口后尾迹气流速度与压力的不均匀度。

众所周知，利用合理配置在叶型壁面和尾缘的缝隙吹气，是现代工程流体力学中对机翼和叶栅叶型上的边界层流动实施控制的一项常用有效措施。其目的在于降低流动损失、提高叶型承载气动负荷的能力。也即，避免叶型表面上的边界层在大冲角绕流情况下出现严重分离，降低流动损失(气流总压损失)；增大绕机翼或叶栅叶型的速度环量(增加升力或举力)；减小叶栅气流落后角(又称气流偏角，它反映了由相邻叶片形成的叶栅流道的导向能力。由于叶型背弧表面靠近尾缘处边界层厚度的影响，使气流在叶栅出口的流出角实际达不到预期设计的几何出口角而落后的角度)以增大气流在叶栅中的折转角。

因此，通过叶型表面和尾缘上的缝隙位置的合理配置与选择合适的吹气量进行吹气来控制叶栅绕流，既能降低叶型流动损失，又能通过减小或增大气流落后角来使叶栅出口气流偏转，从而具有变出口流通截面的“变几何”功能。

鉴于叶栅出口气流落后角的数值一般都小，只有几度(很少到达8°，尤其对于叶型中线弯度小、安装角小和稠度低的叶栅，其落后角更小，一般小于3°)，这样，单靠现有叶栅流体力学中采用的上述利用缝隙射吹实施型面边界层的控制改变落后角的角度所产生的叶栅出口流动截面积变化的幅度，尚距满足喷嘴环叶栅出口截面积“变几何调节”要求的变化幅度相差甚远。为此，本发明在喷嘴环叶栅的叶型尾缘缝隙吹气口处加装一个“射流偏转弧形导流板”装置(附图2)，使尾缘部位的缝隙空气射流增大向喷嘴环叶片出口流通截面积变化所要求的出口气流角减小(或增大)的方向偏转栅后主流流向的力度。利用弧形导流板，可以大幅度增加对喷嘴环叶片出口流动截面积变化的调控能力，其效果的估算可依物理学(力学)中的动量合成原理进行。也即，流出喷嘴环叶栅后的栅内燃气主流与尾缘空气射流混合后的气流平均动量矢量

应等于燃气主流在叶栅出口处的平均动量矢量

与尾缘空气射流的平均动量矢量二者的矢量和，即 $(G_1+G_j)\stackrel{\→}{C_{1m}}=G_1\stackrel{\→}{C_1}+G_j\stackrel{\→}{C_j},$ 式中G₁，G_j分别表示栅内主流燃气和尾缘射流空气的质量；

和

分别表示喷嘴环叶栅出口处栅内燃气主流、尾缘空气射流和主流与空气射流混合后的气流各按相应质量平均所得的平均流速矢量。弧形导流板对出口气流的偏转效应可由方向决定的出气角的大小变化来反映。

根据对变出口流通截面涡轮喷嘴环的调控应用需要，本发明采用下述三种涡轮喷嘴叶片环基本结构形式：

①减小叶栅出口气流角的喷嘴环叶片叶型结构

附图3示出了径流式或混流式涡轮增压器用于减小喷嘴环叶片出口气流角(即减小出口流通截面面积)的三种具有吹气槽缝的涡轮喷嘴环叶片叶型结构示意图：单一的吹气槽缝位于叶型腹弧面侧的构造(图3a)；单一的吹气槽缝开在近尾缘部位背弧面侧，该处的叶型腹弧面向叶栅出口方向延伸并弯向叶型背弧面方向而在尾缘处形成一个射流偏转弧形导流板的构造(图3b)；图3a与图3b复合而成的第三种构造(图3c)。三种构造的射流偏转减小喷嘴环叶片出口气流角的能力与效果排序为：图3c的结构型式最强、最佳，图3b次之，图3a最差。因此，图3a的构造仅适合弱调控(喷嘴环叶片出口流通截面积减小幅度小)的场合；图3b和图3c的构造则分别适合用于强调控和超强调控的场合，喷嘴环叶片出口气流角减幅可达20°～25°，甚至更高，这对调控喷嘴环叶片出口流通截面积满足内燃机配机的需要已足够有余。至于合理地择用何种构造，应依实际需要而定。

附图4示出了轴流式涡轮增压器用于减小喷嘴环叶片出口气流角的三种具有吹气槽缝的涡轮喷嘴环叶片叶型结构示意图(图4a～图4c)。它们的构造特点和适用范围的分析与附图3a～3c类似，只是吹气槽缝在叶型型面和尾缘的开割部位及导流板的构成不同。

②增加叶栅出口气流角的喷嘴环叶片叶型结构

附图5a～5c与附图6a～6c分别示出了径、混流式涡轮增压器和轴流式涡轮增压器用于增大喷嘴环叶片出口气流角(即增大出口流通截面面积)的三种具有吹气槽缝的涡轮喷嘴环叶片叶型结构示意图。它们的结构不同于附图3a～3c和附图4a～4c之处在于对应的吹气槽缝的开割部位与导流板的构成和弯曲方向相反。

③增加与减少叶栅出口气流角兼有的喷嘴叶片环结构，是在同一喷嘴环叶栅内相间布置具有①、②叶型结构的叶片，并分开(不同时)地分别对①和②叶型结构的叶片供给压缩空气。这种喷嘴环的叶片叶型应采用“强力控制型”结构，吹气槽缝宽度宜大，叶片数要多，以适应在不同工况能分别(不同时)地满足增加或减少叶栅出口气流角的喷嘴环调节需要。

显然，实施本发明的技术关键是确定吹气缝隙在喷嘴环叶片叶型中的配置位置、缝隙本身及尾部附近射流偏转弧形导流板的形状尺寸、以及吹气射流的气动参数。

叶面上控制边界层的吹气缝隙应位于大冲角绕流该缝隙出口所在叶面时在叶面上出现的流动分离点的位置之前。这是由于只有在叶面上的气流尚未严重分离的情况下，对边界层流动的气动控制作用才是有效和经济的。而当缝隙位于气流分离点下游时，绕流气动控制的效果就会急剧减小。考虑到分离点的位置随工况而变以及气流在喷嘴环叶栅的通流面积沿流动方向呈收缩状的收敛流道中流动非常稳定，不易出现流动分离。因此，一般只能近似地将吹气槽缝的出口位置选择在叶片流道进口喉部截面与叶型表面交点的前方附近(对于径、混流式涡轮增压器喷嘴环叶栅结构)或选择在叶片流道出口喉部截面与叶型表面交点的前方附近(对于轴流式涡轮增压器喷嘴环叶栅结构)，如附图3～6所示。

●叶面吹气槽缝出口宽度与尾部吹气槽缝出口宽度的尺寸选择

叶面吹气槽缝宽度尺寸δ和/或尾部吹气槽缝宽度尺寸Δ(附图3～6)的大小，主要应由欲对叶型表面边界层流动和叶栅后气流偏转实施控制的力度要求来确定。δ值和/或Δ值越大，由槽缝吹出参与边界层控制和射流偏转的外加空气量就越多，对喷嘴环叶栅绕流控制的力度也越大。但过大的δ值和/或Δ值，会造成高速空气射流能量的浪费，反之，过小的δ值和/或Δ值，会因控制力度不够，不足以实现有效控制。一般，槽缝出口宽度尺寸宜在δ＝(0.02～0.15)a₁和/或Δ＝(0.03～0.20)a₂的尺寸范围内初步进行选择，然后根据实验调整后定下，式中a₁和a₂分别是喷嘴环叶栅叶型的型面和尾部槽缝出口位置处叶栅流道的宽度尺寸(槽缝出口位置处叶栅流道圆的直径)，如附图3～4所示。

●叶型尾部附接射流偏转弧形导流板的尺寸选择

本发明为加强叶型尾部槽缝吹气(空气射流)对栅后主流气流方向的偏转作用，改造叶型尾部槽缝吹气口后面部份的结构如下：在开割尾部槽缝吹气口之后剩下的叶型面上，顺流动方向延接一个向所需气流偏转方向弯曲的弧形导流板，使流出尾部缝隙吹气口的空气射流沿导流板的出口方向流向栅后，对主流气流在栅后的流向产生附加偏转作用。

射流偏转弧形导流板的几何尺寸荐用范围为：导流板偏转角θ＝5°～50°；导流板弧长S＝(0.03～0.25)L，式中L——叶型中弧线总长度，如附图2所示。

考虑到喷嘴环叶栅出口气流角调小至12°已臻近极限，再小就使效率下降明显，因此在采用减小出口气流角的调控方式时，必须根据调控力度(所择取θ值的大小)选择相应的叶型在叶栅中安装角的大小(当θ取值大时，安装角也须相应加大)，俾使出口气流角减至最小也不要低于限定值。同样，当采用增大出口气流角的调控方式时，叶型在叶栅中安装角的大小须能保证出口气流角在调控尚未实施时不低于上述限定的值。一般说来，在未调控的情况下，安装角加大时，出口气流角也随之加大，反之，则出口气流角减小。

●槽缝吹气空气射流的气动参数选择

缝隙吹气产生的空气射流的动量

的大小和方向决定了喷嘴环叶栅栅后气流偏转量的大小和方向。因此，对喷嘴环叶栅绕流实施调控的实质就是对空气射流动量矢量的方向和大小进行调节控制。

射流空气动量矢量的模等于缝隙出口处的空气密度ρ_j与缝隙出口处空气射流速度的平方C_j ²及缝隙槽缝宽度δ和/或Δ三者的乘积。其中，p_j＝ρ_jRT_j，式中p_j和T_j分别是缝口处的空气静压和静温；空气射流在缝口处的流速值的大小为C_j＝44.83{T^* _j[1-(p_j/P_j)^0.2857]}^0.5，式中P_j和T^* _j分别是缝口处的空气总压和总温。由此可见，对射流空气动量大小的调控主要需依靠外加压缩空气源的压力P_j的变化来实现。一般，空气射流流速C_j与叶栅出口燃气主流流速C₁的比值C_j/C₁处于0.8～1.5范围时，可获得对叶栅绕流既经济又有效的控制，其中C₁＝50.48{T^* ₁[1-(p₁/P₁)^0.2481]}^0.5，式中，P₁，T^* ₁和p₁分别是喷嘴环叶栅进口处燃气的总压，总温和叶栅出口处气流的静压。对外加压缩空气源的供气压力P_j可通过一个连接气源与喷嘴叶片内腔的空气节流阀简单地进行调节。至于射流空气量的大小，如前所述可依槽缝出口宽度δ和/或Δ的尺寸选择，在设计时就预先设定好，然后在涡轮增压器运转过程中再随工况进行调节。对射流偏转弧形导流板的偏转角θ的设定也同样如δ和Δ的尺寸选择一样，须在设计时就择定。

本发明对外加压缩空气源的选用有下述两种方式：

①涡轮增压器本身的压气机出口的压缩空气

将压气机出口的部分压缩空气通过连接管及压力调节阀与喷嘴环叶片内腔相通的集气箱联接。根据内燃机与涡轮增压器配机工况需要的增压压力值通过压力调节阀对压气机出口的空气压力进行节流调节，以满足缝隙空气射流所需的压力P_j。这一气源选用方案的特点与优点如下：

1、不需添增专用压缩气源设备，减少设备投资与安装空间；

2、压气机压缩射流空气耗用的能量，大部份可在涡轮叶轮中作功回收；

3、喷嘴环叶栅前的燃气气流总压与压气机出口空气气流的总压相差不大，但燃气温度约为空气温度的二倍，因此，空气的密度值约比燃气的密度高一倍，从而使缝隙空气射流的密流与动量值均较速度相同的燃气主流大了一倍，非常有利于叶栅绕流的气动控制。特别对于需要射流空气流速小于吹气口处主流燃气流速的调控场合，可以用密度增大来弥补速度不足对射流动量的削弱影响，扩大调控的有效范围。

4、有可能在相当多的工况下，根据喷嘴环叶栅前燃气总压与压气机出口空气总压的压差随工况(内燃机转速与功率)的变化和对增压压力的调控需要，对叶型形状、吹气缝隙位置与吹气口宽度尺寸、叶型在叶栅中的安装角大小，以及射流偏转导流板的弯曲角进行合理选择，就可以实现对P_j少调节、甚至不调节便能满足全转速工况的增压压力需求。

②外部气源供给的压缩空气

可以利用大多数车辆和船舶内燃机装置中都有的起动或制动用的空气压缩机及储气瓶，也可配用由内燃机曲轴带动的专用的活塞式或小型迴转滑片式的空气泵(如朱大鑫编著·《涡轮增压与涡轮增压器》·北京·机械工业出版社·1992·第471页图10～19所示)作为压缩空气源，通过压力调节阀配制缝隙吹气射流空气所需的压力P_j和气量G_j后输送到与叶片空腔相联接的集气箱。这种供气方式的优点是压力P_j的配制与调控独立、使用非常方便；缺点是配用专用气源需增加设备投资，与额外耗用内燃机的能量，以及增大了设备占用的空间。

本发明的技术方案与现有技术(改变喷嘴叶片在涡轮喷嘴环叶栅内的安装角)的可变截面喷嘴环涡轮调节方案相比，具有下列优点：

■取消了转动叶片(改变叶片安装角)的复杂机械执行机构——简化了调节机构，减小了安装调节机构占有的空间，降低了制造成本，减少了事故发生率。

■由于不需要预留转动叶片必需的叶片与涡轮进气壳壳体内壁之间的间隙(该间隙须保证叶片在高温并存在碳烟的燃气中，经长时间运转和高温膨胀后仍不会对叶片转动产生卡滞、咬死，故间隙一般较大，致使产生较大的漏气损失，降低了涡轮效率，如朱大鑫编著·《涡轮增压与涡轮增压器》·北京·1992·第517页中介绍的实例所示)，因此，本发明方案不存在喷嘴环叶片端部的燃气漏气损失，且叶片的高温膨胀不会影响正常工作，故本发明可在转动叶片角度的现有技术方案至今仍不能应用的汽油机的涡轮增压器上实施可变喷嘴环截面涡轮调节。

■消除了伴随叶片转动必然产生的喷嘴叶片进口大冲角绕流分离流动损失。在本发明技术方案中，因喷嘴叶片固定不动，而流入喷嘴环叶栅的气流方向又不随流量改变，因此在喷嘴叶片进口不会产生变工况引起的冲角分离流动损失，大大提高了喷嘴环叶栅变工况情况下的流动效率。另外，由于采用缝隙吹气进气绕流控制也大幅改善了叶型面边界层内流体的流动，消除或减少了叶面上的流动分离，提高了流动效率。因此，在大多数工况下，本发明方案不仅不会降低喷嘴环叶栅的流动效率，反而会比不采用缝隙吹气绕流控制措施时的常规绕流状态情况下的效率高。

■本发明采用外加空气经缝隙射吹控制喷嘴环叶栅绕流的技术方案与现有技术(转动叶片改变安装角的)方案相比，本质上的不同还在于：

1、当外加空气的供应由非增压器本身压气机的外部压缩气源提供时，外部气源实质上是一个增加辅助能源的装置，它通过外加空气的射吹对增压器的转子施加补充能量，从而可大幅提高增压压力，这对改善内燃机低转速工况的性能至关重要、有效，这是转动叶片改变安装角的现有变截面调节技术不具备的优点。

2、由缝隙吹气加入的外加空气，使流经喷嘴和/或叶轮的气量增大。依连续方程，这部分外加质量气流流经喷嘴和/或叶轮时，将使叶轮入口及喷嘴入口的气流总压产生一个附加的压力增升，外加气量越大，压力增升越大。如前所述，可变喷嘴涡轮调节的目的是通过改变喷嘴环叶片出口的流动截面积大小来改变涡轮进口(喷嘴环叶片进口)的燃气压力，进而改变增压压力的大小。因此，本发明方案除与可调叶片安装角涡轮喷嘴环现有技术方案一样具有变出口截面积改变增压压力的功能之外，还比后者多具备了利用外加空气质量调控增压压力的功能。因此，外加气量的加入减少了因内燃机转速下降引生的喷嘴入口气流总压下降的幅度，从而可对因内燃机转速下降造成的气量减少具有“补偿功能”。因此当内燃机转速下降时，应适当增加外加气量的加入，以削弱转速下降的不利影响。特别当低转速低负荷工况时，因内燃机排气能量严重不足，更须引入外部气源的高压空气助推涡轮转子才能有效提高增压压力，这时采用本发明结构减少喷嘴环出口面积进行调压的变截面喷嘴环调节方案，其调节幅度的范围更大，调控效果更好。

3、外加缝隙射流空气对喷嘴环叶片与涡轮叶片和叶轮有冷却作用(若用中冷后的空气射吹，效果更佳)可允许对叶片和叶轮材质的耐热性能降低要求，这对汽油机用的涡轮增压器意义重大。

4、外加空气的加入，稀释了有害排放物的浓度，有利于达到环保要求。二、无叶喷嘴环(涡轮无叶蜗壳)变截面调节

与喷嘴叶片环(有叶喷嘴环)变截面调节采用的技术方案的原理相同，本方案的核心技术是：在常规结构涡轮无叶蜗壳进口管(进口段导管)部分的内壁处设置一个锥管形的空腔夹层，该空腔夹层由蜗壳进口管的进口截面至进口管出口蜗壳舌尖零度截面处的形状变化呈收敛状(即其与管轴正交截取的空腔夹层的环形底部的截面积沿管轴逐渐缩小)，环形底部截面周线的形状与进口管截面内壁周线的形状相似，一般呈不规则的形状，如图7～9所示。利用引自涡轮增压器本身的压气机出口和/或外部气源单独或二者引射混合后的压缩空气，经过该空心内腔夹层在蜗壳舌尖零度截面出口处的环弧状夹缝缝隙顺流射吹由蜗壳进口管中心部位流出的燃气主流，通过缝隙空气射流与燃气主流的相互作用，使缝隙射流与主流混合后的气流在舌尖后蜗壳截面处的流向产生偏转，造成无叶蜗壳平行壁环形出口段出口气流角(即出口流动截面积)的改变。其机理与改变舌形档板角度调控变截面无叶蜗壳内气体流动的情况相似(二者差异在于本发明采用空气射流替代舌形挡板进行调控，其效果更好——调控力度大，无侧漏，流动损失小，最重要的是本发明没有机械转动机构，不象舌形挡板会因铰接卡滞、咬死导致不能转动而失效)，其原理可参见陆家祥编著·《车用内燃机增压》·北京·机械工业出版社·1993·第76～84页的相关介绍。

与喷嘴叶片环变截面调节的情况一样，为了加强射流偏转力度，蜗壳舌尖附近处的空腔夹缝壁面可按所需偏转方向设计成一个具有环弧形截面的“射流偏转形导流板”，与喷嘴叶片环情况的射流偏转弧形导流板的几何参数选择一样，其几何尺寸荐用范围为：导流板偏转角θ＝5°～50°，导流板弧长S＝(0.10～0.6)H，式中的H——无叶蜗壳进口管出口零度截面位置处蜗壳通道的径向高度(零度截面的蜗壳外壁与内壁间的半径差值)，而空心夹层出口的环弧形吹气缝隙的出口宽度尺寸Δ的择用范围为Δ＝(0.03～0.2)H。图8和图9分别示出了采用减小和增大无叶喷嘴环出口流道截面积调节的涡轮无叶蜗壳进口管部分的结构示意图。对于须兼具减小和增大无叶喷嘴环出口流动截面变截面调节功能以适应工况变化需要的情况，可根据需要调节工况出现的频度与所需的调节力度，适当组合图8和图9的结构形状进行配置。调节时，须用两个彼此分隔的气室不同时地进行单独供给射流压缩空气，如图11所示。

为了有效控制夹层内射流空气的流向，须在大致沿锥管夹层的母线方向，在夹层内壁面上按射流偏转流向的要求设置导流筋，使夹层内的射流空气在相邻筋条形成的槽道中由蜗壳进口截面至舌尖零度截面沿槽道限定的方向流动，并随夹层截面积的逐渐缩小不断加速，避免了夹层内的空气射流因相互流向不一致彼此发生窜流导致在夹层出口出现射流方向失控从而影响射流效果的弊病。

附图说明

图1示出了由喷嘴叶片叶型的空心内腔经叶型背弧面上开割的槽缝顺栅内主流流动方向吹出的空气射流与喷嘴环叶栅流道内的燃气主流相互作用形成附着边界层和射流边界层的示意图。

图2示出的是在喷嘴叶片环叶栅的叶型尾缘附近部位的缝隙吹气口处设置的射流偏转弧形导流板的结构示意图。

图3示出了径流式或混流式涡轮增压器用于减小喷嘴环叶片出口气流角的三种具有吹气槽缝的涡轮喷嘴环叶片叶型结构示意图——图3a～3c。

图4示出了轴流式涡轮增压器用于减小喷嘴环叶片出口气流角的三种具有吹气槽缝的涡轮喷嘴环叶片叶型结构示意图——图4a～4c。

图5示出了径流式或混流式涡轮增压器用于增大喷嘴环叶片出口气流角的三种具有吹气槽缝的涡轮喷嘴环叶片叶型结构示意图——图5a～5c。

图6示出了轴流式涡轮增压器用于增大喷嘴环叶片出口气流角的三种具有吹气槽缝的涡轮喷嘴环叶片叶型结构示意图——图6a～6c。

图7示出的是设置于涡轮单流道无叶蜗壳进口管(进口段导管)内壁附近的空心内腔夹层的位置和形状的示意图。对于双流道和多流道的不同截面形状(圆形、矩形、梯形、梨形、落伞形等)无叶蜗壳中的每个流道，其进口管内壁附近的空心夹层，都具有类似构造。

图8示出了用于减小无叶喷嘴环(涡轮无叶蜗壳)出口气流角的无叶蜗壳进口管部分空心内腔夹层构造(在靠近蜗壳舌尖附近零度截面的夹层内侧壁面设有射流偏转弧形导流板)的示意图。

图9示出了用于增大无叶喷嘴环(涡轮无叶蜗壳)出口气流角的无叶蜗壳进口管部分空心内腔夹层构造(在靠近蜗壳舌尖附近零度截面的夹层外侧壁面设有射流偏转弧形导流板)的示意图。

图10示出的是用于径流式涡轮增压器的本发明结构涡轮喷嘴环的一个示例的示意图。

图11示出的是用于径流式涡轮增压器的本发明结构无叶喷嘴环(涡轮无叶蜗壳)的一个示例的示意图。

具体实施方式

以下，通过实施例与结合附图对本发明的技术内容作进一步的描述。

如上所述，本发明的技术核心是利用外加压缩空气，经过涡轮喷嘴叶片环(有叶喷嘴)的喷嘴叶片的空心内腔或涡轮无叶蜗壳(无叶喷嘴环)进口管内壁处的空腔夹层，由喷嘴叶片环的叶型型面和/或尾缘部位处开割的通流槽缝或无叶蜗壳进口管出口舌尖零度截面处空腔夹层出口的环弧状缝隙(一般在尾缘槽缝或夹层出口缝隙后附装有弧形导流板)顺流射吹喷嘴环叶栅流道内和/或叶栅出口的燃气主流或由无叶蜗壳进口管中心部分流出的燃气主流，使缝隙射流与主流混合后的气流在喷嘴环出口产生流向不同于原主流方向的偏转，造成出口气流角(即出口流动截面积)的改变。通过压力调节阀对外加压缩空气的供气压力进行调控，就会使出口气流角按需要变化，满足不同工况对增压压力的需求。因此，本发明技术方案的涡轮喷嘴环结构与传统构造的涡轮喷嘴环结构不同，其差异之处在于：

▲喷嘴环具有空心内腔。为保证外加压缩空气供应充足、通畅，空心内腔应有足够大的截面积，致使喷嘴环叶片叶型剖面(叶型仍以采用气动性能优良的机翼形为宜)尺寸和蜗壳进口管的通流截面面积大幅增加。另外，喷嘴叶片的顶端和/或根端须与集气箱(环形腔室)相通，以引接外加压缩空气。

▲喷嘴环叶栅结构宜选用中弧线弯曲角大的叶型、加大叶型安装角和减小叶栅稠度(叶片数少的低稠度叶栅)，以使叶栅出口气流的落后角增大。这样可以充分发挥缝隙吹气能大幅改变出口气流角的优点，获得使出口流动截面积大幅改变的预期效果。

▲具有环形腔室状的外加空气输气室(集气箱)，以保证外加压缩空气由气源经压力调节阀调压流入集气箱后，能均匀、充足地流入各个喷嘴叶片的空心内腔。径流式或混流式涡轮增压器喷嘴环的集气箱安置在喷嘴叶片的轴向侧(右侧和/或左侧)；轴流式涡轮增压器喷嘴环的集气箱则安置在径向侧(外径侧和/或内径侧)。集气箱用接管(一个或数个)与压力调节阀的出口管道通连，管路截面积应足够大，以保证吹气量的充足供给。

图10示出了用于径流式涡轮增压器的本发明结构涡轮喷嘴叶片环的一个例子的示意图。图中顶端盖板1和根端盖板3分别是喷嘴叶片2的顶端和根端的盖板，喷嘴叶片2是具有本发明结构用于减小出气角调控功能的叶型——在空心叶片叶型腹面与尾缘附近的背面壁面上开割有和空心内腔通连的吹气槽缝，根据工况需要，将外加压缩空气源供给、并经压力调节阀配制的合适压力的压缩空气流导入集气箱4，然后由集气箱均匀地分配至各个叶片的空心内腔，最后由叶型壁面和尾缘部位处的槽缝吹出，形成空气射流。为加强射流对叶栅出口气流流向的偏转作用，在尾部缝隙吹气口后加装了射流偏转弧形导流板5。空心叶片2(包括槽缝和弧形导流板5)可采用精密铸造(或用两块钣材按型面弧线模锻后沿边缘对接焊接)再经机械加工制成一个完整的叶片单元构件，然后将各个叶片单元构件与端盖板1和3组合配装成喷嘴叶片环。根端盖板3上与叶片2配接的叶型廓线孔可用精铸工艺在制作根端盖板3时一并做出；也可采用数控线切割机床或电火花机床辅以其它机械加工制作。叶片2穿过根端盖板3的叶型廓线孔后的伸出部分，可用焊接工艺沿叶型廓线焊住，这部分的吹气缝隙也要用焊接封闭但要保持伸出部分空心内腔的畅通。然后用螺栓衬以铜垫片将根端盖板3与同压力调节阀出口连接管6铸成一体的压盖7压紧，即可在叶片环轴向右侧形成集气箱4。

混流式涡轮增压器用的本发明结构的涡轮喷嘴环的构造与图10完全类似，但有一点不同：径流式涡轮级流入和流出喷嘴环的气流流向是径向(气流由半径大的进口位置沿与涡轮转轴垂直的方向“向心地”流向半径小的出口位置)，因此端盖板1、3和压盖7都是与转轴垂直的径向平面；混流式涡轮级流入和流出喷嘴环的气流流向是与转轴呈一定倾角的斜向流动，因此其端盖板1、3和压盖7都应是与流向平行的倾斜于转轴的锥面，其集气箱4也因此成为一个由锥形壁及其相垂直的锥形面构成的矩形截面环状腔室。

轴流式涡轮增压器用的本发明结构的涡轮喷嘴环的构造，与大中型燃气轮机装置的涡轮冷却技术中采用的吹气冷却导向叶片的结构完全相同(譬如王钟铭编·《舰船燃气轮机装置》·北京·国防工业出版社·1981年·第122～125，234～236页，图7～19介绍展示的结构型式)。其特点是叶片环系由精密机械加工的各个叶片单元镶嵌装配组合而成，另外，因为流经叶片内腔的外加空气是由径向流入，故集气箱4(输送外加空气的环形腔室)应布置在叶片环的径向侧——外径侧和/或内径侧。

涡轮无叶蜗壳的结构系由进口管(进口段导管)、蜗形通道及平行壁环形出口段共三个部分构成。蜗形通道的截面形状很多，有圆形、矩形、梯形、梨形、落伞形等多种形状，一般呈复杂的不规则形状。蜗壳通道的数量可以是单流道、双流道或多流道，有多种形式。

图11示出了用于径流式涡轮增压器的本发明结构无叶喷嘴环(单流道涡轮无叶蜗壳)的一个例子的示意图。图中梨形截面的蜗壳通道2和平行壁环形出口段3的结构与常规的无叶蜗壳结构相同。使无叶喷嘴环(涡轮无叶蜗壳)出口流动截面具有变截面调节功能的关键部件是进口管1(对于本例，它是一种兼具用于减小和增大出气角调控功能的本发明结构)。在进口管1由蜗壳进口截面至蜗壳舌尖部位零度截面的蜗壳内壁附近，设置有一空心内腔夹层4。引自增压器本身压气机出口和/或外界压缩气源供给的压缩空气，根据工况需求的不同，分别由上、下气室经过该空心夹层在蜗壳舌尖零度截面出口处的环弧状缝隙对进口管流道中心部分流出的燃气主流施加射流偏转作用。为了有效组织与控制射流气流的流动方向，在大致沿进口管内壁母线方向设置了多条导流筋条，使空心夹层内射流空气的流动限制为沿多个筋条形成的槽道内的流动。图中例子的空心夹层内的筋条槽道(与花键轴齿槽结构形状相似)可在流道中心管件壁面的外侧铣削加工出来。为使蜗壳舌尖部分附近的夹层壁面形成射流偏转弧形导流板5的结构形状，宜在进口管内壁贴壁镶嵌一个薄壁套管。而且为避免在射流偏转导流板的背后形成流动死区增大流动损失，须再在射流偏转导流板5附近及其上游部位的该套管外侧壁面或相应配接部位的蜗壳内壁的壁面上制作若干根导流筋条(也可在射流偏转导流板上开割细条通流微缝或钻通流微孔)，用少量通过的射流压缩空气清扫死区滞气。由本示例可见，本发明结构涡轮无叶蜗壳的进口管内壁处的空心夹层4可简单地由一个通燃气主流的异形截面厚壁中心管道件(在该管件外壁面侧铣有多条导流筋条)和一个贴壁镶套配装在它外壁面上的薄壁套管所组成——二者组装成一体，就形成了无叶蜗壳进口管的空心夹层(在射流偏转导流板所在位置附近一般还须在套管外壁与蜗壳舌尖壁面配接的部位再制作少量导流筋与蜗壳进口管内壁形成通流面积很小的另一个局部空心夹层供少量压缩空气通过，射吹清扫射流导向板背后的死区滞气)。将组配在一起的中心管道件和套管放入蜗壳的进口管内，即形成了本发明结构的可变截面调节涡轮无叶蜗壳。由于对其采用机械加工很方便，工作量又不大，且可达到很高的加工精度和光洁度，另外，对其压缩空气集气室的布置与压缩空气的导入也较喷嘴叶片环情况更简单，而不存在任何问题，因此，这种结构的涡轮无叶喷嘴环的应用前景非常广阔。

本发明方案喷嘴环所用外加压缩空气的压力调节，可采用简单的电控电动压力调节阀，以涡轮增压器的压气机出口的增压压力值作为电控的反馈控制参数，实施节流控压调节；在许多情况下，也可以采用更简单的气动截流阀调节。

Claims (4)

1.一种涡轮喷嘴叶片环，它由顶端盖板1、空心叶片2、根端盖板3和集气箱压盖7构成，其特征在于：在具有空心内腔的叶片2的叶型腹面(或背面)和/或尾缘部位的型面壁面上，开割有与空心内腔连通的吹气槽缝，尾缘吹气槽缝后附接装有射流偏转弧形导流板5，叶型腹面(或背面)吹气槽缝出口的宽度尺寸δ的择用范围为δ＝(0.02～0.15)a₁，尾缘部位吹气槽缝出口的宽度尺寸Δ的择用范围为Δ＝(0.03～0.20)a₂，式中a₁和a₂分别是喷嘴环叶栅叶型的壁面和尾部槽缝出口位置处叶栅流道的宽度尺寸(槽缝出口位置处叶栅流道圆的直径)。

2.按权利要求1所述的涡轮喷嘴叶片环，其特征在于：射流偏转弧形导流板5的几何尺寸荐用范围为：导流板偏转角θ＝5°～50°，导流板弧长S＝(0.03～0.25)L，式中L——叶型中弧线总长度。

3.一种涡轮无叶喷嘴环(即涡轮无叶蜗壳)，它由进口管(进口段导管)1、蜗形通道2与平行壁环形出口通道3构成，其特征在于：在蜗壳进口管的内壁由蜗壳进口截面至蜗壳舌尖零度截面部位的附近，设有空心内腔夹层4。该空心内腔夹层在蜗壳舌尖零度截面附近的出口处开割有环弧形的吹气缝隙，吹气缝隙出口宽度尺寸Δ的择用范围为Δ＝(0.03～0.2)H，式中H——无叶蜗壳进口管出口零度截面处蜗壳通道的径向高度(零度截面的蜗壳内、外壁间的半径差值)，并在空心内腔夹层出口缝隙壁面后附接装有射流偏转弧形导流板5。

4.按权利要求3所述的涡轮无叶喷嘴环，其特征在于：射流偏转弧形导流板5的几何尺寸荐用范围为：导流板偏转角θ＝5°～50°，导流板弧长S＝(0.10～0.6)H。

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