CN102296992A - 多翼型翼片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多翼型翼片，具体地，一种用于涡轮增压器的涡轮组件的翼片包括：第一翼型，其包括前缘和后缘之间的长度；第二翼型，其包括前缘和后缘之间的长度，其中，所述第一翼型的长度任选地不同于所述第二翼型的长度；和一个或多个翼片内喉部，其至少部分地由所述第一翼型和所述第二翼型限定。还公开了设备、组件、系统、方法等的各种其它例子。

Description

多翼型翼片
技术领域
本文公开的主题一般地涉及用于内燃发动机的涡轮机械，并且更特别地涉及用于向涡轮叶轮引导排气的翼片。
背景技术
可变喷嘴涡轮组件用于使排气加速流出涡壳(或多个涡壳)和引导排气更均匀地流向涡轮叶轮。依靠可枢转翼片的可变喷嘴涡轮组件的耐磨性和耐久性很大程度上取决于翼片的设计，尤其是翼片翼型的设计。当排气流过由相邻翼片限定的多个喉部(throat)时，所述翼片承受转矩。此外，转矩通常随着翼片位置和排气条件而变化。翼型设计也影响尾流和冲击波形成。冲击波影响着可变喷嘴涡轮组件的各种部件。流过翼型的排气产生的冲击波和尾流对涡轮叶轮性能和完整性具有直接影响。
附图说明
通过参照下面详细说明并结合附图，可对本文描述的各种方法、设备、组件、系统、布置等及其等同物有更完整的理解，附图中：
图1是涡轮增压器和内燃发动机简图；
图2是涡轮组件的剖视图，其包括可调翼片以引导排气到涡轮叶轮；
图3是具有多翼型的翼片的一系列透视图；
图4是包括多个多翼型翼片的可变喷嘴涡轮组件的一部分的透视图；
图5是包括多翼型的翼片的一系列视图；
图6是包括多翼型的翼片的一系列视图；
图7是包括多翼型的翼片的一系列视图；和
图8是包括具有多个翼片内喉部的多翼型的翼片的一系列视图。
具体实施方式
可变喷嘴涡轮中的翼片设计关系到涡轮增压器的性能、耐磨性和耐久性。翼片翼型的特性部分地决定了绕翼片的控制轴产生的转矩以及所产生的冲击和尾流，这影响着涡轮叶轮性能和可靠性。关于翼片翼型的特性，某些特性有益于降低转矩且某些特性有益于减少尾流。
如下所述，在各种例子中，所给出的翼片具有有益的特性。具体地，本文给出的各种翼片都包括多个翼型。这样的多翼型翼片允许翼型之间的相互作用，这能使流动更平滑从而可增加效率同时最小化冲击/尾流。例如，希望减小翼片后缘尾流和转子定子相互作用的冲击强度，从而减少不稳定的涡轮翼片加载，同时满足任何需求的转矩特性(例如，没有方向的反转和较低的致动力)。具有多个和不同形状翼型的翼片也使得能够调整翼片的转矩。
涡轮增压器经常用于增加内燃发动机的输出。参照图1，传统的系统100包括内燃发动机110和涡轮增压器120。内燃发动机110包括容纳一个或多个燃烧室的发动机体118，该一个或多个燃烧室可操作地驱动轴112。如图1中所示，进气口114提供用于空气流入发动机体118的流动路径，而排气口116提供用于排气从发动机体118排出的流动路径。
涡轮增压器120用于从排气中提取能量以及向进气提供能量，所述进气可以和燃料混合以形成燃烧气体。如图1中所示，涡轮增压器120包括空气入口134、轴122、压缩机124、涡轮126、壳体128和排气出口136。壳体128可以指的是中心壳体，因为其设置在压缩机124和涡轮126之间。轴122可以是包括多种部件的轴组件。
这样的涡轮增压器可以包括一个或多个可变几何单元(variable geometryunit)，其可以使用多个可调翼片、可调扩散器部分、废气门或其他特征来控制排气流动(例如，可变几何涡轮)或控制进气流动(例如，可变几何压缩机)。在图1中，涡轮增压器120进一步包括可变几何机构130以及致动器或控制器132。可变几何机构130用于调节或改变排气向涡轮126的流动。
位于涡轮进口的可调翼片能操作来控制排气向涡轮的流动。例如，
Figure BSA00000551397000021
涡轮增压器调节涡轮入口处的排气流动，以便在需求的负载下使涡轮功率最优化。翼片向关闭位置的移动典型地引导排气更加切向于涡轮流动，这进而向涡轮给予更多能量并因此增加压缩机增压。相反，翼片向打开位置的移动典型地引导排气更加径向于涡轮流动，这进而减少流向涡轮的能量并因此减小压缩机增压。关闭的翼片也限制从中通过的通道，这在涡轮上产生增加的压力差，这进而在涡轮上给予更多能量。因此，在低发动机速度和小排气流量时，VGT涡轮增压器可以增加涡轮功率和增压压力；然而，在满发动机速度/负载和高气体流量时，VGT涡轮增压器可以帮助避免涡轮增压器超速并且帮助维持在适当的或需求的增压压力。
现有多种控制模式来控制几何，例如，依靠压缩机压力的致动器可以控制几何和/或发动机管理系统可使用真空致动器来控制几何。总之，VGT可以允许增压压力调节，这可以有效地使功率输出、燃料效率、排放、响应、耐磨性等最优化。当然，涡轮增压器可以使用废气门技术作为上述可变几何技术的替代，或者在上述可变几何技术之外再使用废气门技术。
图2示出了具有涡轮叶轮204以及与可变几何机构相关联的翼片(参见，例如翼片220)的涡轮组件200的剖视图。涡轮组件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的例子中，涡轮叶轮204包括多个叶片(参见，例如涡轮叶片206)，所述叶片主要以径向方向从z轴向外延伸。代表其它叶片的叶片206具有外缘208，在其上的任一点能够在r、Θ、z坐标系(即，圆柱坐标系)中限定。外缘208限定出口导流器部分(此处排气排出)和进口导流器部分(此处排气进入)。翼片220引导排气向涡轮叶轮204的进口导流器部分流动。
在图2的例子中，翼片220定位在轴或柱体224上，所述轴或柱体224固定到翼片底座240中，其可以是可变几何机构的一部分。如图所示，柱体224对准成基本上与涡轮叶轮204的z轴平行且包括上表面226。虽然柱体224显示为不延伸超过上表面226，但在其他例子中，柱体可以与上表面226齐平或延伸超过上表面226(例如，被壳体250的插座接收，等)。
关于调节，可变几何机构能提供翼片220与其他翼片一起的可旋转调节来改变排气向涡轮叶轮204的叶片的流动。通常，调节会调节整个翼片并通常调节所有翼片，其中，任何翼片的调节也改变位于相邻翼片(例如，翼片喉部或喷嘴)之间的流动空间的形状。在图2中，箭头指示从翼片220的入口端223向出口端225的排气流动的大致方向。如上所述，朝向“打开”的调节引导排气更加径向于涡轮叶轮204流动；而朝向“关闭”的调节引导排气更加切向于涡轮叶轮204流动。
涡轮组件200是一个特定的例子，值得注意的是本文描述的各种翼片可以实施在其他类型的涡轮组件中。在图2的例子中，组件200具有插入件250，其从上至下(例如，沿着z轴)包括：基本上圆柱状或管状部分251；基本上平坦的环状部分253；一个或多个延伸部255；腿或台阶部分257；和底座部分259。底座部分259延伸到构造成接收螺栓272的开口，用于把插入件250附接到中心壳体270。如图2所示，涡轮壳体260安置在插入件250之上且形成涡壳262，涡壳262至少部分地由壳体260的涡壳侧表面264和插入件250的涡壳侧表面256限定。涡壳262接收排气(例如来自发动机的一个或多个汽缸)并向翼片引导排气。
在急剧的操作瞬变期间，作用于翼片上的作用力可以影响可操作性或寿命。这种作用力可能来自排气流过翼片表面的流动、压力差(例如在命令空间245和翼片空间之间)、或者一个或多个其他因素。
图1的控制器132可以与包括处理器和存储器的发动机控制单元(ECU)通讯。ECU可以向控制器132提供任何多种信息(例如，指令、节流器、发动机速度等)并且控制器132可以类似地向ECU提供信息(例如，翼片位置等)。控制器132可以被ECU编程或通过其他技术编程。控制器132可以包括处理器和存储器，任选地作为单个集成电路(例如一个芯片)或作为多于一个的集成电路(例如芯片组)。
如上述的，本文给出的各种翼片均包括多个翼型，其能提高性能，特别是关于转矩和尾流的性能。图3示出了具有多个翼型301和303的翼片300的一个例子，以及坐标系(x，y，z)。在图3的例子中，翼型301短于翼型303(例如，沿着x轴)。翼型301具有面向外的翼型表面312和面向内的翼型表面314，其中，表面312和314设置在前缘311、后缘313、底面322和毂面324之间。翼型303具有面向内的翼型表面316和面向外的翼型表面318，其中，表面316和318设置在前缘315、后缘317、底面322和毂面324之间。因此，在图3的例子中，两个翼型301和303共享共同的底面322和共同的毂面324。翼型表面312，314，316和318能相对于坐标系和任选地相对于投影(例如三维中的二维)来描述。
翼片300进一步包括柱体330，该柱体330从底面322沿轴向向下(z轴)延伸到底端331并且从毂面324轴向向上延伸到毂端339。柱体330包括各圆柱表面332、334、336和338，其可以任选地由关于z轴的一个或多个半径来限定。如上所述，翼片可以具有或可以不具有向上延伸的柱体部分和向下延伸的柱体部分二者。此外，在可变喷嘴涡轮组件中存在用于调节一个或多个翼片的其他机构。
箭头指示排气流动穿过由翼型301和303限定的喉部的大致方向。如图所示，排气进入前缘311和315之间的喉部并且流出翼型301的后缘313和沿着翼型303的面向内的表面316的直线或曲线(例如，考虑翼片300在xz平面中的投影)之间的喉部。
在图3的例子中，翼片300包括：第一翼型301，其包括前缘311和后缘313之间的长度；第二翼型303，其包括前缘315和后缘317之间的长度(例如，其中，第一翼型的长度可以不同于第二翼型的长度)；和至少部分地由第一翼型301和第二翼型303限定的翼片内喉部。
图4示出了可变喷嘴涡轮组件的一部分400的例子。所述部分400包括四个翼片，例如翼片300。较长翼型的后缘限定一系列翼片到翼片的喉部305。因此，在图4的例子中，可变喷嘴涡轮组件包括每个翼片的一个翼片内喉部和每个翼片的一个翼片间喉部(例如，限定在相邻翼片之间)。所述部分400相对于圆柱坐标系(r，Θ，z)示出，其中，z轴与涡轮叶轮的旋转轴线(Zwheel)对准。每个翼片300设置在翼片半径rv处，且翼片之间以角度ΔΘ分开。在调节翼片时，每个翼片300的后缘半径rTE改变。因此，每个翼片能相对于笛卡尔坐标系(x，y，z)来描述，并且可变喷嘴涡轮组件中的翼片能进一步相对于圆柱坐标系(r，Θ，z)来描述。
如下所述，可变喷嘴涡轮组件可包括多个翼片，所述翼片限定翼片间喉部，其中，每个翼片包括：第一翼型，其包括前缘和后缘之间的长度；第二翼型，其包括前缘和后缘之间的长度(例如，其中，第一翼型的长度任选地不同于第二翼型的长度)；和至少部分地由第一翼型和第二翼型限定的一个或多个翼片内喉部。在这样的组件中，第二翼型的长度可以超过第一翼型的长度，因此，第二翼型的后缘可以至少部分地限定翼片间喉部。在这样的组件中，多个翼片的可枢转调节改变翼片间喉部的形状。如图4中所示的例子，每个翼片包括一个设置在环形圆环中的轴。
如本文所述，其中多翼型翼片提高了流动动力学特性，涡轮叶轮可以具有不同于传统涡轮叶轮的特性(例如，考虑被设计成承受冲击的传统叶轮)。例如，涡轮叶轮可以具有较薄的叶片，这能提高效率。在一个例子中，组件所包括的涡轮叶轮具有比传统涡轮叶轮更小的叶片厚度，其中，该较薄的叶片由于多翼型翼片的改进的冲击/尾流而是可接受的。如所述的，较薄叶片允许涡轮叶轮比传统的可变喷嘴涡轮叶轮更加高效(例如，考虑图2中具有比传统叶轮更小的厚度的叶片206)。
图5以一系列平面图示出了具有多翼型的翼片500的例子(即，在笛卡尔坐标x，y，z系统中的投影)。翼片500包括从底端531延伸到毂端539的柱体530，该柱体530具有下部534和上部538。在xy投影中，示出了翼型501和503的以下特征：前缘511和515、后缘513和517、毂端表面524和柱体端部539。在xy投影中，由两个翼型501和503限定的翼片内喉部宽度(TW)可被限定为y相对于x的函数(例如，TW＝f(x))；值得注意的是，在各种例子中，内翼型表面514和516中的一个或两个可以关于z变化(例如，TW＝f(x，z))。在另外两个投影中，示出了翼型表面514、516和518。在yz投影中，翼片内喉部出口显示为基本上具有纵横比约为4∶1的矩形形状(即，沿z轴比沿y轴更长)。翼片内喉部的进口限定在前缘511和515之间，且具有纵横比约为1∶1.5(即，沿y轴比沿z轴更长)。因此，喉部沿着其y尺寸从前缘511和515向后缘513变窄。
yz投影也分别显示柱体下部534的边缘535和柱体上部538。翼型501和503相对于柱体部分534和538的位置允许实质上不妨碍沿翼型503的面向外的表面518。在xy投影中，在前缘515附近的顶点和后缘517之间的连线示出了翼型表面518的凹性；值得注意的是，翼型501的面向外的翼型表面也是凹的。此外，在xy投影中，面向内的翼型表面514和516两者都具有凸性。如本文所述，在zy投影中，翼型可以具有凸性、凹性或两者的结合(例如，以形成翼片内喉部的出口、翼片内喉部的入口或它们之间的点)。
在图5的例子中，翼片500包括：第一翼型501，其包括前缘511和后缘513之间的长度；第二翼型，其包括前缘515和后缘517之间的长度(例如，其中，第一翼型的长度可以不同于第二翼型的长度)；和至少部分地由第一翼型501和第二翼型503限定的翼片内喉部。如图5所示，翼片500包括具有柱体轴线的柱体。如本文所述，翼型中的一个可以从柱体轴线偏移，同时另一个翼型可以任选地以柱体轴线为中心。
图6示出了具有多翼型601和603的翼片600的例子。在图6的例子中，翼片600具有柱体630，柱体630具有位于底端631和毂端639之间的下部634和上部638。翼片600进一步包括下圆柱板623和上圆柱板625。翼型601和603可以被选择且固定于板623和625。因此，一般的柱体和支撑件可以用以与多种不同的翼型一起使用。替代性地，翼片可以被铸造为单件。在图6的例子中，翼型601具有位于前缘611和后缘613之间的翼型表面612和614，并且翼型603具有位于前缘615和后缘617之间的翼型表面616和618。
在图6的例子中，翼片600包括：第一翼型601，其包括前缘611和后缘613之间的长度；第二翼型603，其包括前缘615和后缘617之间的长度(例如，其中，第一翼型的长度可以不同于第二翼型的长度)；和至少部分地由第一翼型601和第二翼型603限定的翼片内喉部。
图7示出了具有多翼型701和703的翼片700的例子。在图7的例子中，翼片700具有柱体730，所述柱体730具有位于底端731和毂端739之间的下部734和上部738。翼片700具有部分地由下板722和上板724形成的“盒子”形状。翼片700可以被铸造为单件或者以其他方式形成或组装。在图7的例子中，翼型701具有位于前缘711和后缘713之间的翼型表面712和714，并且翼型703具有位于前缘715和后缘717之间的翼型表面716和718。下板722和上板724的面向内的表面可以任选地成形以提高性能。
在图7的例子中，翼片700包括：第一翼型701，其包括前缘711和后缘713之间的长度；第二翼型703，其包括前缘715和后缘717之间的长度(例如，其中，第一翼型的长度可以不同于第二翼型的长度)；和至少部分地由第一翼型701和第二翼型703限定的翼片内喉部。
图8示出了具有多翼型801和803的翼片800的例子。在图8的例子中，翼片800具有柱体830，该柱体830具有位于底端831和毂端839之间的下部834和上部838。翼片800具有在两个翼型801和803之间延伸的连接部826。翼片800可以被铸造为单件或者以其它方式成形或组装。在图8的例子中，翼型801具有位于前缘811和后缘813之间的翼型表面812和814，并且翼型803具有位于前缘815和后缘817之间的翼型表面816和818。连接部826的表面可以任选地成形以提高性能。
翼片800具有两个翼片内喉部，即毂侧喉部和底侧喉部。虽然所述翼片内喉部基本上显示为相互的镜像，但是具有两个翼型和连接部的翼片可以具有不同的喉部。例如，下喉部可以被成形为提高向涡轮叶轮的下进口导流器部分的流动，而上喉部可以被成形为提高向涡轮叶轮的上进口导流器部分的流动。此外，虽然图8的例子示出了连接部826基本上是平坦的且位于沿着翼片800长度的恒定的z位置处，但是这种连接部可以任选地不同地成形(例如，以提供某些特性)。
在图8中的所述例子中，翼片800包括：第一翼型801，其包括前缘811和后缘813之间的长度；第二翼型803，其包括前缘815和后缘817之间的长度(例如，其中，第一翼型的长度可以不同于第二翼型的长度)；和至少部分地由第一翼型801和第二翼型803限定的多个翼片内喉部。
如本文所述，多翼型翼片的一个或多个翼型可以包括非零掠角、非零倾角、非零扭角或任何其组合(例如，以提供翼型沿z轴的3D变化)。如本文所述，多翼型翼片的一个或多个翼型可以包括3D变化(例如，长度、宽度等)。如本文所述，多翼型翼片的一个或多个翼型可以包括沿着弧面线的多个腹点(anti-node)(例如，考虑具有沿弧面线的三个腹点的翼型)。
如本文所述，一种方法可包括：提供多个多翼型翼片，其中，每个翼片包括至少一个翼片内喉部，并且其中，相邻翼片间限定翼片间喉部；以及可枢转地调节多个翼片以仅仅改变所述翼片间喉部的形状。在这种方法中，通过可枢转地调节多个翼片而关闭翼片间喉部可以有效地关闭翼片内喉部。这样的方法可以进一步包括提供具有改进效率的涡轮叶轮，为了与多翼型翼片相关联的流动动力学特性而构造的涡轮叶轮叶片导致所述改进的效率(例如，其中翼片改进了流动的冲击/尾流特性并且允许叶片具有较小的质量、厚度等)。
虽然方法、设备、系统、布置等的一些例子已经在附图中示出并且在前面的详细说明中得以描述，但将会明白的是，所公开的示例性实施例不是限制性的，而是在不偏离由所附权利要求阐明和限定的精神的情况下，能够具有众多重新布置、修正和替代。

Claims (20)

1.一种用于涡轮增压器的涡轮组件的翼片，所述翼片包括：
第一翼型，其包括前缘和后缘之间的长度；
第二翼型，其包括前缘和后缘之间的长度；和
一个或多个翼片内喉部，其至少部分地由所述第一翼型和所述第二翼型限定。
2.根据权利要求1所述的翼片，其中，所述翼片包括单个翼片内喉部。
3.根据权利要求1所述的翼片，其中，所述翼片包括两个翼片内喉部。
4.根据权利要求3所述的翼片，进一步包括连接部，所述连接部连接所述第一翼型和所述第二翼型并且使所述两个翼片内喉部分开。
5.根据权利要求1所述的翼片，进一步包括柱体。
6.根据权利要求5所述的翼片，其中，所述柱体包括柱体轴线，并且其中，所述翼型中的一个包括从所述柱体轴线的偏移。
7.根据权利要求6所述的翼片，其中，另一个翼型以所述柱体轴线为中心。
8.根据权利要求1所述的翼片，其中，所述第一翼型的长度不同于所述第二翼型的长度。
9.根据权利要求1所述的翼片，其中，所述翼型包括凸的内翼型表面。
10.根据权利要求9所述的翼片，其中，所述凸的内翼型表面至少部分地限定所述一个或多个喉部。
11.根据权利要求1所述的翼片，其中，所述翼型包括凹的外翼型表面。
12.一种可变喷嘴涡轮组件，包括：
限定翼片间喉部的多个翼片，其中，每个翼片包括：
第一翼型，其包括前缘和后缘之间的长度；
第二翼型，其包括前缘和后缘之间的长度；和
一个或多个翼片内喉部，其至少部分地由所述第一翼型和所述第二翼型限定。
13.根据权利要求12所述的可变喷嘴涡轮组件，其中，所述第二翼型的长度超过所述第一翼型的长度，并且其中，所述第二翼型的后缘至少部分地限定所述翼片间喉部。
14.根据权利要求12所述的可变喷嘴涡轮组件，其中，所述多个翼片的可枢转调节改变所述翼片间喉部的形状。
15.根据权利要求12所述的可变喷嘴涡轮组件，其中，每个翼片包括轴，并进一步包括环形圆环，所述环形圆环包括构造成接收所述轴的开口。
16.根据权利要求12所述的可变喷嘴涡轮组件，进一步包括涡轮叶轮，所述涡轮叶轮构造有与所述多个翼片的流动动力学特性相匹配的多个叶片。
17.一种方法，包括：
提供多个多翼型翼片，其中，每个翼片包括至少一个翼片内喉部，并且其中，相邻翼片限定翼片间喉部；和
可枢转地调节所述多个翼片以仅仅改变所述翼片间喉部的形状。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括通过可枢转地调节所述多个翼片而关闭所述翼片间喉部，其中，所述关闭有效地关闭所述翼片内喉部。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述可枢转地调节包括旋转所述翼片的每一个的柱体。
20.根据权利要求17所述的方法，进一步包括提供具有改进效率的涡轮叶轮，为了与所述多翼型翼片相关联的流动动力学特性而构造的叶片导致所述改进的效率。
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