CN104251142B - 可变几何形状喷嘴及相关联的操作方法 - Google Patents

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Abstract

本方法包括移动第一支承件和第二支承件中的至少一个以改变多个主叶片和串联叶片关于彼此的位置，以控制横跨涡轮的一个或更多个流动控制特性。涡轮包括具有多个主叶片和串联叶片的喷嘴。多个主叶片联接于第一支承件，并且多个串联叶片联接于配置成与第一支承件间隔开的第二支承件。

Description

可变几何形状喷嘴及相关联的操作方法
技术领域
本发明大体上涉及喷嘴，并且更特别地涉及例如用于涡轮增压器中的涡轮的可变几何形状喷嘴。
背景技术
固定几何形状涡轮增压器通常设计用于内燃机的特定操作状态。因此，此类涡轮增压器可横跨宽范围的发动机操作点处于非设计状态。固定几何形状涡轮增压器的性能可在部分负载操作期间降低，并且因此可引入与满足排放和性能的空气处理要求相关联的挑战。可变几何形状涡轮增压器可用于解决与固定几何形状涡轮增压器相关联的问题。部分负载状态的最佳涡轮要求可非常不同于满负载下的最佳要求。可变几何形状涡轮增压器(VGT)通过允许涡轮喷嘴的有效尺寸从部分负载到满负载操作状态变化来解决此类限制。
有效涡轮尺寸主要由涡轮喷嘴喉部面积确定。可变喷嘴涡轮改变有效的喷嘴喉部面积和转角，以便实现涡轮操作特性的变化。喷嘴喉部面积取决于发动机负载变化。可变喷嘴涡轮在满负载和部分负载状态两者期间提供瞬变响应益处和比燃料消耗益处。可变喷嘴涡轮还允许对于不同操作状态定制空气处理系统。
常规可变几何形状涡轮增压器实施为具有可旋转/滑动喷嘴引导导叶。在一个常规实施中，各个喷嘴翼型件为围绕其自身轴线旋转的单独的件。各个喷嘴翼型件需要套管/轴承/密封件，并且需要机械上复杂的促动机构。大数量的构件、密封件和移动部分使常规VGT系统从成本和可靠性观点看是无吸引力的。
发明内容
根据一个示例性实施例，公开了一种方法。该方法包括移动第一支承件和第二支承件中的至少一个以改变多个主叶片和串联叶片关于彼此的位置，以控制横跨涡轮的一个或更多个流动特性。涡轮包括具有多个主叶片和串联叶片的喷嘴。多个主叶片联接于第一支承件，并且多个串联叶片联接于配置成与第一支承件间隔开的第二支承件。
根据另一个示例性实施例，公开了一种喷嘴。喷嘴包括联接于第一支承件的多个主叶片，以及联接于配置成与第一支承件间隔开的第二支承件的多个串联叶片。第一支承件和第二支承件中的至少一个能够移动以改变多个主叶片和串联叶片关于彼此的位置。
根据又一个示例性实施例，公开了一种系统。系统包括具有喷嘴的机器。喷嘴包括联接于第一支承件的多个主叶片，以及联接于配置成与第一支承件间隔开的第二支承件的多个串联叶片。第一支承件和第二支承件中的至少一个能够移动以改变多个主叶片和串联叶片关于彼此的位置。
一种方法，包括：移动第一支承件和第二支承件中的至少一个以改变多个主叶片和串联叶片关于彼此的位置，以控制横跨涡轮的一个或更多个流动控制特性，其中涡轮包括具有多个主叶片和串联叶片的喷嘴；其中多个主叶片联接于第一支承件，并且多个串联叶片联接于配置成与第一支承件间隔开的第二支承件。
优选地，该方法还包括使第一支承件和第二支承件中的至少一个关于彼此沿周向方向移动。
优选地，该方法还包括使第一支承件和第二支承件中的至少一个关于彼此沿轴向方向移动。
优选地，该方法还包括改变多个主叶片和串联叶片关于彼此的位置以改变喷嘴的有效复合喉部面积。
优选地，该方法还包括取决于联接于涡轮的发动机的负载来改变多个主叶片和串联叶片关于彼此的位置。
优选地，流动特性包括横跨涡轮的质量流、功率和压力比。
一种喷嘴，包括：联接于第一支承件的多个主叶片；以及联接于配置成与第一支承件间隔开的第二支承件的多个串联叶片，其中第一支承件和第二支承件中的至少一个能够移动以改变多个主叶片和串联叶片关于彼此的位置。
优选地，喷嘴还包括联接于第一支承件的促动器连杆。
优选地，喷嘴还包括联接于第二支承件的促动器连杆。
优选地，第一支承件和第二支承件中的至少一个能够沿周向方向关于彼此移动。
优选地，第一支承件和第二支承件中的至少一个能够沿轴向方向关于彼此移动。
优选地，多个主叶片的一部分配置成与多个串联叶片的一部分重叠。
优选地，多个主叶片和串联叶片关于彼此的位置能够变化以改变喷嘴的有效复合喉部面积。
一种系统，包括：具有喷嘴的机器，喷嘴包括：联接于第一支承件的多个主叶片；以及联接于配置成与第一支承件间隔开的第二支承件的多个串联叶片，其中第一支承件和第二支承件中的至少一个能够移动以改变多个主叶片和串联叶片关于彼此的位置。
优选地，喷嘴还包括联接于第一支承件的促动器连杆。
优选地，喷嘴还包括联接于第二支承件的促动器连杆。
优选地，第一支承件和第二支承件中的至少一个能够沿周向方向关于彼此移动。
优选地，第一支承件和第二支承件中的至少一个能够沿轴向方向关于彼此移动。
优选地，多个主叶片的一部分配置成与多个串联叶片的一部分重叠。
优选地，多个主叶片和串联叶片关于彼此的位置能够变化以改变喷嘴的有效复合喉部面积。
优选地，机器包括：发动机，联接于发动机的涡轮增压器；其中涡轮增压器包括联接于涡轮的压缩机；其中涡轮包括喷嘴。
优选地，涡轮增压器为高压涡轮增压器。
优选地，涡轮增压器为低压涡轮增压器。
附图说明
当参照附图来阅读如下详细描述时，本发明的这些及其它的特征、方面和优点将变得更好理解，在该附图中，相似标记遍及附图表示相似的部件，其中：
图1为根据本发明的示例性实施例的涡轮增压发动机系统的示意图；
图2为根据本发明的另一个示例性实施例的涡轮增压发动机系统的示意图；
图3为根据本发明的另一个示例性实施例的涡轮增压发动机系统的示意图；
图4a为根据图2的实施例的位于涡轮内的可变几何形状喷嘴的正视透视图；
图4b为根据本发明的实施例的位于涡轮内的可变几何形状喷嘴的后视透视图；
图5为根据另一个示例性实施例的可变几何形状喷嘴的正视透视图；
图6a为根据本发明的实施例的可变几何形状喷嘴的多个主叶片和串联叶片的区段的立面图；以及
图6b为根据本发明的实施例的可变几何形状喷嘴的多个主叶片和串联叶片的区段的立面图。
具体实施方式
根据本发明的某些实施例，公开了用于机器的可变几何形状喷嘴。可变几何形状喷嘴包括联接于第一支承件的多个主叶片，以及联接于配置成与第一支承件间隔开的第二支承件的多个串联叶片。第一支承件和第二支承件中的至少一个能够移动以改变多个主叶片和串联叶片关于彼此的位置。此类构造相比于常规系统减少了部件的数量，并且降低了与系统相关联的可靠性风险和成本。在一个实施例中，第一支承件和第二支承件中的各个具有相同半径，并且通过相对轴向间隙与彼此分开。根据本发明的特定实施例，公开了具有示例性可变几何形状喷嘴的发动机。根据另一个实施例，公开了用于促动示例性可变几何形状喷嘴的方法。
参照图1，示出了根据本发明的某些实施例的发动机系统11的示意图。在所示的实施例中，系统10包括涡轮增压器13和内燃机15。涡轮增压器13包括经由涡轮增压器轴21联接于涡轮19的压缩机17。本文应当注意的是，发动机系统10的构造为示例性实施例，并且不应当看作是本发明的限制。
压缩机17操作成压缩空气，并且将压缩空气经由后冷却器25给送至发动机15的多个缸23。压缩空气流过后冷却器34，使得在输送到多个缸23中之前，空气的温度降低。
涡轮19使来自发动机15的排出气体膨胀，用于从排出气体提取能量用于使联接于压缩机17的涡轮增压器轴21旋转。来自涡轮19的膨胀气体通过排气器喷出。在所示的实施例中，排出气体的至少一部分可再循环到发动机15的缸23中。
在所示的实施例中，涡轮增压器13的涡轮19包括可变几何形状喷嘴27，用于选择性地控制燃烧气体从发动机15穿过涡轮19的流。本文应当注意的是，尽管本文参照涡轮讨论了示例性可变几何形状喷嘴27，但可变几何形状喷嘴27还可适用于需要气态介质流的控制的其它构件。
尽管本文公开了内燃机15，但可变几何形状喷嘴27还适用于其它类型的机器。在另一个特定实施例中，示例性可变几何形状喷嘴27还可适用于燃气涡轮。其它应用可包括但不限于径流机器、轴流机器等。发动机应用可包括但不限于车辆发动机、静止发动机等。
参照图2，示出了根据本发明的某些实施例的发动机系统10的示意图。在所示的实施例中，系统10包括低压涡轮增压器12、高压涡轮增压器14和内燃机16。低压涡轮增压器12包括经由涡轮增压器轴22联接于涡轮20的低压压缩机18。高压涡轮增压器14包括经由涡轮增压器轴28联接于涡轮26的高压压缩机24。本文应当注意的是，发动机系统10的构造为示例性实施例，并且不应当看作是本发明的限制。
低压压缩机18操作成将压缩空气经由级间冷却器30供应至高压压缩机24。空气的温度由于低压压缩机18中的压缩而升高。压缩空气流过级间冷却器30，使得在输送到高压压缩机24中之前空气温度降低。高压压缩机24操作成进一步压缩空气并且经由后冷却器34将压缩空气给送至发动机16的多个缸32。压缩空气流过后冷却器34，使得在输送到多个缸32中之前，空气的温度降低。
涡轮26使来自发动机16的排出气体膨胀，用于从排出气体提取能量用于使联接于高压压缩机24的涡轮增压器轴28旋转。来自涡轮26的膨胀气体在通过排气器喷出之前在涡轮20中进一步膨胀。涡轮20使排出气体膨胀用于从排出气体提取能量用于使联接于低压压缩机18的涡轮增压器轴22旋转。在某些实施例中，排出气体的至少一部分可再循环到发动机16的缸32中。
在所示的实施例中，高压涡轮增压器14的涡轮26包括可变几何形状喷嘴40，用于选择性地控制燃烧气体从发动机16穿过涡轮26的流。在一些其它实施例中，可变几何形状喷嘴40例如可配置在低压涡轮增压器12内。本文应当注意的是，尽管本文参照涡轮讨论了示例性可变几何形状喷嘴40，但可变几何形状喷嘴40还可适用于需要气态介质流的控制的其它构件。
参照图3，示出了根据本发明的某些实施例的发动机系统10的示意图。所示的发动机系统10类似于图2的实施例，除了低压涡轮增压器12的涡轮20包括可变几何形状喷嘴40用于选择性地控制燃烧气体从涡轮26穿过涡轮20的流。具体而言，可变几何形状喷嘴40用于控制横跨涡轮的一个或更多个流动控制特性，诸如功率、压力比、质量流。
参照图4a，例如，示出了位于涡轮26(图2中所示)内的可变几何形状喷嘴40的正视透视图。如先前讨论的，可变几何形状喷嘴40用于选择性地控制燃烧气体从发动机穿过涡轮的流。喷嘴40包括间隔开且联接于第一支承件44(例如，外径导叶环)的多个主叶片42，以及间隔开且联接于第二支承件46(例如，内径导叶环)的多个串联叶片(图4a中未示出)。第一支承件44和第二支承件46可围绕发动机轴线限定，使得第一支承件44和第二支承件46中的各个具有相同半径，并且通过相对轴向间隙39与彼此分开。在另一个实施例中，第一支承件44和第二支承件46沿径向分开。在特定实施例中，第二支承件46关于第一支承件44沿径向向内配置。
多个主叶片42和串联叶片形成刚性结构组件，其在操作期间容纳热负载和空气动力负载。在所示的实施例中，可变几何形状喷嘴40构成涡轮中的叶片(导叶)的一级。在公开的实施例中，各个串联叶片与各个主叶片42交错。然而，应当理解，任何数量的串联叶片可与多个主叶片42交替。换言之，在其它非限制性实施例中，两个或更多个串联叶片可在各个主叶片42之间交替。
在所示实施例中，多个促动器连杆47联接于第二支承件46。联接于一个或更多个促动器(图4a中未示出)的多个促动器连杆47用于移动第二支承件46。在一个实施例中，第一支承件44是静止的。在所示的实施例中，第一支承件44包括外区段41和内区段43。具体而言，多个主叶片42配置在外区段41与内区段43之间。在某些实施例中，第二支承件46能够关于第一支承件44沿轴向方向50移动。在某些实施例中，第二支承件46能够关于第一支承件44沿周向方向52移动。在一个实施例中，促动器连杆47可包括协同环、促动器臂和心轴。还构想出其它类型的促动器。
参照图4b，示出了位于涡轮内的可变几何形状喷嘴40的后视透视图。所示的实施例具有间隔开且联接于第一支承件44的多个主叶片(图4b中未示出)和间隔开且联接于第二支承件46的多个串联叶片54。多个促动器连杆47联接于第二支承件46。联接于一个或更多个促动器(图4b中未示出)的促动器连杆47用于使第二支承件46关于第一支承件44沿轴向方向50和/或周向方向52移动。在一个实施例中，第一支承件44是静止的。在一些其它实施例中，第一支承件44和第二支承件46两者可移动。
在所示的实施例中，第二支承件46包括外区段45和内区段49。具体而言，多个串联叶片54配置在外区段45与内区段49之间。在所示实施例中，多个促动器连杆47联接于外区段45。
多个主叶片和串联叶片54关于彼此的位置取决于发动机负载变化。在某些实施例中，主叶片在满负载状态下关于串联叶片54的位置不同于主叶片在部分负载状态下关于串联叶片54的位置。
示例性可变几何形状喷嘴40允许改变主叶片和串联叶片54关于彼此的定位的自由度。主叶片和串联叶片54的位置变化性可用于改变喷嘴40的有效复合喉部面积，并且由此改变横跨涡轮的压力比。本文应当注意的是，有效复合喉部面积称为组合的主叶片和串联叶片喷嘴构造的最小流动面积。横跨涡轮的压力比的变化允许发动机的更灵活操作。换言之，改变主叶片和串联叶片54关于彼此的位置便于针对满负载和部分负载操作状态改变发动机。
参照图5，示出了根据另一个示例性实施例的可变几何形状喷嘴51的正视透视图。喷嘴51包括间隔开且联接于第一支承件57的多个主叶片53，以及间隔开且联接于第二支承件59的多个串联叶片(图5中未示出)。第一支承件57和第二支承件59可围绕发动机轴线限定，使得第一支承件57和第二支承件59中的各个具有相同半径，并且通过相对轴向间隙60与彼此分开。在另一个实施例中，第一支承件57和第二支承件59沿径向分开。在特定实施例中，第二支承件59关于第一支承件57沿径向向内配置。
在所示实施例中，多个促动器连杆62联接于第一支承件57。联接于一个或更多个促动器(图5中未示出)的多个促动器连杆62用于移动第一支承件57。在一个实施例中，第二支承件59是静止的。在所示的实施例中，第一支承件57包括外区段64和内区段66。具体而言，多个主叶片53配置在外区段64与内区段66之间。在某些实施例中，第一支承件57能够关于第二支承件59沿轴向方向68移动。在某些其它实施例中，第一支承件57能够关于第二支承件59沿周向方向70移动。
参照图6a和图6b，示出了根据本发明的实施例的可变几何形状喷嘴40的区段的立面图。图6a示出了喷嘴40的一个位置，并且图6b示出了喷嘴40的另一个位置。喷嘴40包括联接于第一支承件44的多个主叶片42，以及联接于第二支承件46的多个串联叶片54。在所示的实施例中，多个主叶片42的至少一部分配置成与多个串联叶片54的至少一部分重叠。
在一个实施例中，促动器使第一支承件44移动以便改变多个主叶片42关于多个串联叶片54的位置，以选择性地改变喷嘴40的有效复合喉部面积55。如果第一支承件44关于第二支承件46沿轴向方向50位移，则主叶片42的位置关于串联叶片54沿轴向方向50相应地调整。类似地，如果第一支承件44关于第二支承件46沿周向方向52移动，则主叶片42的位置关于串联叶片54沿周向方向52相应地调整。
在另一个实施例中，促动器经由促动器连杆使第二支承件46移动以便改变多个串联叶片54关于多个主叶片42的位置，以选择性地改变喷嘴40的有效复合喉部面积55。如果第二支承件46关于第一支承件44沿轴向方向50移动，则串联叶片54的位置关于主叶片42沿轴向方向50相应地调整。类似地，如果第二支承件46关于第一支承件44沿周向方向52移动，则串联叶片54的位置关于主叶片42沿周向方向52相应地调整。在特定实施例中，沿周向方向52的叶片42,54的最大移动为大约10度。
例如，可变几何形状涡轮典型地在涡轮增压发动机中使用以解决在发动机的部分负载操作期间的功率要求。可变几何形状涡轮的使用避免了需要使用废物门，并且通过降低泵送损失而改进了发动机效率。然而，可变几何形状涡轮具有与易于故障的大数量的移动构件相关联的问题。根据本发明的实施例，示例性可变几何形状喷嘴改变涡轮的喷嘴喉部面积，并且还改变喷嘴转角以改变由涡轮生成的功率。示例性可变几何形状喷嘴40具有最小移动部分，并且由此减小了复杂性，因为主叶片42联接于一个支承件，而串联叶片54联接于另一个支承件。仅对应的支承件被促动以改变主叶片42和/或串联叶片54的位置。
尽管本文已经示出和描述了本发明的仅某些特征，但本领域技术人员将想到许多改型和变化。因此，将理解的是，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的真正精神内的所有此类改型和变化。

Claims (13)

1.一种用于涡轮的方法，包括：
将第一促动器连杆联接到第一支承件，其中多个主叶片联接于所述第一支承件；
将第二促动器连杆联接到与所述第一支承件间隔开的第二支承件，并且多个串联叶片联接于所述第二支承件；
经由所述第一促动器连杆和第二促动器连杆促动第一支承件和第二支承件沿轴向方向相对于彼此移动，以控制横跨涡轮的一个或更多个流动控制特性，其中所述多个主叶片的一部分与所述多个串联叶片的一部分重叠，其中所述涡轮包括具有所述多个主叶片和多个串联叶片的喷嘴。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括促动所述第一支承件和所述第二支承件相对于彼此沿周向方向移动。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中促动所述第一支承件和第二支承件沿轴向方向相对于彼此移动而改变所述喷嘴的有效复合喉部面积。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括取决于联接于所述涡轮的发动机的负载来改变所述多个主叶片和所述多个串联叶片相对于彼此的移动。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流动控制特性包括横跨所述涡轮的质量流、功率和压力比。
6.一种喷嘴，包括：
联接于第一支承件的多个主叶片；
联接于配置成与所述第一支承件间隔开的第二支承件的多个串联叶片，
联接于所述第一支承件的第一促动器连杆；以及
联接于所述第二支承件的第二促动器连杆，
其中所述第一支承件和所述第二支承件经由第一促动器连杆和第二促动器连杆促动而沿轴向方向相对于彼此移动，其中所述多个主叶片的一部分配置成与所述多个串联叶片的一部分重叠。
7.根据权利要求6所述的喷嘴，其特征在于，所述第一支承件和所述第二支承件沿周向方向相对于彼此移动。
8.根据权利要求6所述的喷嘴，其特征在于，所述多个主叶片和所述多个串联叶片沿轴向方向相对于彼此移动能够改变所述喷嘴的有效复合喉部面积。
9.一种发动机系统，包括：
具有喷嘴的机器，所述喷嘴包括：
联接于第一支承件的多个主叶片；以及
联接于配置成与所述第一支承件间隔开的第二支承件的多个串联叶片，
联接于所述第一支承件的第一促动器连杆；
联接于所述第二支承件的第二促动器连杆，
其中所述第一支承件和所述第二支承件经由第一促动器连杆和第二促动器连杆沿轴向方向相对于彼此移动，其中所述多个主叶片的一部分配置成与所述多个串联叶片的一部分重叠；
其中所述机器包括：
发动机，
联接于所述发动机的涡轮增压器；其中所述涡轮增压器包括联接于涡轮的压缩机；其中所述涡轮包括所述喷嘴。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述第一支承件和所述第二支承件沿周向方向相对于彼此移动。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述多个主叶片和所述多个串联叶片沿轴向方向相对于彼此移动能够改变所述喷嘴的有效复合喉部面积。
12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述涡轮增压器为高压涡轮增压器。
13.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述涡轮增压器为低压涡轮增压器。
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