CN1288333C - 涡轮与涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

一种涡轮，包括一具有径向叶片的涡轮叶轮(11)，该叶轮(11)被支撑于一壳体(1)中，并绕轴(12)旋转。一由第一和第二相面对的环形壁面(5，6)形成的进气通道(4)朝涡轮叶轮径向地向内延伸。一排环状配置的叶片(10)的叶片延伸穿过进气通道(4)。每一叶片(10)有一与涡轮叶轮叶片相邻的后缘，其中所述每一叶片(10)的后缘(10a)在其介于其端部之间的至少部分长度方向上偏离一直线。

Description

涡轮与涡轮增压器

                    技术领域

本发明涉及一种涡轮，特别是一种适用于内燃机的涡轮增压器中的涡轮。

                    背景技术

现有技术中的涡轮增压器，其涡轮级包括一涡轮室，及一安装在该涡轮室中的涡轮，一位于涡轮室周围的的环形进气通道，一位于该环形进气通道周围的进气口，和一从涡轮室延伸的排气通道。通道与腔室间的气体交换为进入到进气腔中的具有一定压力的废气通过进气通道经涡轮室流向排气通道。一具有沿径向方向延伸叶片的涡轮叶轮安装在涡轮室内，由气体推动进行旋转。

众所周知，可以通过位于进气通道内的叶片例如喷嘴叶片调节涡轮性能，这样使流经进气通道的气流沿涡轮叶轮旋转的方向发生偏转。

涡轮可以为一固定几何形状涡轮或可变几何形状涡轮中的一种。可变几何形状涡轮与固定几何形状涡轮的区别就在于，其进气通道的尺寸变化使在一定范围的流量情况下，能对通道内气体的速率进行优化，从而能够改变涡轮的输出功率以适应变化的发动机需求。这种可变几何形状涡轮最常见的结构为，它的每个叶片以延伸穿过进气通道的自身轴线为转轴(通常为在沿叶片长度一半的某一点上)，叶片的驱动机构可连接在每个叶片上，并且是可移动地，这种方式使得每个叶片都能协调地绕自身轴线旋转，使每个叶片的后缘(也就是最接近涡轮叶轮的边缘)向前或远离邻近的叶片，从而改变用于气体进入的断面的面积和涡轮叶轮的气流角。这种结构通常称作摆动叶片可变几何形状涡轮。

可变几何形状涡轮的另一种常见结构为，进气通道的其中一个壁为一可移动的壁元件，通常为一喷嘴环，它相对于进气通道的一相对壁面的位置是可调的，从而控制进气通道的宽度。例如，当流经涡轮的气流量减小时，进气通道的宽度也会减小，从而维持气流的速度和优化涡轮的输出功率。在某些情况下，喷嘴叶片被固定在适当的位置，但延伸穿过位于一可移动喷嘴环内的狭槽，而其它的叶片从一可移动喷嘴环延伸到位于进气通道的相对壁面上的狭槽内。

带有可移动喷嘴环的可变几何形状涡轮中，现有技术是有一“过度打开”的喷嘴环，通过将其缩回超过进气通道名义上的整个宽度，使叶片至少部分地从进气通道中缩回，从而提高进气通道的最大过流面积和气流量。在对该系统的改进中，现有技术是在远离喷嘴环，喷嘴叶片的末端处切除一部分叶片。这样便缩短了喷嘴环后缘的长度和喷嘴叶片在宽度部分上的高度(叶片的高度是指它从喷嘴环延伸的距离)。这样，每个叶片的尾部有一宽度减小的区域，当喷嘴环处于过度打开状态时，该区域位于进气通道内，从而增大了进气通道的过流面积。

无论哪种形式的涡轮，其喷嘴叶片一般都是静止的，即它们不能同涡轮叶轮一起旋转。由于旋转的叶轮叶片与一由喷嘴环产生的静止压力区之间的相互作用，带来一公知问题。即在某些转速下，这种相互作用的周期性与在一种或多种振动模式下的叶片的振动频率一致，在叶片中产生振动。这种涡轮叶片上的振动应变使叶片受到很大的损坏。

                    发明内容

本发明的发明目的就在于消除或减轻以上问题。

本发明就在于提供一种包括一涡轮叶轮的涡轮，该具有径向叶片的涡轮叶轮绕一轴旋转，支承于一壳体中，一环形的进气通道朝涡轮叶轮沿径向相里的方向延伸，该进气通道介于第一和第二相对环形壁面之间，一呈环状排列的叶片列延伸穿过进气通道，每个叶片的后缘都与涡轮叶片相邻，所述每一叶片的后缘在其介于其端部之间的至少部分长度方向上偏离一直线。

该偏离可以是一位于后缘的非连续部的形式或者是在后缘上的一段曲线，它干扰由叶片产生的压力区，特别是减小由于振动给涡轮叶片带来的损坏。

从下面的描述中可以看出本发明的最佳特性。

                    附图说明

以下结合附图，将对本发明较佳的实施例进行详细描述。

图1a，1b，1c为一种已知的可变几何形状涡轮的示意性的剖面图。

图2a，2b，2c为本发明对如图1a-1c的涡轮改进后的实施例。

图3为本发明对另外一种已知的可变几何形状涡轮的部分结构进行改进后的实施例的剖面图。

图4为本发明对固定几何形状涡轮局部进行改进后的实施例的剖面图。

                具体实施方式

如图1所示，一种已知的可变几何形状涡轮的示意性的局部剖面图，包括一由一蜗壳或进气腔2形成的涡轮壳体1，来自内燃机(未示出)的气体被输送到涡壳或进气腔2中。气体经一环形进气通道4从进气腔2流向一轴向排气通道3，所述环形进气通道4的其中一壁面为喷嘴环5的径向表面所形成，另一壁面为一环状挡板6所形成，该环状挡板6覆盖位于壳体1的反向壁面上的环状凹槽7的开口。喷嘴环5可滑动地安装在位于涡轮壳体1内的环形空腔8中，由密封环9实现其间的相对密封。喷嘴环5支承一喷嘴叶片10的周向列，该喷嘴叶片10从喷嘴环5的表面延伸，穿过进气通道4。每个喷嘴叶片10在其远离喷嘴环5的末端部分被切去，限定出一喷嘴叶片的后缘10a和一宽度减小的部分10b。虽然图中并未示出，但在喷嘴叶片的剖面图中通常会有一朝后缘部10a逐渐变细的翼面轮廓。

在工作过程中，从进气腔2流向排气通道3的气体经过一绕轴线12旋转的涡轮叶轮11时，将一转矩作用于驱动一压缩机叶轮(未示出)的涡轮增压器轴13上。涡轮叶轮11的转速随着通过环形进气通道4的气体速度而变化。具有一定角度的喷嘴叶片10使气流方向改变到沿涡轮转轮的旋转方向。在气流量为一定值的情况下，气体流速是进气通道4宽度的函数，该宽度可由控制喷嘴环5的轴向位置进行调整(也就是在如图所示箭头的方向上来回移动该喷嘴环)。该喷嘴环5的移动可由任何一种合适的驱动方式控制。例如，该喷嘴环5可以安装在轴向延伸的销子(未示出)上，该销子的位置由一连接到由空气操纵的驱动机构上(未示出)的镫形件(未示出)控制。由于该驱动系统可以采用很多现有的结构，所以这里不再对该驱动机构进行详细的描述。

如图1a，喷嘴环5处于关闭位置，此时进气通道4的宽度为最小值。当喷嘴环5在该位置时，喷嘴叶片10的端部与位于凹槽7内的壳体1相靠近，从而每一个喷嘴叶片上的宽度减小部分10b完全地收入到凹槽7中。

图1b和1c示出了喷嘴环5分别处于完全打开和过度打开的状态。如图1b所示，喷嘴环5部分缩回到空腔8中，这时喷嘴环5的表面与壳体的壁面齐平，进气通道4处于最大宽度。为了达到最高效率，当进气通道4完全打开时，如图1c所示，每个喷嘴叶片的后缘10a的整个长度都延伸穿过进气通道4。这样，当喷嘴环5处于此位置时，每个喷嘴叶片仅仅只有其中减小宽度的部分10b位于凹槽7内。

然而，这种特殊设计的可变几何形状涡轮的吞吐量会因喷嘴环5进一步的缩回到空腔8中而得到提高，这时每个喷嘴叶片的宽度减小部分10b至少部分地从凹槽7缩回，横置于进气通道4内。这减小了阻碍气流通过进气通道4的整个喷嘴叶片区域，使气流量增大。最大气流量的位置如图1c所示。

如在本发明的说明书的介绍中提到的，在叶片式涡轮增压器的设计中出现一现存问题是，当涡轮叶片11的顶端扫过喷嘴叶片10的后缘时，产生一压力波，该压力波与一由喷嘴叶片10产生的静止压力区相互作用，在涡轮叶片11间引起共振，导致应力损伤并且涡轮叶片损坏。

相应于图1a到图1c，图2a到图2c为本发明对涡轮叶片轮廓的改进。具体为，在每个喷嘴叶片后缘10a的直线轮廓内有一非连续结构，该结构以一凹槽14的形式位于后缘10a端部的中间。该凹槽14干扰并扩大了所述压力区域，这样，当涡轮叶片经过该涡区(wake)时，承受较缓和的压力波动，从而降低了对涡轮叶片的扰动。这种方式有效地降低了对涡轮叶片的应力损害。由于在进气通道宽度范围内任何形式的振动都可能存在(因为扰动依赖于数个参数，例如除了流道宽度外，还有气体流速、温度和气体压力)，凹槽14的定位应能影响尽可能更大的运行条件范围。这样，如图2a，2b所示，凹槽14位于在进气通道4的最大和最小宽度之间。如图2c所示，当喷嘴环处于过度打开的状态时，凹槽4缩回到位于壳体1内的空腔8中，但是在这种状态下，每个喷嘴叶片的切割部10b暴露于进气通道4中，这样也能对干扰所述压力区产生影响，减轻对涡轮叶片11的损伤。所述或每个凹槽设置在喷嘴叶片的具有直线轮廓的后缘中。所述直线轮廓基本上与由涡轮叶轮叶片顶部限定的直线相平行。

现在来看图3，该图示出了对另外一种传统的摆动叶片式涡轮的改进，该涡轮包括一绕轴线16旋转的涡轮叶轮15，该叶轮位于一壳体内，而该壳体在壳体壁18，19之间限定一环状进气通道17。如上所述的实施例，废气沿一径向向内的方向流入进气通道17内，驱动涡轮叶轮。安装在进气通道17内的呈环状排列的喷嘴叶片20的叶片列的每一个都各自有一一体轴21，该轴21穿过壁面18和19而伸出。一曲轴22位于轴21的一端，它通过一销子23与一驱动机构(未示出)相连，控制喷嘴叶片绕各自的轴21旋转。在这种可变几何形状涡轮中，通过每个喷嘴叶片20绕其各自轴21的转动使每个喷嘴叶片的后缘21a与其邻近喷嘴叶片的后缘更加靠近，使进气通道17变得狭窄，从而使进气通道17的面积发生变化。根据本发明，一非连续部位于每个叶片后缘21a的端部中间，用于干扰由叶轮15的旋转产生的压力区，从而减轻振动及给涡轮叶片带来的损害。与前述本发明的实施例相同，该非连续部在本实施例中被限定在后缘21a内的凹槽24。

图4为将本发明应用在一种常用的带有进口喷嘴叶片的固定几何形状涡轮中。如前所述，涡轮包括一绕轴线26转动的涡轮叶轮25，该叶轮位于一带有进气通道27的壳体内。固定式叶片28延伸穿过所述进气通道27，根据本发明，在叶片后缘28a内有一凹槽29。

在上述本发明的每一实施例中，所述用以干扰压力区的非连续部均为一位于连续叶片后缘内的凹槽形式。可以预见的是该凹槽的精确定位、轮廓及尺寸(即宽度和高度)都会对涡区的瓦解产生重要的影响，而本领域技术人员能够对凹槽的这些参数进行优化，使其适用于任何特殊场合。这样，凹槽的位置、形状和尺寸可能同图示部分会有很大不同。同样，在某些场合中采用不止一个的非连续部也是有好处的(例如，位于后缘部内不止一个凹槽一一可能有不同的尺寸/形状)。

同样的效果可以得到，通过将每个叶片后缘轮廓变化为至少在它部分长度方向上偏离一直线，而非形成一凹槽的方式。例如，后缘可以沿一相对于涡轮叶轮的旋转的圆周方向或者沿径向，或者沿两者的复合方向是弧形的(通过改变每个叶片在沿其长度方向上的弧度)。这种弯曲可以是在沿每个叶片后缘部的整个长度方向上，也可以是在叶片后缘的一部分或几部分的长度方向上。此外，这种弯曲边可以和其它形式非连续部结合使用，例如，如上所述的凹槽。

本发明可以应用于任何一种涡轮，该涡轮具有一组叶片，该叶片与一被涡轮叶片扫过区域相邻，并且不局限于上述提到的特殊结构和几何形状。本发明其它可能的改进对本领域技术人员是很明显的。

Claims (11)

1.一种涡轮，包括一具有径向叶片的涡轮叶轮，该叶轮支承于一壳体内，绕一轴线旋转，一朝涡轮叶轮沿径向方向向内延伸的环形进气通道，该通道被限定在第一和第二面对的环形壁面之间，一排环状配置的喷嘴叶片，延伸穿过该进气通道，每一喷嘴叶片都具有一与涡轮叶轮叶片相邻的后缘；

在每一喷嘴叶片的后缘在其端部中间具有至少一个凹槽。

2.如权利要求1所述的涡轮，其特征在于：包括若干每一喷嘴叶片的后缘的凹槽。

3.如权利要求1或2所述的涡轮，其特征在于：所述或每个凹槽设置在喷嘴叶片的具有直线轮廓的后缘中。

4.如权利要求3所述的涡轮，其特征在于：所述直线轮廓基本上与由涡轮叶轮叶片顶部限定的直线相平行。

5.如权利要求1或2所述的涡轮，其特征在于：每一喷嘴叶片的后缘沿相对于涡轮叶轮旋转轴线的圆周和/或径向方向沿其至少部分长度是弧形的。

6.如权利要求1或2所述的涡轮，其特征在于：所述进气通道的几何形状是可变化的。

7.如权利要求6所述的涡轮，其特征在于：所述第一壁面由一可移动的壁件限定，该可移动的壁件相对于该面对壁面是可移动的，从而改变进气通道的宽度。

8.如权利要求7所述的涡轮，其特征在于：所述喷嘴叶片由可移动的壁件支承，并且所述面对的壁面设有一个或几个用于接收喷嘴叶片端部的凹槽。

9.如权利要求7所述的涡轮，其特征在于：该可移动壁件开有槽，用于接收从该面对的壁面延伸出的所述喷嘴叶片。

10.如权利要求6所述的涡轮，其特征在于：该每一喷嘴叶片被安装成可绕各自的穿过进气通道的轴线转动，这些喷嘴叶片与一驱动器相连，该驱动器是可移动的，使喷嘴叶片在进气通道内绕所述轴线摆动。

11.一种涡轮增压器，包括如权利要求1或2所述的涡轮。

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