CN206668332U - 一种固定叶片和可调叶片组合的喷嘴环组件 - Google Patents

Abstract

一种固定叶片和可调叶片组合的喷嘴环组件，涉及一种涡轮增压器配件，包括插入件21，可调叶片22，喷嘴环26，固定叶片27，所述可调叶片22活动地设置在所述插入件21与所述喷嘴环26之间，所述固定叶片27固定设置在所述插入件21与所述喷嘴环26之间；该喷嘴环组件能够减小进气阻力，提高喷嘴环效率；将叶片分为可调叶片和固定叶片，削弱了现有完全相同的阵列式叶片产生的激波，提高了涡轮强度；取消了定距销，减少了喷嘴环组件的零部件数量，有利于结构稳定性。

Description

一种固定叶片和可调叶片组合的喷嘴环组件

技术领域

本实用新型涉及一种涡轮增压器配件，特别是一种固定叶片和可调叶片组合的喷嘴环组件。

背景技术

涡轮增压器是与内燃式发动机结合使用的装置，用于通过压缩输送到发动机进气口的空气以便与燃料混合并在发动机中燃烧来增大发动机的功率输出。涡轮增压器包括安装在压缩机壳体中压缩机叶轮和安装在涡轮机壳体中的涡轮。其中，涡轮机壳体与压缩机壳体分开地形成，并且还有另一个中间壳体连接在涡轮机壳体和压缩机壳体之间，用于轴承的安装及冷却润滑。涡轮机壳体限定出包围涡轮的大致环形流道，涡轮机组件包括流道通到涡轮中的喷嘴。排气从流道通过该喷嘴流到涡轮，并驱动涡轮转动，涡轮机带动同轴连接的压缩机转动。空气经过压缩机叶轮被压缩，然后从壳体出口连接到发动机进气口。

在利用涡轮增压器来助推发动机性能方面的一个挑战是在发动机的整个工作范围内实现期望大小的发动机功率输出。已经发现，利用固定喷嘴尺寸的涡轮增压器通常不容易达到该目的，因此在获得对涡轮增压器提供的助推量更大程度的控制这一目的的驱使下，已经研发出了可变喷嘴尺寸的涡轮增压器。一种类型的可变尺寸涡轮增压器是可变喷嘴涡轮增压器(VNT)，其包括涡轮机喷嘴中的一组可变叶片。这些叶片可转动地安装在喷嘴环中并连接于使得叶片角度能够改变的驱动机构。改变叶片的设定角度对改变涡轮机喷嘴中的有效流动面积具有影响，因此能够通过控制叶片相对位置来调节流向涡轮的排气流动。通过这种方式，能够调节涡轮的功率输出，这使得与利用固定喷嘴尺寸的涡轮增压器所通常能够实现的相比，能够在更大程度上控制发动机功率的输出。

一般地，可变叶片组件包括喷嘴环，该喷嘴环以能够旋转的方式支撑与喷嘴环的一个面邻近的叶片。叶片具有延伸穿过喷嘴环中的安装孔的转动轴，并且叶片摇臂刚性地固定于该轴体的伸出超过喷嘴环的相反面的端部。因此，能够通过使叶片摇臂旋转而使叶片绕由转动轴限定的轴线旋转，从而改变叶片的设定角。

为了保证低速性能，需要控制叶片上下两端的间隙，该间隙目前主要通过定距销进行控制，定距销同时起到轴向支撑作用。但是，定距销的存在对可变喷嘴环组件的进气产生了阻力，从而会一定程度上降低喷嘴环组件的效率。

现有技术的喷嘴环组件结构，如说明书附图1所示，一般在喷嘴环X3和插入件X1之间设置有3个定距销，定距销X2均布在叶片周围，定距销X2结构如说明书附图2所示，定距销两端各有一个台阶面X4，分别与喷嘴环X3和插入件X1上的孔相配合，支撑喷嘴环X3与插入件X1。两个台阶面之间的距离减去叶片的高度就是叶片间隙，该结构设计主要缺点是：定距销的存在必然会对其位置的进气产生阻力，降低喷嘴环组件的效率；喷嘴叶片会对涡轮产生气流激波，阵列式喷嘴叶片会使这种激波的能量进行叠加，该激波会使涡轮产生高周疲劳，失效风险增加；定距销设计也增加了喷嘴环组件的零部件数量，不利于结构稳定性。

发明内容

有鉴于以上问题，本实用新型提供一种固定叶片和可调叶片组合的喷嘴环组件，该喷嘴环组件能够减小进气阻力，提高喷嘴环效率；将叶片分为可调叶片和固定叶片，削弱了现有完全相同的阵列式叶片产生的激波，提高了涡轮强度；取消了定距销，减少了喷嘴环组件的零部件数量，有利于结构稳定性。

涡轮增压器的涡端包括涡轮和涡壳13，所述涡轮14设置在涡壳13内，所述涡壳13的环形流道接收来自发动机的废气，喷嘴环组件设置在涡轮增压器的所述涡壳13的环形流道与所述涡轮14之间，将所述涡壳13的环形流道内的废气引导吹向所述涡轮14；通过调节气流吹向涡轮14的角度来调节涡轮14的做功效率，所述涡轮14带动同轴的压轮机对发动机进气压缩做功，所述压轮机包括压壳11和压轮12，所述压轮12设置在所述压壳11中。

本实用新型提供了一种固定叶片和可调叶片组合的喷嘴环组件，包括插入件21，可调叶片22，同步环23，装配销24，调节摇臂25，喷嘴环26，固定叶片27，所述插入件21、所述可调叶片22和所述固定叶片27、所述喷嘴环26、所述调节摇臂25、所述同步环23依次设置，配合使用，其中所述可调叶片22活动地设置在所述插入件21与所述喷嘴环26之间，所述固定叶片27固定设置在所述插入件21与所述喷嘴环26之间；所述可调叶片22穿过所述喷嘴环26与所述调节摇臂25配合，所述同步环23通过所述装配销24与所述喷嘴环26配合。

进一步地，所述可调叶片22包括可调叶片转动轴221和可调叶片导流面222，所述可调叶片转动轴221的第一端与所述可调叶片导流面222固定连接，所述可调叶片转动轴221与所述喷嘴环26的叶片安装孔261配合，并能够在所述叶片安装孔261内转动。

进一步地，所述可调叶片转动轴221的第二端为阶梯轴，所述阶梯轴背离所述可调叶片导流面222方向部分的直径小于所述可调叶片转动轴221的第一端的直径。

进一步地，所述可调叶片转动轴221的第二端穿过所述喷嘴环26与调节摇臂25配合。

进一步地，所述固定叶片27包括固定叶片的第一轴271，固定叶片的第二轴272和固定叶片的导流面273，所述固定叶片的导流面273分别与所述固定叶片的第一轴271和所述固定叶片的第二轴272固定连接。

进一步地，所述固定叶片的第一轴271与插入件的安装孔212配合，所述固定叶片的第二轴272与所述喷嘴环26的叶片安装孔261配合；调整好固定叶片的角度位置后分别对所述固定叶片的第一轴271和所述固定叶片的第二轴272的轴孔配合进行焊接或者铆接固定。

进一步地，所述固定叶片的导流面273的高度大于可调叶片导流面222的高度，所述固定叶片的导流面273与所述可调叶片导流面222的高度差形成叶片间隙，所述叶片间隙在喷嘴环26工作时会漏气，该漏气不对涡轮14做功，从而会导致喷嘴环组件效率降低，该效率降低在低速时尤为明显，因为低速时的发动机废气量很少；但是该间隙的存在又是必要的，该间隙能够保证可调叶片在高温下自由运动，不会因为膨胀而卡滞，因此设计的叶片间隙既要保证可调叶片在高温下不卡滞，还要兼顾低速性能。

进一步地，所述固定叶片的导流面273与所述可调叶片导流面222的形状和尺寸能够设置为相同的，还能够设置为不同的，所述固定叶片的导流面273与所述可调叶片导流面222的形状和尺寸能够根据涡轮发动机的需求进行适应性设计。

进一步地，所述固定叶片的导流面273的第一端面与所述插入件21的表面紧密配合，所述固定叶片的导流面273的第二端面与所述喷嘴环26的表面紧密配合，所述固定叶片的导流面273的两个端面与所述喷嘴环26和所述插入件21之间不存在轴向间隙，所述固定叶片的导流面273对所述插入件21和所述喷嘴环26起支撑作用。

进一步地，所述固定叶片27的数量至少为3个，所述固定叶片27均匀布置在所述喷嘴环26上，所述固定叶片27设置在靠近所述喷嘴环组件的最小关闭位置；所述固定叶片27设置在最小关闭位置的原因为：在低速时，发动机的废气量比较小，所以在低速时对固定叶片27的开度更敏感，如果固定叶片27的装配位置开度过大，则会导致低速时废气对涡轮14有效做功减少，涡轮14效率比较低，即所谓的涡轮迟滞，因此，固定叶片的安装位置要优先保证低速性能。

进一步地，所述固定叶片27穿插设置在所述可调叶片22之间，现有技术中喷嘴环叶片基本为完全相似的阵列式设计，由于每个喷嘴叶片都会产生一个气流激波，所以该设计下，喷嘴环产生的激波能量被有效叠加，从而对涡轮产生一个周期性激励，所以有可能会导致涡轮高周疲劳失效；在本实用新型中所述固定叶片27与所述可调叶片22的角度开度不同，所述固定叶片27与所述可调叶片22的导流面形状及尺寸也能够被设置为不同，可以有效的削弱所述可调叶片22产生的气流激波，降低激波的能量，从而降低涡轮的失效风险。最小流量为喷嘴环组件关闭到最小位置时能够通过的废气量，喷嘴环最小流量需要大于发动机最小工况下的废气量，如果小于发动机最小工况下的废气量，则会出现发动机因排气不畅而熄火的问题，但是，如果最小流量设计过大，同样也会导致低速性能差，涡轮迟滞的问题。所以，最小流量的设定尤为关键，如前所述，固定叶片的安装角度要靠近喷嘴环关闭到最小位置，并且是不可调节的，所以固定叶片固定角度需要通过计算最小流量确定，在发动机最小工况时，可调叶片接近全部关闭，最小流量即由固定叶片与可调叶片之间的开度来保证。

进一步地，所述喷嘴环26为环形结构，所述喷嘴环26中心为圆形贯通孔，所述圆形贯通孔为涡轮配合孔262，所述喷嘴环26环周还设置有通孔261，用于装配所述可调叶片22、所述固定叶片27或者装配销24。

进一步地，所述插入件21设置在所述可调叶片22和所述固定叶片27与所述涡壳13之间，所述插入件21第一面的圆盘为所述可调叶片22和所述固定叶片27提供轴向保护；所述插入件21的第二面上设置有圆筒突起的密封槽211，所述密封槽211的外径小于所述涡壳13出口流道的内径，以保证所述密封槽211能够插入所述涡壳13的排气孔中，所述密封槽211用于密封环的安装，所述密封环能够防止废气从所述插入件21与所述涡壳13之间泄露；所述插入件21与所述涡壳13之间不存在轴向接触，因此所述涡壳13不会对所述插入件21产生轴向应力，这样设置能够降低叶片卡滞的风险。

进一步地，所述调节摇臂25的第一端与所述可调叶片转动轴221配合，所述调节摇臂25的第二端与同步环23配合，所述调节摇臂25将同步环的驱动力传递至所述可调叶片22，以调节所述可调叶片22的开度。

进一步地，所述同步环23设置有与所述调节摇臂25数量一致的凹槽，所述凹槽用于驱动所有调节摇臂25同步运动，保证所有可调叶片22开度相同。

本实用新型提供一种新型的可变喷嘴环组件设计机构，相对于现有技术方案，具有以下优点：

1、由固定叶片代替传统的定距销，减小了对进气的阻力，提高了喷嘴环的效率，加快了涡轮增压器的响应性，减小了涡轮迟滞；

2、通过固定叶片与可调叶片的组合设计，削弱了现有技术中完全相同的阵列式叶片产生的激波，提高了涡轮强度；

3、取消了定距销，减少了喷嘴环组件的零部件数量，有利于结构稳定性。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有技术的组件装配示意图；

图2是现有技术的定距销的结构示意图；

图3是本实用新型一种优选实施方式的增压器总成剖面图；

图4是本实用新型一种优选实施方式的可变喷嘴环组件结构示意图；

图5是本实用新型一种优选实施方式的固定叶片结构示意图；

图6是本实用新型一种优选实施方式的可调叶片结构示意图；

图7是本实用新型一种优选实施方式的喷嘴环结构示意图；

图8是本实用新型一种优选实施方式的插入件结构示意图；

图9是本实用新型一种优选实施方式的可调叶片关闭状态示意图；

图10是本实用新型一种优选实施方式的可调叶片开启状态示意图；

其中，X1-现有技术的插入件，X2-现有技术的定距销，X3-现有技术的喷嘴环，X4-现有技术的台阶面；11-压壳11，12-压轮12，13-涡壳13，14-涡轮，21-插入件，211-密封槽，212-插入件的安装孔，22-可调叶片，221-可调叶片的转动轴，222-可调叶片的导流面，23-同步环，24-装配销，25-调节摇臂，26-喷嘴环，261-叶片安装孔，262-涡轮配合孔，27-固定叶片，271-固定叶片的第一轴，272-固定叶片的第二轴，273-固定叶片的导流面。

具体实施方式

以下将参照附图对本实用新型进行更详细的描述，其中显示了本实用新型的一些而不是所有的实施例。实际上，本实用新型可以具体为很多不同的形式，不能认为仅仅限制于下述的实施例，相反地，这些实施例被提供以使公开满足适用的法律规定。

如图3所示，涡轮增压器的涡端包括涡轮14和涡壳13，涡轮14设置在涡壳13内，涡壳13的环形流道接收来自发动机的废气，喷嘴环组件设置在涡轮增压器的涡壳13的环形流道与涡轮14之间，将涡壳13的环形流道内的废气引导吹向涡轮14；通过调节气流吹向涡轮14的角度来调节涡轮14的做功效率，涡轮14带动同轴的压轮机对发动机进气压缩做功，压轮机包括压壳11和压轮12，压轮12设置在压壳11中。

如图4所示，一种固定叶片和可调叶片组合的喷嘴环组件，包括插入件21，可调叶片22，同步环23，装配销24，调节摇臂25，喷嘴环26，固定叶片27，插入件21、可调叶片22和固定叶片27、喷嘴环26、调节摇臂25、同步环23依次设置，配合使用，其中可调叶片22活动地设置在插入件21与喷嘴环26之间，固定叶片27固定设置在插入件21与喷嘴环26之间；可调叶片22穿过喷嘴环26与调节摇臂25配合，同步环23通过装配销24与喷嘴环26配合。

如图6所示，可调叶片22包括可调叶片转动轴221和可调叶片导流面222，可调叶片转动轴221的第一端与可调叶片导流面222通过组装件连接，可调叶片转动轴221与喷嘴环26的叶片安装孔261配合，并能够在叶片安装孔261内转动。

可调叶片转动轴221的第二端为阶梯轴，阶梯轴背离可调叶片导流面222方向部分的直径小于可调叶片转动轴221的第一端的直径。

如图3和图6所示，可调叶片转动轴221的第二端穿过喷嘴环26与调节摇臂25配合；调节摇臂25的第一端与可调叶片转动轴221配合，调节摇臂25的第二端与同步环23配合，调节摇臂25将同步环的驱动力传递至可调叶片22，以调节可调叶片22的开度；同步环23设置有与调节摇臂25数量一致的凹槽，凹槽用于驱动所有调节摇臂25同步运动，保证所有可调叶片22开度相同。

如图5所示，固定叶片27包括固定叶片的第一轴271，固定叶片的第二轴272和固定叶片的导流面273，固定叶片的导流面273分别通过组装件与固定叶片的第一轴271和固定叶片的第二轴272连接。

固定叶片的第一轴271与插入件的安装孔212配合，固定叶片的第二轴272与喷嘴环26的叶片安装孔261配合；调整好固定叶片的角度位置后分别对固定叶片的第一轴271和固定叶片的第二轴272的轴孔配合进行焊接固定。

如图3所示，固定叶片的导流面273的高度大于可调叶片导流面222的高度，固定叶片的导流面273与可调叶片导流面222的高度差形成叶片间隙，叶片间隙在喷嘴环26工作时会漏气，该漏气不对涡轮14做功，从而会导致喷嘴环组件效率降低，该效率降低在低速时尤为明显，因为低速时的发动机废气量很少；但是该间隙的存在又是必要的，该间隙能够保证可调叶片在高温下自由运动，不会因为膨胀而卡滞，因此设计的叶片间隙既要保证可调叶片在高温下不卡滞，还要兼顾低速性能。

固定叶片的导流面273与可调叶片导流面222的形状和尺寸设置为相同的，固定叶片的导流面273与可调叶片导流面222的形状和尺寸能够根据涡轮发动机的需求进行适应性设计。

固定叶片的导流面273的第一端面与插入件21的表面紧密配合，固定叶片的导流面273的第二端面与喷嘴环26的表面紧密配合，固定叶片的导流面273的两个端面与喷嘴环26和插入件21之间不存在轴向间隙，固定叶片的导流面273对插入件21和喷嘴环26起支撑作用。

如图4所示，固定叶片27的数量至少为3个，固定叶片27均匀布置在喷嘴环26上，固定叶片27设置在靠近喷嘴环组件的最小关闭位置；固定叶片27设置在最小关闭位置的原因为：在低速时，发动机的废气量比较小，所以在低速时对固定叶片27的开度更敏感，如果固定叶片27的装配位置开度过大，则会导致低速时废气对涡轮14有效做功减少，涡轮14效率比较低，即所谓的涡轮迟滞，因此，固定叶片的安装位置要优先保证低速性能。

固定叶片27穿插设置在可调叶片22之间，现有技术中喷嘴环叶片基本为完全相似的阵列式设计，由于每个喷嘴叶片都会产生一个气流激波，所以该设计下，喷嘴环产生的激波能量被有效叠加，从而对涡轮产生一个周期性激励，所以有可能会导致涡轮高周疲劳失效；在本实用新型中固定叶片27与可调叶片22的角度开度不同，固定叶片27与可调叶片22的导流面形状及尺寸也能够被设置为不同，可以有效的削弱可调叶片22产生的气流激波，降低激波的能量，从而降低涡轮的失效风险。最小流量为喷嘴环组件关闭到最小位置时能够通过的废气量，喷嘴环最小流量需要大于发动机最小工况下的废气量，如果小于发动机最小工况下的废气量，则会出现发动机因排气不畅而熄火的问题，但是，如果最小流量设计过大，同样也会导致低速性能差，涡轮迟滞的问题。所以，最小流量的设定尤为关键，如前，固定叶片的安装角度要靠近喷嘴环关闭到最小位置，并且是不可调节的，所以固定叶片固定角度需要通过计算最小流量确定，在发动机最小工况时，可调叶片接近全部关闭，最小流量即由固定叶片与可调叶片之间的开度来保证。

如图7所示，喷嘴环26为环形结构，喷嘴环26中心为圆形贯通孔，圆形贯通孔为涡轮配合孔262，喷嘴环26环周还设置有通孔261，用于装配可调叶片22、固定叶片27或者装配销24。

如图4和图8所示，插入件21设置在可调叶片22和固定叶片27与涡壳13之间，插入件21第一面的圆盘为可调叶片22和固定叶片27提供轴向保护；插入件21的第二面上设置有圆筒突起的密封槽211，密封槽211的外径小于涡壳13出口流道的内径，以保证密封槽211能够插入涡壳13的排气孔中，密封槽211用于密封环的安装，密封环能够防止废气从插入件21与涡壳13之间泄露；插入件21与涡壳13之间不存在轴向接触，因此涡壳13不会对插入件21产生轴向应力，这样设置能够降低叶片卡滞的风险。

如图9和图10所示，本实用新型的喷嘴环组件的工作原理如下：

如图9所示，当喷嘴环组件处于发动机低工况时，可调叶片22接近完全关闭状态，此时的废气主要由固定叶片27与可调叶片22之间的开口进入吹向涡轮14做功，该状态下固定叶片27的开度如果过小，那么发动机的废气不能完全通过喷嘴环组件，会导致发动机排气压力过高熄火，如果该状态下固定叶片27的开度过大，那么此时发动机的废气量不足以使涡轮效率最大化，因此，固定叶片27的设计角度对于喷嘴环性能影响很大。

如图10所示，当喷嘴环组件的可调叶片22开度逐渐增大时，气流会经过各个可调叶片22叶片间的开度吹向涡轮，虽然固定叶片27开度仍然处于较小的状态，但是由于可调叶片22的开度可以持续增大，不会影响在大流量时涡轮的效率，同时，由于固定叶片27与可调叶片22开度不同，叶片产生的气流激波被削弱，所以可以降低涡轮高周疲劳失效的风险。

固定叶片27的导流片与可调叶片22的导流片的形状和尺寸需要根据不同的发动机进行匹配计算，并进行CFD仿真分析，所以本实用新型中未对叶片的形状和尺寸进行详细描述，但是本实用新型为主要特征为结构设计，所以改变各个零部件的尺寸仍然在本实用新型的保护范围之内。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种固定叶片和可调叶片组合的喷嘴环组件，其特征在于，包括插入件(21)，可调叶片(22)，喷嘴环(26)，固定叶片(27)，所述可调叶片(22)活动地设置在所述插入件(21)与所述喷嘴环(26)之间，所述固定叶片(27)固定设置在所述插入件(21)与所述喷嘴环(26)之间。

2.如权利要求1所述的固定叶片和可调叶片组合的喷嘴环组件，其特征在于，所述可调叶片(22)包括可调叶片转动轴(221)和可调叶片导流面(222)，所述可调叶片转动轴(221)的第一端与所述可调叶片导流面(222)固定连接。

3.如权利要求2所述的固定叶片和可调叶片组合的喷嘴环组件，其特征在于，所述可调叶片转动轴(221)的第二端为阶梯轴，所述阶梯轴背离所述可调叶片导流面(222)方向部分的直径小于所述可调叶片转动轴(221)的第一端的直径。

4.如权利要求3所述的固定叶片和可调叶片组合的喷嘴环组件，其特征在于，所述可调叶片转动轴(221)的第二端穿过所述喷嘴环(26)与调节摇臂(25)配合。

5.如权利要求1所述的固定叶片和可调叶片组合的喷嘴环组件，其特征在于，所述固定叶片(27)包括固定叶片的第一轴(271)，固定叶片的第二轴(272)和固定叶片的导流面(273)，所述固定叶片的导流面(273)分别与所述固定叶片的第一轴(271)和所述固定叶片的第二轴(272)固定连接。

6.如权利要求5所述的固定叶片和可调叶片组合的喷嘴环组件，其特征在于，所述固定叶片的第一轴(271)与插入件的安装孔(212)配合，所述固定叶片的第二轴(272)与所述喷嘴环(26)的叶片安装孔(261)配合。

7.如权利要求5所述的固定叶片和可调叶片组合的喷嘴环组件，其特征在于，所述固定叶片的导流面(273)的高度大于可调叶片导流面(222)的高度，所述固定叶片的导流面(273)与所述可调叶片导流面(222)的高度差形成叶片间隙。

8.如权利要求1所述的固定叶片和可调叶片组合的喷嘴环组件，其特征在于，所述固定叶片的导流面(273)的第一端面与所述插入件(21)的表面紧密配合，所述固定叶片的导流面(273)的第二端面与所述喷嘴环(26)的表面紧密配合，所述固定叶片的导流面(273)对所述插入件(21)和所述喷嘴环(26)起支撑作用。

9.如权利要求1所述的固定叶片和可调叶片组合的喷嘴环组件，其特征在于，所述固定叶片(27)的数量至少为3个，所述固定叶片(27)设置在靠近所述喷嘴环组件的最小关闭位置。

10.如权利要求1所述的固定叶片和可调叶片组合的喷嘴环组件，其特征在于，所述固定叶片(27)穿插设置在所述可调叶片(22)之间。