[发明专利]用于向涡轮引导废气的叶片

说明书

技术领域

本发明所要描述的主题总体涉及到用于内燃机的涡轮机械，并且特别涉及到用于向涡轮引导废气的叶片。

背景技术

用于向涡轮引导废气的常规叶片往往是“堆叠”的。堆叠指的是沿叶片轴线挤压成型的二维翼型轮廓或外形。可变几何形状涡轮机的可旋转叶片的挤压轴线通常和与叶片杆相关联的旋转轴线重合。常规叶片的单个二维翼型轮廓决定了叶片的控制转矩和尾流。控制转矩对控制规划和磨损产生影响，尾流对涡轮的性能产生影响。在对转矩和磨损问题提供合乎要求的解决方案方面，常规的单一的二维翼型轮廓方案被证明并非最佳。如本文所述，与常规的单一的二维翼型轮廓的叶片相比较，各种不同的叶片均提供了增强的转矩和磨损性能特点。

附图说明

对本文中所述的各种方法，装置，设备，系统，布置等，或它们的等同方式的更全面的理解，可通过下述结合相应附图的详细说明得到：

图1示出了涡轮增压器和内燃机的简图；

图2示出了涡轮组件的剖面图，该涡轮组件包括向涡轮引导废气的可调节叶片；

图3示出了具有偏移、倾斜和扭转的叶片的透视图；

图4和图5是图示了偏移、倾斜和扭转以及拱曲线特征的绘图；

图6是图示了偏移、倾斜和扭转特征的一系列叶片视图；

图7是各种不同的偏移、倾斜和扭转数值的试验数据的一系列表格；

图8是叶片的一个实施例的一系列视图；

图9是叶片的一个实施例的一系列视图；

图10是各种不同的特征组合的试验数据的一系列表格；以及

图11是包括各种不同的叶片示例的试验数据和标准叶片数据的一系列绘图。

具体实施方式

可变喷嘴涡轮机中的叶片设计与涡轮增压器的磨损和耐用性相关。叶片翼型的特征在某种程度上决定了，在叶片的控制轴附近产生的转矩以及产生的尾流，而这影响涡轮的性能和可靠性。至于叶片翼型的特征，某些特征有益于转矩的降低，而某些特征有益于尾流的降低。如本文所述，在不同的实施例中，提供了具有有益特征的叶片。特别地，本文中提供的各种不同的叶片证实了，不同类型的翼型轮廓可被组合以对叶片优化。有时，该方法被称为轮廓融合，其中多种轮廓融合在一起以同时减小控制转矩和尾流。轮廓融合可插入多种轮廓以形成一个三维表面。例如，叶片的三维表面可包括随叶片高度的变化。这种变化在某种程度上可由扭转角度(如，沿叶片高度的交错角变化)来表示。在不同的实施例中，三维叶片包括随叶片高度变化的以下特征中的一个或多个：交错角、从前缘至后缘的长度、中心线角度以及厚度(如，叶片宽度)。虽然叶片的高度一般相对于沿叶片长度的方向保持不变，但叶片可进一步包括在叶片高度上的变化。本文中给出的试验数据证实了轮廓融合的提高的性能特征。

在不同实施例中，叶片可被用于常规的可变几何形状涡轮机中，然而，为了利用增强了的性能特征，涡轮可被配置为与叶片相匹配。这种涡轮可以被称为被构造成适用于轮廓融合叶片的涡轮。特别地，轮廓融合叶片的改进的尾流使得能够创造新的涡轮，该新的涡轮比常规的涡轮更高效，例如，当用于常规可变几何形状涡轮机时。

本文中的各种叶片来源于对轮廓的分析，这些轮廓在各种不同的叶片交错角(叶片位置)下产生例如，平坦的转矩特性。从计算流体动力学(CFD)分析中得出的试验数据表明，通过增加作用在处于未加载叶片位置(为零和接近零的与来流的攻角)的叶片枢转轴上的气动转矩，转矩逆转以低叶片膨胀比(ERs)被降低或消除。通过降低作用在处于高加载叶片位置(与来流的攻角较高)的叶片枢转轴上的气动转矩，降低了具有多个叶片的组件的磨损和调节(如，绕枢转轴转动叶片)所需的致动。

这种叶片的设计参数包括，例如：(a)中心线弯曲角度的分布：构造成带有多个负和正拱曲的拐点以实现目标转矩特征；(b)上和下表面的厚度分布(如，通常在中心线两侧上相同)；(c)叶片枢轴相对于中心线的轴向和径向位置(如，被定位在压力的气动中心的一侧上以防止气动转矩的方向逆转)；(d)前缘半径和后缘半径；(e)叶片长度(如，被限制为大于或等于保证叶片到叶片的关闭(叶片之间为零流动区)所需的最小值。