[发明专利]一种可变几何截面的涡轮机

说明书

1.技术领域：

本发明涉及一种涡轮机，具体说是一种可变几何截面的涡轮机，属内燃机领域。

2.背景技术：

涡轮机的功能是将流体的压力势能、动能转化成力矩和转速，以驱动其它机构，其最广泛的用途是与离心式压气机组合，构成汽车发动机的废气涡轮增压器。

对于涡轮增压器，我们希望通过控制进入涡轮的废气流动，以改善增压器的效率和与发动机的匹配范围。随着柴油机、汽油机的经济性和排放指标的不断提高，只有可变几何截面的涡轮增压器才能满足这些要求，而此增压器的心脏就是可变几何截面的涡轮机。流体冲击涡轮叶片的速率及角度是决定涡轮机效率的二个重要参数。效率越高，涡轮迟滞现象越不明显。

现有的可变几何截面涡轮机，最杰出的要数保时捷的可变几何截面涡轮增压器中的可变喷嘴环式涡轮机。如图1所示，多个喷嘴叶片1转动连接在喷嘴环支撑盘2上，支撑盘2固接在涡轮壳中。执行器通过传动机构，同步控制这些分布在涡轮壳进气通道中的可摆动的喷嘴叶片1，通过调整叶片1的角度，改变叶片间流道3的喉口面积，从而达到控制进入涡轮4的废气能量的目的。图1中，二相邻叶片的喉口面积S1最大，喷嘴叶片尾缘5距离涡轮叶片进口6最近，喷嘴7长度最小，适用于大流量工况，其优点是流体穿过喷嘴7时的动能损失小；其缺点是进入喷嘴7的流体的流动方向与涡轮叶片所构成的冲击角度θ最小，降低了驱动涡轮转动的动量的有效值，从而使涡轮机的效率降低。图2中，二相邻叶片的喉口面积S2最小，喷嘴叶片尾缘5距离涡轮叶片进口6最远，喷嘴7长度最大，适用于小流量工况，其优点是流体流入喉口时的流速剧增；其缺点是流体穿过喉口后，因喷嘴7呈喇叭状，流速剧减，流动方向扩散，使得驱动涡轮转动的动量有效值大减，从而极大地降低了涡轮机的效率。

为解决上述缺点，中国专利“一种可变截面涡轮增压器的复合喷嘴”(申请号200720025887.5)，在保时捷的基础上，提出了由动、静二半叶片构成的复合叶片结构。在图3中，动叶片8缩入静叶片9中，二相邻复合叶片之间的空间构成流道10，且喷嘴喉口面积S3最大，复合叶片尾缘11距离涡轮叶片进口12最近，喷嘴13长度最小，适用于大流量工况，该专利自认此时其优、缺点完全同保时捷之。在图4中，动叶片8从静叶片9中旋出的角度最大，使得动叶片8与相邻静叶片14构成的喷嘴喉口面积S4最小，动叶片尾缘15距离涡轮叶片进口12最远，而相邻静叶片尾缘16距离涡轮叶片进口12固定不变，喷嘴17长度最大，适用于小流量工况，其优点有二：一是流体流入喉口时的流速剧增，二是流体穿过喉口后，因惯性仍继续沿着相邻静叶片14冲向涡轮，流速减小幅度降低，扩散程度减小，使得驱动涡轮转动的动量有效值的减小幅度降低，提高了小流量工况时的涡轮机效率；其缺点是因喷嘴17仍呈喇叭状，液体穿过喉口后的流动方向仍会有所扩散，流速仍会有所减小，驱动涡轮转动的动量有效值仍会有所降低，从而使得涡轮机效率仍会有所减小。为此，该专利又采用了固定叶栅18，如图5所示，以消除小流量工况时的扩散现象，但同时，也带来了如下二缺陷：一是当动叶片8靠拢其静叶片9时，叶栅18成了流道中的障碍物，使流体产生紊流，消耗了部分流体的能量，二是当动叶片8缩入其静叶片9时，动叶片8与叶栅18构成的喷嘴喉口面积S5远大于叶栅18与相邻静叶片14构成的喷嘴喉口面积S6，从而大部分流体选择从S5中流过，不仅使S6和叶栅18成了流体的障碍物，而且也改变了流体的流向，使流体与叶面的冲击角度进一步减小，极大地降低了涡轮机效率。

3.本发明目的：

本发明的主要目的就是要提供一种可变几何截面的涡轮机，既能按照需要调节喷嘴喉口尺寸，又能在各种喉口尺寸时，流体流经喷嘴的动能损失极小，并且流体流动方向与叶面所构成的冲击角度始终最大，从而保证在各工况下涡轮机的效率始终最高。本发明的另一目的是提供该喷嘴环的全自动或电控或二者兼有的控制机构，使控制机构结构简单、精度高、加速和随动性能好。

4.技术方案：

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：