專利名稱：用于渦輪增壓器的改進(jìn)的彎曲葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及渦輪增壓器領(lǐng)域，尤其涉及一種置于幾何形狀可變的渦輪增壓器內(nèi)的葉片用的改進(jìn)的彎曲結(jié)構(gòu)，以便盡可能提高該渦輪增壓器內(nèi)的流動(dòng)效率。
背景技術(shù)：
用于汽油和柴油內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓器是該技術(shù)中已知的用于利用流出該內(nèi)燃機(jī)的熱和排氣體積流來(lái)增壓或加強(qiáng)按規(guī)定路線送入內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)燃燒室中的吸入空氣流的裝置。具體地說，流出內(nèi)燃機(jī)的排氣以這樣的方式按規(guī)定路線送入渦輪增壓器的渦輪殼體中，使得在該殼體內(nèi)導(dǎo)致一個(gè)排氣驅(qū)動(dòng)的渦輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。該排氣驅(qū)動(dòng)的渦輪安裝在一根軸的一端上，該軸對(duì)于安裝在該軸另一端上而罩在一壓縮機(jī)殼體中的一個(gè)徑流空氣壓縮機(jī)是共用的。因此，該渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)作用也導(dǎo)致該空氣壓縮機(jī)在與渦輪殼體分開的渦輪增壓器的壓縮機(jī)殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)。該空氣壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)作用導(dǎo)致吸入空氣進(jìn)入壓縮機(jī)殼體并在其與燃料混合而在內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)燃燒之前增壓或加強(qiáng)一個(gè)所需的量。
在一渦輪增壓器中，常常希望控制通到渦輪的排氣流，比改進(jìn)渦輪增壓器的效率或操作范圍。已經(jīng)做出幾何形狀可變的渦輪增壓器(VGT)來(lái)滿足該要求。一種此類VGT有一個(gè)可變的或可調(diào)整的排氣噴嘴，稱為可變噴嘴的渦輪增壓器。已經(jīng)在可變噴嘴的渦輪增壓器中利用可變噴嘴的不同構(gòu)型來(lái)控制該排氣流。在此種VGT中進(jìn)行排氣流控制的一條途徑涉及使用多個(gè)葉片，這些葉片可以是固定的、擺動(dòng)的和/或滑動(dòng)的，環(huán)形地安置在渦輪入口周圍。這些葉片共同地受到控制，以改變?nèi)~片之間通道的咽喉區(qū)域，由此起作用而控制進(jìn)入渦輪的排氣流。
這些葉片通常設(shè)計(jì)成有這樣的一種翼面形狀，該形狀做成，當(dāng)安置在閉合位置中時(shí)該形狀提供與鄰近葉片的互補(bǔ)配合，而當(dāng)安置在一個(gè)開放位置時(shí)該形狀提供渦輪殼體內(nèi)的通往渦輪的排氣通道。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，用于此種用途的傳統(tǒng)葉片的翼面形狀在渦輪殼體內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)不希望的背壓，這種背壓無(wú)助于最有效的渦輪增壓器操作。
因此，希望與一個(gè)幾何形狀可變的渦輪增壓器一起使用的葉片以這樣的方式構(gòu)型，使得能盡可能減小渦輪殼體內(nèi)任何不需要的空氣動(dòng)力學(xué)壓力的影響，從而便于和促進(jìn)有效的渦輪增壓器操作。也希望此種葉片以這樣的方式設(shè)計(jì)，使得能在幾何形狀可變的渦輪增壓器內(nèi)便于使用同樣的葉片而調(diào)整最小或改型變化最小。
發(fā)明概要本發(fā)明的改進(jìn)的彎曲葉片做成在有葉片的渦輪增壓器內(nèi)使用，包括但不限于一個(gè)VGT。該VGT包括一個(gè)有一排氣入口和一出口的渦輪殼體、一個(gè)連接在該入口上的渦殼和一個(gè)鄰近該渦殼的噴嘴壁。一個(gè)渦輪被支承在該渦輪殼體內(nèi)并附接在一根軸上。多個(gè)這樣的改進(jìn)的彎曲葉片可動(dòng)地設(shè)置在渦輪殼體內(nèi)的排氣入口和渦輪葉輪之間。
每個(gè)改進(jìn)的彎曲葉片包括一個(gè)取向鄰近該渦輪的內(nèi)翼面表面和一個(gè)與該內(nèi)翼面表面對(duì)置取向的外翼面表面。該內(nèi)外翼面表面限定一個(gè)葉片翼面厚度。一個(gè)彎曲葉片前緣或凸緣沿第一內(nèi)外翼面表面結(jié)合部設(shè)置，而一個(gè)葉片后緣沿第二內(nèi)外翼面表面結(jié)合部設(shè)置。
葉片的內(nèi)外翼面表面與葉片的前緣結(jié)合在一起，特別做成提供一條葉片脊線，該脊線在內(nèi)外翼面表面之間測(cè)量并沿葉片的長(zhǎng)度延伸，有一逐漸彎曲的區(qū)段和一基本上平直的區(qū)段。本發(fā)明的葉片具有特征的脊線，這些脊線從葉片前緣移動(dòng)葉片長(zhǎng)度的至少頭5％是平直的。
葉片以這種方式做成有一前緣和過渡的內(nèi)外翼面表面，它們由于當(dāng)其上通過排氣時(shí)保持了恒定的排氣加速度速率而減小了渦輪殼體內(nèi)不需要的空氣動(dòng)力學(xué)影響，從而減小了渦輪殼體內(nèi)不需要的背壓，并提高了渦輪增壓器和渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的有效操作。
附圖簡(jiǎn)述參照以下附圖將更清楚地理解本發(fā)明，附圖中

圖1是一種包括多個(gè)本發(fā)明的擺動(dòng)的葉片的幾何形狀可變的渦輪增壓器的立面?zhèn)纫晥D；圖2是圖1的幾何形狀可變的渦輪增壓器的截面?zhèn)纫晥D；圖3A～3C是一種設(shè)置在圖1的幾何形狀可變的渦輪增壓器的渦輪殼體內(nèi)的噴嘴環(huán)的對(duì)置表面的頂視平面圖；圖4A和4B分別是例示本發(fā)明的改進(jìn)的彎曲葉片與圖3A和3B的噴嘴環(huán)一起安置的側(cè)視截面圖和頂視平面圖；圖5A和5B分別是當(dāng)與一幾何形狀可變的渦輪增壓器一起使用時(shí)的第一現(xiàn)有技術(shù)葉片設(shè)計(jì)的立面?zhèn)纫晥D和同一設(shè)計(jì)的脊線圖；圖6A和6B分別是當(dāng)與一幾何形狀可變的渦輪增壓器一起使用時(shí)的第二現(xiàn)有技術(shù)葉片設(shè)計(jì)的立面?zhèn)纫晥D和同一設(shè)計(jì)的脊線圖；圖7A和7B分別是本發(fā)明的第一實(shí)施例的改進(jìn)的彎曲葉片的立面?zhèn)纫晥D和同一葉片的脊線圖；圖8A和8B分別是本發(fā)明的第二實(shí)施例的改進(jìn)的彎曲葉片的立面?zhèn)纫晥D和同一葉片的脊線圖；以及圖9A和9B分別是本發(fā)明的第三實(shí)施例的改進(jìn)的彎曲葉片的立面?zhèn)纫晥D和同一葉片的脊線圖。
發(fā)明詳述按照本發(fā)明原理構(gòu)造的本發(fā)明包括一種用于有葉片的渦輪增壓器的改進(jìn)的彎曲葉片，包括但不限于幾何形狀可變的渦輪增壓器(VGT)。為方便起見，整個(gè)說明書將描述一個(gè)使用VGT的示范實(shí)施例。但是，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員將易于理解，本發(fā)明的改進(jìn)的葉片可用于各種渦輪增壓器構(gòu)型，包括固定葉片渦輪增壓器與滑動(dòng)葉片式和/或樞軸葉片式渦輪增壓器。
當(dāng)與傳統(tǒng)的葉片設(shè)計(jì)比較時(shí)，該葉片的構(gòu)型有一改型的翼面輪廓，以便在一個(gè)渦輪殼體內(nèi)盡量減小不需要的航空動(dòng)力學(xué)影響和改善渦輪增壓器操作效率。
參照?qǐng)D1，VGT10總的包括一個(gè)中心殼體12，有一附接于其一端的渦輪殼體14和一附接于另一端的壓縮機(jī)殼體16。參照?qǐng)D2，軸18可以轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置在包含于中心殼體12內(nèi)的軸承組件20內(nèi)。渦輪機(jī)或渦輪葉輪22附接在一個(gè)軸端上并設(shè)置在渦輪殼體中，而壓縮機(jī)葉輪24附接在對(duì)置的軸端上并設(shè)置在該壓縮機(jī)殼體內(nèi)。渦輪殼體和壓縮機(jī)殼體利用(例如)延伸在相鄰的兩殼體之間的螺栓附接到該中心殼體上。
再參照?qǐng)D1，渦輪外殼做成有一排氣入口26和一排氣出口28，入口26將排氣沿徑向引向渦輪，而出口28將排氣沿軸向從渦輪和渦輪殼體引開。一個(gè)蝸殼(未示出)連接在該排氣入口上，而一個(gè)外噴嘴壁被包括在鄰近該渦殼的渦輪殼體中。排氣或供應(yīng)該渦輪增壓器的其它高能氣體通過入口26進(jìn)入渦輪殼體并通過該蝸輪殼體中的蝸殼而分配，用于通過一個(gè)周邊噴嘴入口而基本上沿徑向傳遞到該渦輪。壓縮機(jī)殼體16包括一個(gè)用于將空氣沿軸向引到壓縮機(jī)葉輪的空氣入口30和一個(gè)空氣出口(未示出)，該空氣出口用于將增壓空氣沿徑向引出該壓縮機(jī)殼體而引到一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)吸入系統(tǒng)，以用于隨后的燃燒。
圖3A例示一個(gè)噴嘴與協(xié)調(diào)環(huán)組件32的前側(cè)表面，該組件32設(shè)置在渦輪殼體內(nèi)，沿徑向圍繞該渦輪?？偟恼f來(lái)，該噴嘴與協(xié)調(diào)環(huán)組件操作而控制進(jìn)入渦輪殼體到渦輪上的排氣流，由此調(diào)節(jié)渦輪增壓器操作。組件32包括一個(gè)噴嘴環(huán)34，該環(huán)34附接在(例如)渦輪殼體的噴嘴壁上并圍繞渦輪同心地安置。多個(gè)可以活動(dòng)的如可以擺動(dòng)的葉片36可動(dòng)地附接在噴嘴環(huán)34上。葉片36安置在渦輪周圍并操作而控制通向渦輪的排氣流。協(xié)調(diào)環(huán)38可動(dòng)地聯(lián)接在噴嘴環(huán)的與多個(gè)葉片36對(duì)置的表面上，以便協(xié)調(diào)地影響葉片的運(yùn)動(dòng)。
圖3B例示噴嘴與協(xié)調(diào)環(huán)組件32的反面，又一次顯示噴嘴環(huán)34和安置在其周圍的協(xié)調(diào)環(huán)38。多個(gè)臂40安置在噴嘴環(huán)34和協(xié)調(diào)環(huán)38之間并鄰近它們，以便將協(xié)調(diào)環(huán)連接在葉片上。每個(gè)臂40包括外端42和內(nèi)端46，外端42設(shè)計(jì)成可以活動(dòng)地安裝在協(xié)調(diào)環(huán)內(nèi)的相應(yīng)的互補(bǔ)空間或槽44中，而內(nèi)端46設(shè)計(jì)成與相應(yīng)的葉片附接。圖3C例示如圖3B的噴嘴與協(xié)調(diào)環(huán)組件32的同一視圖，但這次置于VGT渦輪殼體14內(nèi)。
以這種方式構(gòu)型，協(xié)調(diào)環(huán)在渦輪殼體內(nèi)相對(duì)于固定的噴嘴環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，這種轉(zhuǎn)動(dòng)使臂40相對(duì)于噴嘴環(huán)移動(dòng)，從而移動(dòng)葉片。一個(gè)驅(qū)動(dòng)器組件(未示出)連接在協(xié)調(diào)環(huán)38上并做成按需要沿一個(gè)方向或另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)協(xié)調(diào)環(huán)而沿徑向向外或向內(nèi)移動(dòng)葉片，從而控制引向渦輪機(jī)的排氣流的壓力或體積。
圖4A和4B例示臂40和相應(yīng)的葉片36是如何通過噴嘴環(huán)34而相互配合的。每個(gè)葉片36通過(例如)銷48可以活動(dòng)地附接在噴嘴環(huán)上，銷的一端附接在葉片的軸向表面上，其另一端附接在臂40的端部46上。該銷通過噴嘴環(huán)中的孔50而伸出，而葉片和臂固定地附接在每個(gè)相應(yīng)的銷的端部上。以這種方式構(gòu)型，在噴嘴環(huán)的一個(gè)表面上的每個(gè)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生噴嘴環(huán)另一表面上的葉片的樞軸運(yùn)動(dòng)。
圖5A例示已知與上述VGT一起使用的第一傳統(tǒng)葉片50。該特定的葉片的特征在于有一內(nèi)翼面表面52和一外翼面表面54，它們都設(shè)計(jì)成平面。每個(gè)內(nèi)外翼面表面從一個(gè)有一第一曲率半徑的葉片前緣或凸緣56延伸到一個(gè)有一顯著較小的曲率半徑的葉片后緣或尾緣58。該傳統(tǒng)葉片設(shè)計(jì)的特征在于相對(duì)于一根從該前緣到該后緣通過葉片的軸有一對(duì)稱形狀，也就是，內(nèi)翼面表面52和外翼面表面54彼此相對(duì)地對(duì)稱，形成一條平直的脊線。
該第一傳統(tǒng)葉片設(shè)計(jì)的對(duì)稱形狀反映于圖5B中，該圖例示葉片的脊線圖。葉片的脊線通常也稱為中心線，是在葉片前緣和后緣之間穿行葉片內(nèi)外翼面表面之間各中點(diǎn)的線。相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員良好地理解其意義。脊線的數(shù)學(xué)描述有一系列相當(dāng)復(fù)雜的功能，但相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員也普遍理解這些功能。實(shí)際上，該脊線可以用葉片內(nèi)外翼面表面之間沿葉片前后緣間限定的葉片長(zhǎng)度行走的設(shè)定間隔處的各中點(diǎn)的圖線來(lái)代表。該脊線也可以用在葉片內(nèi)部畫出的與內(nèi)外兩翼面成切線的多個(gè)圓的中心的圖線來(lái)代表。
如此處使用的，葉片長(zhǎng)度是葉片的固有特征并定義為葉片前后緣之間畫出的直線的長(zhǎng)度。對(duì)于圖5B、6B、7B、8B、9B中包含的圖線，X軸表示沿葉片作為葉片長(zhǎng)度百分率測(cè)量的距離。Y軸表示離一條平行于X軸的任意參考線的距離；此處為方便起見，葉片的前緣和后緣每個(gè)有一Y座標(biāo)設(shè)定零點(diǎn)，因此X軸通過這兩個(gè)零點(diǎn)而畫出。在圖5B的情況下，該葉片設(shè)計(jì)的脊線圖線基本上是平直的，表示葉片中曲率沒有變化。因此，該第一傳統(tǒng)葉片可以稱為“平直”葉片。
在VGT中使用此種平直葉片已經(jīng)示出會(huì)在渦輪殼體內(nèi)提供不需要的空氣動(dòng)力學(xué)影響。具體地說，這種葉片設(shè)計(jì)在渦輪殼體內(nèi)產(chǎn)生一種不需要的背壓，該背壓被認(rèn)為是當(dāng)排氣在葉片凸緣上通過而沿其余葉片表面行進(jìn)時(shí)由于減小的加速度變化率而產(chǎn)生。該葉片設(shè)計(jì)的前緣輪廓對(duì)最佳空氣動(dòng)力學(xué)效率沒有貢獻(xiàn)。而且，當(dāng)多個(gè)葉片在一閉合位置中一起產(chǎn)生分級(jí)作用時(shí)，該內(nèi)外翼面表面的平直設(shè)計(jì)不會(huì)起作用而提供一個(gè)光滑的空氣動(dòng)力學(xué)表面，例如，當(dāng)空氣在一個(gè)葉片的尾緣上流動(dòng)而流向一相鄰葉片的凸緣時(shí)，空氣的過渡不會(huì)產(chǎn)生希望的空氣動(dòng)力學(xué)效果。
圖6A例示一種已知如上所述地與VGT一起使用的第二傳統(tǒng)葉片60。該特定的葉片的特征在于具有分別設(shè)計(jì)成彎曲的內(nèi)翼面表面62和外翼面表面64。每個(gè)內(nèi)外翼面表面從有一第一曲率半徑的葉片前緣或凸緣66延伸到有一明顯較小的曲率半徑的葉片后緣或尾緣68。在該葉片的設(shè)計(jì)中，外翼面表面62是中凸的并由一基本上連續(xù)的曲線限定，而內(nèi)翼面表面64是中凹的并由一與外翼面表面互補(bǔ)的基本上連續(xù)的曲線限定。如此處使用的，葉片表面的特征是相對(duì)于葉片內(nèi)部(非外部)是“中凹的”或“中凸的”。與上述傳統(tǒng)的平直葉片不同，該葉片的特征是相對(duì)于從前緣通過葉片到后緣行進(jìn)的軸線有一個(gè)不對(duì)稱的形狀。
該第二傳統(tǒng)的葉片設(shè)計(jì)的不對(duì)稱形狀反映在例示葉片的脊線圖的圖6B中。該特定的葉片設(shè)計(jì)的脊線圖基本上是一條從凸緣開始延伸到尾緣的連續(xù)曲線。因?yàn)樵撊~片有一條彎曲的脊線，所以它是“彎曲的”葉片。
在VGT中使用此種傳統(tǒng)的彎曲葉片已導(dǎo)致對(duì)該平直葉片設(shè)計(jì)的在渦輪殼體內(nèi)的空氣動(dòng)力學(xué)影響的某些改進(jìn)。
具體地說，這種傳統(tǒng)的彎曲葉片的設(shè)計(jì)操作由于圍繞葉片的下游部分(也即是葉片長(zhǎng)度的約25％～100％的部分，此處0代表沿第一內(nèi)外翼面表面結(jié)合部安置的前緣和凸緣)產(chǎn)生相當(dāng)更加均勻的氣體加速度而減小了渦輪殼體中不需要的空氣動(dòng)力學(xué)影響。換言之，采用這種類型的葉片，轉(zhuǎn)過來(lái)要求隨后的減速度的過加速度較小。
圖7A例示本發(fā)明的第一實(shí)施例的改進(jìn)的彎曲葉片70，該葉片70包括外翼面表面72和對(duì)置的內(nèi)翼面表面74，外翼面表面72通常(但并不必須)為中凸而由一系列復(fù)合曲面限定，內(nèi)翼面表面74包括中凸和中凹區(qū)段，它也由一系列復(fù)合曲面限定。前緣76或凸緣設(shè)置在內(nèi)外翼面表面之間的葉片的一端處，而后緣78或尾緣設(shè)置在內(nèi)外翼面表面之間的葉片的對(duì)置端處。
本發(fā)明的改進(jìn)的彎曲葉片的關(guān)鍵特點(diǎn)在于，雖然該葉片是彎曲的，但葉片的第一端部部分即葉片的從其前緣76延伸一段距離的部分的特征是有一條基本上平直的脊線。參照?qǐng)D7B，該圖清楚地例示從葉片前緣沿葉片移動(dòng)一段距離的脊線的平直度或非彎曲度。本發(fā)明的改進(jìn)的彎曲葉片的脊線的所需平直度是通過提供設(shè)計(jì)成互補(bǔ)而形成對(duì)初始葉片長(zhǎng)度的總的平直的脊線的內(nèi)外翼面表面而達(dá)到的。
理想的是，該改進(jìn)的彎曲葉片的特征在于，從葉片前緣移動(dòng)占葉片長(zhǎng)度的約5～40％的范圍的距離的脊線基本上是平直的。在該特定的實(shí)施例中，該葉片做成該脊線對(duì)葉片長(zhǎng)度的第一個(gè)10％是基本上平直的，在該點(diǎn)處脊線開始彎曲。
一種具有小于從前緣測(cè)量的葉片長(zhǎng)度的約5％是平直的脊線的葉片導(dǎo)致小于最佳性能，因?yàn)猷徑熬壔蛲咕壍臍饬飨鄬?duì)太快地加速。一種具有大于葉片長(zhǎng)度的約40％是平直的脊線的葉片也導(dǎo)致小于最佳性能，因?yàn)闅饬魍谠旖~片中部處過度加速，要求隨后不希望有的減速。
改進(jìn)的彎曲葉片的第一實(shí)施例包括一個(gè)由小于最大葉片厚度的曲率半徑限定的前緣76。如此處使用的，葉片厚度是葉片的固有特點(diǎn)，是定義為垂直于脊線所測(cè)得的葉片內(nèi)外翼面表面之間存在的距離或?qū)挾?。因此，也是葉片固有特點(diǎn)的最大葉片厚度是以同一方式測(cè)得的葉片內(nèi)外翼面表面之間存在的最大距離或?qū)挾?。本發(fā)明的改進(jìn)的彎曲葉片最好有一個(gè)由為最大葉片厚度的約10～30％的曲率半徑所限定的前緣。該減小的前緣半徑是希望的，因?yàn)楫?dāng)排氣遇到葉片時(shí)，該前緣半徑能有助于減小不希望的空氣動(dòng)力學(xué)影響。
此外，改進(jìn)的彎曲葉片有一不大于葉片長(zhǎng)度的約25％的最大厚度。本發(fā)明的葉片的最佳實(shí)施例有一為葉片長(zhǎng)度的約10～25％的最大厚度。在第一葉片實(shí)施例中，葉片長(zhǎng)度為約17.5mm，最大葉片厚度為葉片長(zhǎng)度的約12.7％，或約2.2mm。希望彎曲葉片具有在此范圍內(nèi)的葉片厚度，因?yàn)樾∮谌~片長(zhǎng)度的約10％的葉片厚度使氣流難于跟隨葉片表面，導(dǎo)致氣流與葉片表面分開，從而增大不希望的背壓。另一方面，葉片厚度大于葉片長(zhǎng)度的約25％會(huì)導(dǎo)致葉片表面周圍過大的氣流加速，要求在葉片后緣之前不希望有的減速。
從前緣76沿葉片70移動(dòng)，當(dāng)外翼面表面72向后緣78伸展時(shí)，它最初沿區(qū)段A幾乎是平直的，隨后沿區(qū)段B移向稍許向下的中凸曲線，最后在區(qū)段C移向稍許中凹的曲線。后緣78的曲率半徑小于前緣的曲率半徑。內(nèi)翼面表面74最初在區(qū)段A從前緣以中凸方式彎曲。在區(qū)段B該內(nèi)翼面表面移向一稍許中凹的曲線，而在區(qū)段C該內(nèi)翼面表面幾乎平直地移向前緣78。
本發(fā)明的整個(gè)改進(jìn)的彎曲葉片的內(nèi)外翼面表面的組合形狀兩者操作而以希望將排氣引向渦輪的方式引導(dǎo)葉片表面上的排氣流，并分配到葉片的整個(gè)所要的脊線上，從而促進(jìn)提高空氣動(dòng)力學(xué)效率。一般說來(lái)，希望本發(fā)明的所有改進(jìn)的彎曲葉片的內(nèi)外翼面表面做成能提供一種以一條逐漸變化的曲線為特征的葉片脊線，該曲線于初始葉片長(zhǎng)度的約5～40％之間的一個(gè)點(diǎn)處開始，逐漸升高到在初始葉片長(zhǎng)度的約40～80％之間的一個(gè)最高點(diǎn)，再逐漸降低到在葉片長(zhǎng)度末端處或之前的零。
本發(fā)明的以這樣的葉片脊線為特征的葉片操作時(shí)盡可能減小渦輪殼體內(nèi)不需要的空氣動(dòng)力學(xué)影響。具體地說，當(dāng)排氣通過葉片凸緣上面并沿葉片其余表面行進(jìn)時(shí)，本發(fā)明的葉片操作而提供排氣的恒定的加速度變化率。這種恒定的加速度變化率對(duì)于盡可能減小渦輪殼體中的不需要的背壓影響很重要，這種背壓影響已知會(huì)增加渦輪增壓器和渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)操作效率的損失。
圖8A例示本發(fā)明的第二實(shí)施例的改進(jìn)的彎曲葉片80，該葉片80包括一個(gè)大體上中凸而由一系列組合曲面限定的外翼面表面82和一個(gè)包括中凸和中凹區(qū)段的也由一系列組合曲面限定的對(duì)置的內(nèi)翼面表面。一個(gè)前緣86或凸緣置于內(nèi)外翼面表面之間的葉片的一端，而一個(gè)后緣88或尾緣置于內(nèi)外翼面表面之間的葉片的另一端。
像上述第一實(shí)施例的改進(jìn)的彎曲葉片一樣，該第二實(shí)施例彎曲葉片也包括一個(gè)前端部分，也即葉片的從其前緣86延伸一段距離的那個(gè)部分，其特征是有一基本上平直的脊線。參照?qǐng)D8B，圖中清晰地例示從葉片前緣沿葉片移動(dòng)一段距離的脊線的平直度或無(wú)彎曲度。在該特定實(shí)施例中，葉片80做成該脊線對(duì)葉片長(zhǎng)度的頭12％基本上平直，在頭12％的點(diǎn)處脊線開始變彎曲。
第二實(shí)施例的改進(jìn)的彎曲葉片包括一個(gè)由小于葉片最大厚度的曲率半徑限定的前緣86。在第二葉片實(shí)施例中，葉片長(zhǎng)度約20mm，葉片最大厚度為約葉片長(zhǎng)度的13％，或約2.6mm。
從前緣86沿葉片80移動(dòng)時(shí)，外翼面表面82最初沿區(qū)段A幾乎平直，然后沿區(qū)段B過渡到稍許向下的中凸曲線，最后當(dāng)其伸向后緣88時(shí)在區(qū)段C內(nèi)移向一稍許中凸的曲線。后緣88的曲率半徑小于前緣的曲率半徑。內(nèi)翼面表面84最初在區(qū)段A內(nèi)從前緣移動(dòng)時(shí)以中凸方式彎曲。當(dāng)與圖7A的第一實(shí)施例葉片的同一區(qū)段A相比較時(shí)，該第二葉片實(shí)施例的區(qū)段A由一稍許更為放大的曲線形成。在區(qū)段B內(nèi)，當(dāng)內(nèi)翼面表面向后緣88延伸時(shí)，內(nèi)翼面表面移向一稍許中凹的曲線。
該第二葉片實(shí)施例的內(nèi)外翼面表面的組合形狀進(jìn)行操作作而提供一條稍許不同于第一葉片實(shí)施例的特別是對(duì)葉片長(zhǎng)度最后40％左右的脊線。第二實(shí)施例葉片做成具有這樣的內(nèi)外翼面表面，即當(dāng)其到達(dá)后緣88時(shí)，兩者總體向下，即沿徑向向內(nèi)朝向一個(gè)在中心安置的渦輪。該不同的幾何形狀沿終端葉片長(zhǎng)度(后緣)形成一條不像圖7A中所示的第一葉片實(shí)施例的漸縮至零的脊線輪廓，而是如圖8A中所示的該第二葉片實(shí)施例那樣，在后緣處該脊線作為以非漸縮形式橫交該長(zhǎng)度軸的曲線而到達(dá)零。
該第二實(shí)施例的改進(jìn)的彎曲葉片設(shè)計(jì)成有一個(gè)如上所述地稍許不同于第一實(shí)施例的翼面輪廓。在該第二實(shí)施例中，葉片長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因此一個(gè)渦輪增壓器中兩個(gè)相鄰葉片之間的相對(duì)位置將會(huì)不同。該第二實(shí)施例中的葉片形狀與較長(zhǎng)的葉片長(zhǎng)度密切相關(guān)，以便提供用第一實(shí)施例的較短葉片和另一葉片輪廓所獲得的同樣均勻的氣流加速度。
圖9A例示本發(fā)明的第三實(shí)施例的改進(jìn)的彎曲葉片90，該葉片包括一個(gè)大體上中凸并由一系列組合曲面限定的外翼面表面92與一個(gè)包括中凸和中凹區(qū)段并也由一系列組合曲面限定的對(duì)置的內(nèi)翼面表面94。前緣96或凸緣設(shè)置在內(nèi)外翼面表面之間的葉片之一端，而后緣98或尾緣設(shè)置在內(nèi)外翼面表面之間的葉片之另一端。
像上述第一和第二實(shí)施例的改進(jìn)的彎曲葉片一樣，該第三實(shí)施例的彎曲葉片也包括一個(gè)前端部分，即該葉片的從其前緣96延伸一段距離的那個(gè)部分，其特征是有一條基本上平直的脊線。參照?qǐng)D9B，該圖清楚地示出從葉片前緣沿葉片移動(dòng)的脊線的平直度或非彎曲度。在該特定實(shí)施例中，葉片90做成該脊線對(duì)于葉片長(zhǎng)度的頭30％是基本上平直的，在該點(diǎn)處脊線變成彎曲。
該第三實(shí)施例的改進(jìn)的彎曲葉片包括一個(gè)由小于葉片最大厚度的曲率半徑限定的前緣96。在一第三葉片實(shí)施例中，葉片長(zhǎng)度約18mm，葉片最大厚度為葉片長(zhǎng)度的約13.5％，或約2.4mm。
從前緣96沿葉片90移動(dòng)，外翼面表面92最初沿區(qū)段A幾乎是平直的，當(dāng)其向后緣98延伸時(shí)，沿區(qū)段B過渡到稍許凸的彎曲。后緣98的曲率半徑小于前緣的曲率半徑。內(nèi)翼面表面94從前緣移動(dòng)時(shí)在區(qū)段A中最初此中凸方式彎曲。當(dāng)與圖8A的第二實(shí)施例的葉片的同一區(qū)段A比較時(shí)，該第三葉片實(shí)施例的區(qū)段A由一稍許更平緩的曲線限定。當(dāng)內(nèi)翼面表面向后緣98延伸時(shí)，它在區(qū)段B內(nèi)過渡到稍許中凹的彎曲。
該第三葉片實(shí)施例的內(nèi)外翼面表面的組合形狀進(jìn)行操作而提供一條稍許不同于本發(fā)明的第一和第二改進(jìn)的彎曲葉片的兩個(gè)實(shí)施例的脊線。具體地說，第三葉片實(shí)施例由比另兩個(gè)葉片實(shí)施例更平緩地彎曲的內(nèi)外翼面表面的限定，由此產(chǎn)生一個(gè)以幅度減小的非常平緩的曲線為特征的脊線。
如上所述，該第三實(shí)施例的改進(jìn)的彎曲葉片設(shè)計(jì)成具有稍許不同于第一和第二葉片的翼面。該第三實(shí)施例的葉片設(shè)計(jì)成被用于一個(gè)包含總數(shù)不同的葉片的渦輪增壓器，這些葉片安置成沿徑向更接近渦輪，而該實(shí)施例的稍許不同的葉片形狀是優(yōu)選的，以便提供用第一和第二實(shí)施例的另外的葉片輪廓獲得的同樣均勻的氣流加速度。
本發(fā)明的改進(jìn)的彎曲葉片是為了提供與渦輪殼體內(nèi)的排氣通過有關(guān)的提高的空氣動(dòng)力學(xué)效率而特別設(shè)計(jì)的。與葉片前后緣關(guān)聯(lián)的葉片的內(nèi)外翼面表面做成提供一條沿葉片長(zhǎng)度超過葉片前緣的一段距離內(nèi)是平直的脊線。此外，內(nèi)外翼面表面設(shè)計(jì)成，當(dāng)葉片安裝在彼此鄰近的噴嘴環(huán)內(nèi)時(shí)，是彼此互補(bǔ)的。當(dāng)與傳統(tǒng)構(gòu)型的葉片比較時(shí)，相鄰葉片的內(nèi)外翼面表面提供對(duì)置地會(huì)聚的翼面，它們有助于減小渦輪殼體內(nèi)的背壓。
本發(fā)明的改進(jìn)的彎曲葉片能夠用如傳統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)葉片所用的同樣方式如模制、折疊或機(jī)加工的同類材料制成。取決于特定的用途，這些葉片可以有一種基本上實(shí)心的設(shè)計(jì)，或者可以做成有一空心的或挖去芯子的設(shè)計(jì)。在一實(shí)施例中，本發(fā)明的改進(jìn)的葉片做成具有實(shí)心的軸向表面。
已經(jīng)按專利要求詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但該技術(shù)的專業(yè)人員將認(rèn)識(shí)到，對(duì)本文公開的特定實(shí)施例可以進(jìn)行修改和替代。這些修改處在本發(fā)明的范圍和意向之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種渦輪增壓器裝置10，包括一個(gè)渦輪殼體14，有一排氣入口26和一排氣出口28及一被連接到該入口上的蝸殼；一個(gè)被支承在該渦輪殼體內(nèi)并被附接在軸18上的渦輪葉輪22；多個(gè)安置在渦輪殼體內(nèi)位于該排氣入口和渦輪葉輪之間的葉片36，每個(gè)葉片包括一個(gè)內(nèi)翼面表面74；一個(gè)與該內(nèi)翼面表面對(duì)置取向的外翼面表面72，該內(nèi)外翼面表面限定一葉片的翼面厚度；一個(gè)沿第一內(nèi)外翼面表面結(jié)合部設(shè)置的前緣76；以及一個(gè)沿第二內(nèi)外翼面表面結(jié)合部設(shè)置的后緣78；其中該內(nèi)翼面表面和外翼面表面限定一根處于兩者之間并從該前緣延伸到該后緣的脊線，該脊線包括一個(gè)彎曲區(qū)段，并沿該葉片長(zhǎng)度最初的至少約5％從前緣移動(dòng)時(shí)是基本上平直的。
2.如權(quán)利要求1中所述的渦輪增壓器裝置，其特征在于，該葉片脊線沿該葉片長(zhǎng)度最初的約5～40％從前緣移動(dòng)時(shí)基本上是平直的。
3.如權(quán)利要求1中所述的渦輪增壓器裝置，其特征在于，該前緣是由一個(gè)處于該葉片最大厚度的約10～30％范圍內(nèi)的曲率半徑限定的。
4.如權(quán)利要求1中所述的渦輪增壓器裝置，其特征在于，該葉片的最大厚度為該葉片長(zhǎng)度的約10～25％。
5.如權(quán)利要求1中所述的渦輪增壓器裝置，其特征在于，該內(nèi)翼面表面包括從該葉片的前緣向該葉片的后緣移動(dòng)的一個(gè)中凸表面部分和一個(gè)中凹表面部分。
6.一種渦輪增壓器裝置，包括一個(gè)渦輪殼體14，有一排氣入口26和一排氣出口28及一被連接到該入口上的蝸殼；一個(gè)被支承在該渦輪殼體內(nèi)并被附接在軸18上的渦輪葉輪22；多個(gè)安置在渦輪殼體內(nèi)位于該排氣入口和渦輪葉輪之間的葉片36，每個(gè)葉片包括一個(gè)鄰近于該渦輪葉輪取向的內(nèi)翼面表面74；一個(gè)與該內(nèi)翼面表面對(duì)置取向的外翼面表面72，該內(nèi)外翼面表面限定一翼面厚度；一個(gè)沿第一內(nèi)外翼面表面結(jié)合部設(shè)置的前緣76；一個(gè)沿第二內(nèi)外翼面表面結(jié)合部設(shè)置的后緣78；其中該內(nèi)外翼面表面限定一根沿該葉片長(zhǎng)度延伸的葉片脊線，該脊線包括一個(gè)彎曲區(qū)段，其中該葉片脊線沿該葉片長(zhǎng)度最初的至少約5～40％從該前緣移動(dòng)時(shí)基本上是平直的，而且該葉片有一為該葉片長(zhǎng)度的約10～25％范圍內(nèi)的最大厚度。
7.如權(quán)利要求6中所述的渦輪增壓器裝置，其特征在于，該前緣是由一個(gè)處于該葉片最大厚度的約10～30％范圍內(nèi)的曲率半徑限定的。
8.如權(quán)利要求6中所述的渦輪增壓器裝置，其特征在于，該內(nèi)翼面表面包括從該葉片的前緣向該葉片的后緣移動(dòng)的一個(gè)中凸表面部分和一個(gè)中凹表面部分。
9.如權(quán)利要求7中所述的渦輪增壓器裝置，其特征在于，該內(nèi)翼面表面包括從該葉片的前緣向該葉片的后緣移動(dòng)的一個(gè)中凸表面部分和一個(gè)中凹表面部分。
10.如權(quán)利要求6～9中任何一項(xiàng)所述的渦輪增壓器裝置，其特征在于，該渦輪增壓器是一種幾何形狀可變的渦輪增壓器。
全文摘要
本發(fā)明的改進(jìn)的彎曲葉片(70)做成用于一個(gè)有葉片的渦輪增壓器內(nèi)，并包括一個(gè)取向鄰近一渦輪的內(nèi)翼面表面(74)和一取向與該內(nèi)翼面表面對(duì)置的外翼面表面(72)。該內(nèi)外翼面表面限定葉片的翼面厚度。一個(gè)彎曲葉片前緣或凸緣(76)沿第一內(nèi)外翼面表面結(jié)合部設(shè)置，而一個(gè)葉片后緣(78)沿第二內(nèi)外翼面表面結(jié)合部設(shè)置。葉片的內(nèi)外翼面表面(74)和(72)與葉片前緣(76)結(jié)合在一起特定地做成提供一條在該翼面之間測(cè)量的并沿葉片長(zhǎng)度延伸的葉片脊線，該脊線有一逐漸彎曲的區(qū)段和一基本上平直的區(qū)段。本發(fā)明的葉片具有從葉片前緣(76)移開的至少為葉片長(zhǎng)度的第一個(gè)約5％是平直的這一特征的脊線，以減小不需要的空氣動(dòng)力學(xué)影響。
文檔編號(hào)F01D5/14GK1692213SQ03824627
公開日2005年11月2日 申請(qǐng)日期2003年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月5日
發(fā)明者C·瓦吉亞泰斯 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司