技术领域
[0001] 本
发明属于机械设计技术领域，涉及一种可变几何
涡轮增压器三维喷嘴环叶片及其设计方法。
背景技术
[0002] 涡轮增压是
活塞式
内燃机技术发展的主要方向之一，
涡轮增压器已经成为当代先进车用内燃机的必备部件。内燃机采用先进的可变几何涡轮增压器(VGT)、尤其是其主要形式的可变喷嘴环涡轮增压器(VNT)可以进一步提高性能，如提高燃油经济性，降低排放，提高
发动机扭矩储备、改善
加速性等。涡轮增压器叶片式喷嘴环分为固定式与可调节式，固定式喷嘴环主要用于
船舶、发电等用途的大型涡轮增压器。受到应用空间、结构、可靠性等因素限制，原先的车用涡轮增压器不使用叶片式喷嘴环，随着车辆发动机热
力性能、排放要求的不断提高，车用可变喷嘴环涡轮增压器设计与制造技术、应用市场正在迅速发展之中。
[0003] 喷嘴环是VNT的核心组件，喷嘴环叶片是决定喷嘴环组件性能的最重要因素，叶片的形状、工作型面设计对喷嘴环、对VNT涡轮级性能有重要影响。喷嘴环叶片的设计原则一是叶片应满足气体的流动方向及变化要求，实现气体在喷嘴环内的流动由径向向轴向转换即具有控制气体流动方向与流动截面面积的作用；二是尽可能减少气体在喷嘴环内的流动损失，首先是减少叶片入口处的撞击损失，也就是要求叶片入口结构
角应与气体进入喷嘴环叶片时的气流角α2相等，其次是减少气体通过两个叶片工作型面形成的槽道中的摩擦损失，最后是减少叶片出口尾迹损失以及进入涡轮
叶轮的撞击损失。
[0004] VNT喷嘴环的工作环境与航空
燃气涡轮发动机的涡轮叶片相似：在高温、高压、高速燃气中工作，但前者工况变化频繁、
工作温度较低(目前最高温度一般小于1050℃)，且气体流动方向变化大，叶片可以绕自己的旋
转轴旋转，以调节与控制气体流动方向、流通通道面积；后者工况相对较稳定、工作温度高(目前最高温度可达2000℃)，叶片一般安装固定在涡轮
转子上，气体沿轴向流动。目前航空燃气涡轮发动机涡轮叶片设计已经进入多学科优化设计阶段，设计要充分考虑
气动、结构、材料、
传热等学科的耦合关系，叶片型线一般采用曲线的组合，但组合曲线存在不连续的
曲率导数点，在叶片附近产生速度、压力波峰，降低了涡轮性能。由于涡轮性能主要取决于叶片表面的
边界层流动，而边界
层流动又受叶片表面
曲率半径的影响，为使叶片表面的速度和压力分布合理，航空涡轮叶片采用五次多项式构造叶片型线。
[0005] 喷嘴环叶片形状经历了从岛状叶型、薄板叶型、对称叶型到气动叶型的发展过程。岛状叶型是一种非对称的楔形叶型，这种叶型型面上的压力分布不够理想，流动损失较高，速度系数 一般只能达到0.94～0.95，并且在低
马赫数时降低较多，故这种叶型不适用于低马赫数工况。薄板叶型的气动效果较差，但制造成本低廉、变型简单。目前，人们已不再采用岛状叶型与薄板叶型，正处于从应用对称叶型到气动叶型过渡期间。对称型叶片的
中弧线为一条直线，背、腹两面一般为弧形曲面、也可为平面，其优点是易于进行反向调节。气动叶型是依据
气体动力学原理设计的，为减少流动损失，其叶面型线被设计成光滑无拐点，一阶、二阶导数连续的曲线，因此叶型型线一般采用简单二次曲线，如圆、椭圆、抛物线，也可以采用双扭线、对数螺旋线、双曲线及四次曲线等。一般来讲，当径流式涡轮使用这种气动型的喷嘴环叶片时，涡轮的效率比使用非气动叶型的涡轮效率要提高1％～2％。因此，在小功率
燃气轮机的径流式涡轮中大多使用经过精心研制出来的气动叶型，这时，工艺、成本等方面的要求已退居第二位了。
[0006] 反动度ρ是表示静压能在总
能量中所占的比例，在涡轮增压器领域，它是涡轮设计的主要参数之一，是用来衡量燃气在动叶中的膨胀功占全基元级总膨胀功的百分比的参数。一般来说，介质在叶轮进出口截面上的速度相差并不大(特别是轴流式)，介质能量的变化主要表现在压力或
焓的变化上，介质从叶轮所获得(交换)的
动能部分，最终仍得依靠静止部件转换为静压能的变化。因为反动度使得叶轮内部的压力分布不一样，它的变化会引起各种损失的变化。如反动度减小时，喷嘴环内损失及叶轮轮盘的摩擦损失增加，但叶轮内损失减小，叶轮的出口余速损失也减小。设计涡轮在选择反动度ρ值时，总的趋势是倾向于采用较小的反动度。它可以使叶轮在较低的温度场下工作，对叶轮工作是有利的。但反动度也不能任意减小，要避免叶轮通道中出现扩压流动。由于叶片形状对反动度的影响非常大，因此，希望设计一种喷嘴环叶型，使反动度在小于等于0.5的最优值范围内。
[0007] 目前，已有多篇
专利涉及到了VNT喷嘴环叶片设计，如专利02800079.X可变喷嘴涡轮增压器的改进叶片、02819327.X VGS型涡轮增压器中的可变叶片制造方法和可变叶片、02819329.6VGS型涡轮增压器中的可变叶片制造方法和可变叶片、03824627.9用于改进的涡轮增压器的弯曲叶片、03809928.4用于可变几何形状的涡轮增压器的改进的叶片设计、200380111024.4用于涡轮增压器的曲面叶片等，但是它们所涉及的叶片的工作面不是三维叶面，是直纹面叶型可展曲面，其成型方法较为简单。
发明内容
[0008] 本发明的目的之一在于针对
现有技术的
缺陷，提供一种可变几何涡轮增压器三维喷嘴环叶片。
[0009] 本发明所设计的可变几何涡轮增压器喷嘴环三维叶片，包括压力面、吸力面、叶片前缘、叶片尾缘，其中，压力面对应叶片型面凹面，吸力面对应叶片型面凸面，吸力面与压力面构成叶片厚度。压力面与吸力面成型线为二次曲线或四次曲线，且压力面与吸力面成型线不为同一曲线；叶片压力面与吸力面前沿构成叶片前缘，叶片前缘成型线为二次曲线，形成三维曲面前缘；叶片压力面与吸力面尾沿构成叶片尾缘，叶片尾缘成型线为二次曲线并且尾缘高度型线与涡轮叶片进口型线一致，形成三维空间曲面尖尾。
[0010] 本发明所设计的可变几何涡轮增压器三维喷嘴环叶片安装于涡轮箱端，从而拓宽涡轮增压器的流量范围，提高最高涡轮效率。
[0011] 本发明还提供了所述三维喷嘴环叶片的设计方法，包括以下步骤：
[0012] 步骤一、喷嘴环结构设计，确定叶片数量、叶栅稠度、叶片
旋转轴心
位置、喷嘴环通道最大面积和叶片最大最小开度；
[0013] 步骤二、喷嘴环本身几何参数设计，确定进口构造角、
攻角、出口构造角、前
后缘小圆半径、叶片弦长、高度、叶片最大厚度以及叶型型线的选择；
[0014] 步骤三、对整个涡轮级进行
三维建模和CFD分析，涡轮级包括涡轮壳、喷嘴环以及涡轮，使用三维建模
软件对其进行建模、装配，利用CFD分析软件对其内部流场进行分析，找出模型内流动损失区域和造成损失的原因，确定优化部位，并对步骤二中喷嘴环本身的几何参数改进优化；
[0015] 步骤四、对喷嘴环叶片叶型与喷嘴环结构进行优化设计，在步骤三的
基础上，对喷嘴环叶片型线做进一步改进，并对喷嘴环叶片转轴位置、叶片和涡轮箱之间以及叶片轴孔的间隙做进一步的优化，并确定喷嘴环的转动范围和最佳转角；
[0016] 步骤五、利用多学科耦合优化设计理论，对喷嘴环叶片和涡轮级进行
流体力学、
固体力学、结构力学、传热学和材料学的耦合设计，对喷嘴环和涡轮级的制造材料、
散热与防护等进行综合设计；
[0017] 步骤六、对喷嘴环叶片进行性能与可靠性试验验证；
[0018] 步骤七、可变几何涡轮增压器三维喷嘴环叶片工程图设计。
[0019] 有益效果
[0020] 本发明所述可变几何涡轮增压器三维喷嘴环叶片及其设计方法具有以下有益效果：
[0021] 1)设计出了一款适用于可变几何涡轮增压器或固定截面有叶涡轮增压器的气动型三维喷嘴环叶片，与其它喷嘴环相比，装有本发明所述三维喷嘴环叶片实现了预旋，按照设计要求调整了反动度ρ(ρ减小、则喷嘴环内损失与叶轮轮盘的摩擦损失增加，但叶轮内损失减小)，使可变几何涡轮增压器的径流涡轮向混流涡轮方向发展，从而提高涡轮效率(一般混流涡轮效率高于径流涡轮效率5％以上)，圆柱型前缘能适应不同的来流方向，三维空间曲面尖尾减少了叶片后面气流(进入涡轮叶轮之前)的漩涡损失，减少了整个涡轮级的流动损失，进而提高了涡轮效率；
[0022] 2)提供了一种较为全面的可变几何涡轮增压器三维喷嘴环叶片的设计方法，不仅仅考虑喷嘴环本身与叶片本身的最高效率，而且综合考虑前方的涡轮箱、后方的涡轮叶轮设计，并实现上述三者的最佳匹配。通过该方法设计的喷嘴环叶片成功率较高，且成本较低。
附图说明
[0023] 图1VNT叶片的几何参数；
[0024] 图2本发明所设计的VNT叶片；
[0025] 图3原始气动型VNT叶片
[0026] 图4涡轮增压器转子系统以及中间体剖面图
[0027] 图5喷嘴环和安装盘的前部端面图
[0028] 图6喷嘴环和安装盘的背部端面图
[0029] 图7喷嘴环和拨叉的安装图
[0030] 图8涡轮效率特性图
[0031] 图9涡轮流量特性图
[0033] 图中，1为压力面，2为吸力面，3为叶片前缘，4为叶片尾缘，5为涡轮增压器转子系统，6为中间体，7为转轴、8为
压气机叶轮，9为涡轮叶轮，10为安装盘，11为拨叉，12为喷嘴环。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图以及
实施例来对本发明做进一步的详细说明。
[0035] 本发明所述可变几何涡轮增压器喷嘴环三维叶片包括但不仅限于可变几何涡轮增压器(VGT)。为表述方便，本
说明书中采用VGT作为示例进行描述。
[0036] 本发明根据气动原则，在NASA 1940年至1960年间的轴流压气机叶栅试验的基础上进行设计。喷嘴环叶片的设计主要是通过若干截面的叶型按某种规律沿径向积叠而成的。附图1表明了叶片成型时所用的几何参数及流动参数：前缘构造角βq、后缘构造角βh、进气角β1、出气角β2、攻角i、后缘弯折角δ、叶型安装角γ、前缘半径Rq、后缘半径Rh、弦长b、栅距t、叶型轴向宽度S、叶型最大厚度Cmax和喉部宽度a等。设计叶片时，叶片每一个参数都必须按照一定的设计规则进行。按照上述喷嘴环叶片叶型参数的设计方法，并确保喷嘴环横截面轮廓的各段相邻圆弧连续光滑过渡，做到几何相切，交接处一阶连续可导。
[0037] 根据本发明所设计的可变几何涡轮增压器喷嘴环三维叶片如附图2所示，包括压力面、吸力面，其中，压力面对应叶片型面凹面1，即面ABCD，吸力面对应叶片型面凸面2，即面EFGH，压力面与吸力面成型线为圆、椭圆、抛物线，双扭线、对数螺旋线、双曲线等二次曲线或四次曲线，且压力面与吸力面成型线不为同一曲线。叶片压力面与吸力面前沿构成叶片前缘，即面ABEF，叶片进口前缘成型线为二次曲线，形成三维曲面前缘，线AB为吸力面ABCD与前缘ABEF的相贯线；叶片压力面与吸力面尾沿构成叶片尾缘，即面CDGH，叶片出口尾缘成型线为二次曲线并且尾缘高度型线与涡轮叶片进口型线一致，形成三维空间曲面尖尾。三维喷嘴环叶片高度等于涡轮叶片进口宽度；叶片最大厚度小于等于40％叶片长度(弦长)，且其最大厚度处距前缘20％～30％叶片长度(弦长)，叶片的稠度为0.5～0.8。
[0038] 附图4为涡轮增压器转子系统5以及中间体6的剖面图，转子系统包括转轴7、压气机叶轮8和涡轮叶轮9，压气机叶轮8和涡轮叶轮9由转轴7连接。附图5为喷嘴环12和安装盘10的前部端面，喷嘴环12和安装盘10安装在涡轮端的涡轮箱内。喷嘴环9通过拨叉11安装在安装盘10上，附图6、7所示。它们共同调节流入涡轮叶轮9的燃气流量。
[0039] 附图3为原始气动型喷嘴环叶片，其基本特点为1)吸力面、压力面为由(简单)二次曲线成型的柱面，属于简单的可展直纹面，即：沿叶片高度方向的投影为二次曲线组成的封闭图形；吸力面、压力面可展开为一平面矩形；2)
机械加工简单，如可以采用侧刃进行
铣削(线位)加工等。
[0040] 附图2为本发明所述的可变几何涡轮增压器喷嘴环三维叶片，同原始的气动型叶片相比，具有以下特点：1)吸力面、压力面为非可展曲面，即：吸力面、压力面不能展开为平面；2)尾缘线为曲线，且与涡轮进口叶片型线相吻合；3)进口前缘可以为直线、也可为曲线；4)机械加工复杂，如不能采用侧刃进行铣削加工，需要采用多轴数控
铣床、用球头刀端铣(点位)加工等。
[0041] 目前，主要通过涡轮特性曲线来评价喷嘴环叶型的优劣，分别将原始喷嘴环和本发明所设计的喷嘴环三维叶型安装在某可变几何涡轮增压器上，得到涡轮效率特性图(附图8)和涡轮流量特性图(附图9)，由附图可以看出，本发明所设计的喷嘴环其效率较原气动型喷嘴环有了较大幅度的提高，流量范围也比原气动型喷嘴环有所拓展。
[0042] 综合上述，且参照图10中所示，对喷嘴环叶片的设计时，首先对喷嘴环的结构进行设计，主要是对叶片数量、叶栅稠度、叶片旋转轴心位置、喷嘴环通道最大面积和叶片最大最小开度等要素进行计算设计(步骤200)。然后对喷嘴环本身几何参数设计。具体体现在进口构造角、攻角、出口构造角、前后缘小圆半径、叶片弦长、高度、叶片最大厚度以及叶型型线的选择(步骤201)。各种参数确定后，对整个涡轮级进行三维建模和CFD分析，使用三维建模软件对其进行建模、装配，利用CFD分析软件对其内部流场进行分析，找出模型内流动损失区域和造成损失的原因，确定优化部位，再回步骤201，重新确定喷嘴环本身的几何参数(步骤202)。在以上步骤的基础上，对喷嘴环叶片叶型与喷嘴环结构进行优化设计。对喷嘴环叶片型线做进一步改进，并对喷嘴环叶片转轴位置、叶片和涡轮箱之间以及叶片轴孔的间隙做进一步的优化，并确定喷嘴环的转动范围和最佳转角(步骤203)。利用多学科耦合优化设计理论，对喷嘴环叶片和涡轮级进行流体力学、固体力学、结构力学、传热学和材料学的耦合设计。对喷嘴环和涡轮级的制造材料、散热与防护等进行综合设计(步骤204)。在理论上证明所设计的喷嘴环叶片设计合理后，做出喷嘴环实物，对喷嘴环叶片进行性能与可靠性试验验证(步骤205)。最后对可变几何涡轮增压器三维喷嘴环叶片进行工程图设计(步骤206)。
[0043] 本发明所述可变几何涡轮增压器三维喷嘴环叶片及其设计方法，其应用包括，但不仅限于涡轮增压器、微型燃气轮机和其他叶轮机械。
