淺談內(nèi)燃機(jī)用可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)葉型分析與設(shè)計(jì)

何奔

摘 要：可變幾何渦輪增壓技術(shù)已被認(rèn)為是現(xiàn)代柴油機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。文章針對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片式可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)，對(duì)各類型噴嘴環(huán)葉片做了分析與設(shè)計(jì)比較。

關(guān)鍵詞：可變幾何渦輪增壓器；噴嘴環(huán)；葉片；葉型

為了適應(yīng)不斷嚴(yán)重的能源危機(jī)和更加嚴(yán)格的排放法規(guī)，深入探求燃燒過程的物理化學(xué)機(jī)理，尋求更為有效的組織柴油機(jī)燃燒過程的最佳途徑成為柴油機(jī)研究領(lǐng)域的重要課題。采用增壓技術(shù)可以大幅度的提升柴油機(jī)動(dòng)力性，改善柴油機(jī)的油耗，提高經(jīng)濟(jì)性。但隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，傳統(tǒng)的廢棄渦輪增壓器已不能滿足柴油機(jī)性能和排放的需求。由此催生出一系列新的增壓技術(shù)，可變幾何渦輪增壓技術(shù)便是其中一項(xiàng)?？勺儙缀螠u輪增壓器由于可以在全工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)與柴油機(jī)的良好匹配，且在渦輪流速比、增壓器工作效率等方面明顯優(yōu)于其它型式的可變截面渦輪增壓器，因而獲得了很大的發(fā)展，并被認(rèn)為是現(xiàn)代柴油機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 可變幾何渦輪增壓器工作原理

可變幾何渦輪增壓器的調(diào)節(jié)方法主要有舌形擋板式、可變喉口式和旋轉(zhuǎn)葉片式。這里我們著重介紹旋轉(zhuǎn)葉片式可變幾何渦輪增壓器。

旋轉(zhuǎn)葉片式可變幾何渦輪增壓器（如圖1所示）是通過改變渦輪的流通截面來實(shí)現(xiàn)與柴油機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速下的最佳匹配。發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)葉片，減小噴嘴環(huán)截面積，渦輪轉(zhuǎn)速上升，增壓壓力增加，保證了低轉(zhuǎn)速時(shí)的增壓壓力和進(jìn)氣量，提高了空燃比，使燃料充分燃燒，防止了冒黑煙問題的產(chǎn)生；發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，反方向旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)葉片，增大噴嘴環(huán)截面積，渦輪轉(zhuǎn)速下降，防止增壓器超速。發(fā)動(dòng)機(jī)加速時(shí)，為了提高增壓器的響應(yīng)速度，可以減少噴嘴環(huán)截面積，提高增壓器轉(zhuǎn)速，從而提高增壓壓力和進(jìn)氣量，滿足瞬態(tài)工作時(shí)的進(jìn)氣要求。旋轉(zhuǎn)葉片式可變幾何渦輪增壓器是目前采用的最為廣泛的方法。

2 可調(diào)噴嘴環(huán)葉片的結(jié)構(gòu)形式

噴嘴環(huán)又可稱為葉片導(dǎo)向器，其作用就是將來自渦輪殼的燃?xì)獍匆欢ǚ较蛩腿肴~輪并賦予葉輪一定的圓周速度。噴嘴環(huán)是由一個(gè)環(huán)形的葉柵組成，葉片按其流道的形狀分為減縮的和縮放的。為了簡化葉片的制造工藝和改善它的變工況性能，目前主要使用具有漸縮形流道的導(dǎo)向葉片。這種葉片按其造型主要有島狀葉型、薄板葉型、對(duì)稱葉型以及氣動(dòng)葉型等幾種形式。為了更好地說明選擇氣動(dòng)葉型對(duì)原有噴嘴環(huán)進(jìn)行改進(jìn)的原因，現(xiàn)將幾種葉型進(jìn)行比較，并適當(dāng)說明各自優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較選取。

2.1 島狀葉型

島狀葉型是一種非對(duì)稱的楔形葉型。為了方便加工，流道出口兩側(cè)的型面都是平面，兩者相互平行，流道喉部有寬度。出氣邊有一定的厚度，以保證噴嘴環(huán)葉片出氣邊的強(qiáng)度。厚度不應(yīng)太大，以免引起較大的尾跡損失。這種葉型容易設(shè)計(jì)也比較容易加工，不過，其吸力面的出口角小于壓力面出口角，兩者的差值等于葉型出口的錐角在8°～14°之間。因此，這種葉型的缺點(diǎn)就是，葉柵出口的氣流角將沿著柵距產(chǎn)生一定的變化。另外，這種葉型型面上的壓力分布不夠理想，流動(dòng)損失較高，速度系數(shù)？漬一般只能達(dá)到0.94～0.95，并且在低馬赫數(shù)時(shí)降低較多，故這種葉型不適用于低馬赫數(shù)工況。

2.2 薄板葉型

薄板葉型的氣動(dòng)效果較差，但是他的制造成本低廉。另外，利用這種葉型能比較容易地獲得若干個(gè)變型以擴(kuò)大增壓器的匹配范圍。這種葉型的成型方法和島狀葉型相似。

2.3 對(duì)稱葉型

這也是一種非氣動(dòng)葉型，這種葉型的中弧線為一條直線，背、腹兩面均為平面，兩者之間存在夾角。這種葉型如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，利用這種簡單的對(duì)稱葉型也能獲得滿意的？漬值。由于這種葉型具有對(duì)稱的形狀，因此，它的優(yōu)點(diǎn)就在于可以適應(yīng)徑流式渦輪反向運(yùn)動(dòng)的要求。

2.4 氣動(dòng)葉型

根據(jù)氣動(dòng)原則研制成的這種葉型具有較好的氣動(dòng)性能，它的葉片設(shè)計(jì)主要依靠把軸流壓氣機(jī)葉柵轉(zhuǎn)換為徑向葉柵，因此絕大多數(shù)氣動(dòng)葉型噴嘴環(huán)葉片都是以NACA在1940年至1960年間的軸流壓氣機(jī)葉柵試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的。Pampreen（1972）、Senoo（1983）、Japikse（1984）和Senoo（1984）給出了關(guān)于氣動(dòng)葉型式噴嘴環(huán)的數(shù)據(jù)庫。一般來講，當(dāng)徑流式渦輪使用這種噴嘴環(huán)葉片時(shí)，渦輪的效率比使用非氣動(dòng)葉型的渦輪效率要提高1%～2%。因此，在小功率燃?xì)廨啓C(jī)的徑流式渦輪中大多使用經(jīng)過精心研制出來的氣動(dòng)葉型，這時(shí)，工藝、成本等方面的要求已退居第二位了。

3 噴嘴環(huán)葉片的參數(shù)選擇與葉型設(shè)計(jì)

文章中的噴嘴環(huán)葉片是在原某型渦輪增壓器的對(duì)稱型噴嘴環(huán)葉片的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的，在不改變?cè)腥~輪部分的基礎(chǔ)上，將葉型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。其中的一些幾何尺寸是通過三位坐標(biāo)測(cè)繪出來的，其設(shè)計(jì)過程如下。

在設(shè)計(jì)噴嘴環(huán)時(shí)，要考慮導(dǎo)入氣體時(shí)，應(yīng)使氣體通過噴嘴環(huán)的損失盡可能小。為了減少氣體通過噴嘴環(huán)的損失，應(yīng)減少氣體通過葉片槽道的摩擦損失，因此，必須控制葉片的徑向長度和葉片數(shù)目。葉片的徑向長度是為了保證葉片通道均勻收斂，并使氣體通過葉片通道時(shí)，完成一定的能量轉(zhuǎn)換，以一定的速度進(jìn)入渦輪葉輪。進(jìn)行噴嘴環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，是根據(jù)渦輪進(jìn)口直徑來確定噴嘴環(huán)外徑和葉片徑向長度的。噴嘴環(huán)內(nèi)徑與葉輪之間有一段間隙，這個(gè)徑向間隙的作用在于：噴嘴環(huán)出口處由于有一定厚度，所以從噴嘴環(huán)出來的氣流在圓周方向是不均勻的，在這個(gè)徑向間隙中，氣流經(jīng)均勻后再進(jìn)入葉輪是比較有利的。另外，當(dāng)渦輪長期在不干凈氣體中工作時(shí)，氣流中夾帶的微粒的動(dòng)能不足以克服離心力時(shí)，微粒就會(huì)被甩出來撞在噴嘴環(huán)葉片出口邊緣，長時(shí)間作用后就會(huì)形成侵蝕現(xiàn)象。增加一個(gè)徑向間隙后，微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡增大了，達(dá)不到噴嘴環(huán)葉片就又同氣流一起進(jìn)入葉輪中。噴嘴環(huán)的葉片高度一般和葉輪進(jìn)口的葉高取得一樣。

4 結(jié)束語

文章介紹了廢氣渦輪增壓器的優(yōu)點(diǎn)以及工作原理，并且通過幾種可變幾何渦輪增壓調(diào)節(jié)方法的比較，得出旋轉(zhuǎn)葉片式可變幾何渦輪增壓器是目前采用最為廣泛的可調(diào)方法。通過對(duì)導(dǎo)向葉片現(xiàn)有的幾種葉型的分析比較，選取氣動(dòng)葉型對(duì)現(xiàn)有噴嘴環(huán)葉柵進(jìn)行再設(shè)計(jì)。在不改變?cè)袦u輪增壓器渦輪部分的渦殼和渦輪葉片的基礎(chǔ)上，計(jì)算噴嘴環(huán)葉片的各種幾何和形狀參數(shù)，確定了中弧線的半徑，根據(jù)航空系列型機(jī)翼葉片壓力面和吸力面的分布規(guī)律確定了葉片沿中弧線的分布厚度，得到了重新設(shè)計(jì)后的氣動(dòng)葉型噴嘴環(huán)葉柵。

參考文獻(xiàn)

[1]陸家祥.柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2]牛志明.可變噴嘴渦輪增壓器噴嘴面積對(duì)柴油機(jī)的影響[D].吉林大學(xué)，2004.

[3]馬朝臣，朱慶，楊長茂.渦輪調(diào)節(jié)方式對(duì)增壓柴油機(jī)匹配性能的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2000，18（2）.

[4]王滸. VNT增壓器對(duì)高壓共軌柴油機(jī)性能和排放[D].天津大學(xué)，2008.

[5]林磊.可變噴嘴渦輪增壓器與柴油機(jī)的匹配及其控制研究[D].北京交通大學(xué)，2010.

摘 要：可變幾何渦輪增壓技術(shù)已被認(rèn)為是現(xiàn)代柴油機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。文章針對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片式可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)，對(duì)各類型噴嘴環(huán)葉片做了分析與設(shè)計(jì)比較。

關(guān)鍵詞：可變幾何渦輪增壓器；噴嘴環(huán)；葉片；葉型

為了適應(yīng)不斷嚴(yán)重的能源危機(jī)和更加嚴(yán)格的排放法規(guī)，深入探求燃燒過程的物理化學(xué)機(jī)理，尋求更為有效的組織柴油機(jī)燃燒過程的最佳途徑成為柴油機(jī)研究領(lǐng)域的重要課題。采用增壓技術(shù)可以大幅度的提升柴油機(jī)動(dòng)力性，改善柴油機(jī)的油耗，提高經(jīng)濟(jì)性。但隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，傳統(tǒng)的廢棄渦輪增壓器已不能滿足柴油機(jī)性能和排放的需求。由此催生出一系列新的增壓技術(shù)，可變幾何渦輪增壓技術(shù)便是其中一項(xiàng)?？勺儙缀螠u輪增壓器由于可以在全工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)與柴油機(jī)的良好匹配，且在渦輪流速比、增壓器工作效率等方面明顯優(yōu)于其它型式的可變截面渦輪增壓器，因而獲得了很大的發(fā)展，并被認(rèn)為是現(xiàn)代柴油機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 可變幾何渦輪增壓器工作原理

可變幾何渦輪增壓器的調(diào)節(jié)方法主要有舌形擋板式、可變喉口式和旋轉(zhuǎn)葉片式。這里我們著重介紹旋轉(zhuǎn)葉片式可變幾何渦輪增壓器。

旋轉(zhuǎn)葉片式可變幾何渦輪增壓器（如圖1所示）是通過改變渦輪的流通截面來實(shí)現(xiàn)與柴油機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速下的最佳匹配。發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)葉片，減小噴嘴環(huán)截面積，渦輪轉(zhuǎn)速上升，增壓壓力增加，保證了低轉(zhuǎn)速時(shí)的增壓壓力和進(jìn)氣量，提高了空燃比，使燃料充分燃燒，防止了冒黑煙問題的產(chǎn)生；發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，反方向旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)葉片，增大噴嘴環(huán)截面積，渦輪轉(zhuǎn)速下降，防止增壓器超速。發(fā)動(dòng)機(jī)加速時(shí)，為了提高增壓器的響應(yīng)速度，可以減少噴嘴環(huán)截面積，提高增壓器轉(zhuǎn)速，從而提高增壓壓力和進(jìn)氣量，滿足瞬態(tài)工作時(shí)的進(jìn)氣要求。旋轉(zhuǎn)葉片式可變幾何渦輪增壓器是目前采用的最為廣泛的方法。

2 可調(diào)噴嘴環(huán)葉片的結(jié)構(gòu)形式

噴嘴環(huán)又可稱為葉片導(dǎo)向器，其作用就是將來自渦輪殼的燃?xì)獍匆欢ǚ较蛩腿肴~輪并賦予葉輪一定的圓周速度。噴嘴環(huán)是由一個(gè)環(huán)形的葉柵組成，葉片按其流道的形狀分為減縮的和縮放的。為了簡化葉片的制造工藝和改善它的變工況性能，目前主要使用具有漸縮形流道的導(dǎo)向葉片。這種葉片按其造型主要有島狀葉型、薄板葉型、對(duì)稱葉型以及氣動(dòng)葉型等幾種形式。為了更好地說明選擇氣動(dòng)葉型對(duì)原有噴嘴環(huán)進(jìn)行改進(jìn)的原因，現(xiàn)將幾種葉型進(jìn)行比較，并適當(dāng)說明各自優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較選取。

2.1 島狀葉型

島狀葉型是一種非對(duì)稱的楔形葉型。為了方便加工，流道出口兩側(cè)的型面都是平面，兩者相互平行，流道喉部有寬度。出氣邊有一定的厚度，以保證噴嘴環(huán)葉片出氣邊的強(qiáng)度。厚度不應(yīng)太大，以免引起較大的尾跡損失。這種葉型容易設(shè)計(jì)也比較容易加工，不過，其吸力面的出口角小于壓力面出口角，兩者的差值等于葉型出口的錐角在8°～14°之間。因此，這種葉型的缺點(diǎn)就是，葉柵出口的氣流角將沿著柵距產(chǎn)生一定的變化。另外，這種葉型型面上的壓力分布不夠理想，流動(dòng)損失較高，速度系數(shù)？漬一般只能達(dá)到0.94～0.95，并且在低馬赫數(shù)時(shí)降低較多，故這種葉型不適用于低馬赫數(shù)工況。

2.2 薄板葉型

薄板葉型的氣動(dòng)效果較差，但是他的制造成本低廉。另外，利用這種葉型能比較容易地獲得若干個(gè)變型以擴(kuò)大增壓器的匹配范圍。這種葉型的成型方法和島狀葉型相似。

2.3 對(duì)稱葉型

這也是一種非氣動(dòng)葉型，這種葉型的中弧線為一條直線，背、腹兩面均為平面，兩者之間存在夾角。這種葉型如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，利用這種簡單的對(duì)稱葉型也能獲得滿意的？漬值。由于這種葉型具有對(duì)稱的形狀，因此，它的優(yōu)點(diǎn)就在于可以適應(yīng)徑流式渦輪反向運(yùn)動(dòng)的要求。

2.4 氣動(dòng)葉型

根據(jù)氣動(dòng)原則研制成的這種葉型具有較好的氣動(dòng)性能，它的葉片設(shè)計(jì)主要依靠把軸流壓氣機(jī)葉柵轉(zhuǎn)換為徑向葉柵，因此絕大多數(shù)氣動(dòng)葉型噴嘴環(huán)葉片都是以NACA在1940年至1960年間的軸流壓氣機(jī)葉柵試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的。Pampreen（1972）、Senoo（1983）、Japikse（1984）和Senoo（1984）給出了關(guān)于氣動(dòng)葉型式噴嘴環(huán)的數(shù)據(jù)庫。一般來講，當(dāng)徑流式渦輪使用這種噴嘴環(huán)葉片時(shí)，渦輪的效率比使用非氣動(dòng)葉型的渦輪效率要提高1%～2%。因此，在小功率燃?xì)廨啓C(jī)的徑流式渦輪中大多使用經(jīng)過精心研制出來的氣動(dòng)葉型，這時(shí)，工藝、成本等方面的要求已退居第二位了。

3 噴嘴環(huán)葉片的參數(shù)選擇與葉型設(shè)計(jì)

文章中的噴嘴環(huán)葉片是在原某型渦輪增壓器的對(duì)稱型噴嘴環(huán)葉片的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的，在不改變?cè)腥~輪部分的基礎(chǔ)上，將葉型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。其中的一些幾何尺寸是通過三位坐標(biāo)測(cè)繪出來的，其設(shè)計(jì)過程如下。

在設(shè)計(jì)噴嘴環(huán)時(shí)，要考慮導(dǎo)入氣體時(shí)，應(yīng)使氣體通過噴嘴環(huán)的損失盡可能小。為了減少氣體通過噴嘴環(huán)的損失，應(yīng)減少氣體通過葉片槽道的摩擦損失，因此，必須控制葉片的徑向長度和葉片數(shù)目。葉片的徑向長度是為了保證葉片通道均勻收斂，并使氣體通過葉片通道時(shí)，完成一定的能量轉(zhuǎn)換，以一定的速度進(jìn)入渦輪葉輪。進(jìn)行噴嘴環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，是根據(jù)渦輪進(jìn)口直徑來確定噴嘴環(huán)外徑和葉片徑向長度的。噴嘴環(huán)內(nèi)徑與葉輪之間有一段間隙，這個(gè)徑向間隙的作用在于：噴嘴環(huán)出口處由于有一定厚度，所以從噴嘴環(huán)出來的氣流在圓周方向是不均勻的，在這個(gè)徑向間隙中，氣流經(jīng)均勻后再進(jìn)入葉輪是比較有利的。另外，當(dāng)渦輪長期在不干凈氣體中工作時(shí)，氣流中夾帶的微粒的動(dòng)能不足以克服離心力時(shí)，微粒就會(huì)被甩出來撞在噴嘴環(huán)葉片出口邊緣，長時(shí)間作用后就會(huì)形成侵蝕現(xiàn)象。增加一個(gè)徑向間隙后，微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡增大了，達(dá)不到噴嘴環(huán)葉片就又同氣流一起進(jìn)入葉輪中。噴嘴環(huán)的葉片高度一般和葉輪進(jìn)口的葉高取得一樣。

4 結(jié)束語

文章介紹了廢氣渦輪增壓器的優(yōu)點(diǎn)以及工作原理，并且通過幾種可變幾何渦輪增壓調(diào)節(jié)方法的比較，得出旋轉(zhuǎn)葉片式可變幾何渦輪增壓器是目前采用最為廣泛的可調(diào)方法。通過對(duì)導(dǎo)向葉片現(xiàn)有的幾種葉型的分析比較，選取氣動(dòng)葉型對(duì)現(xiàn)有噴嘴環(huán)葉柵進(jìn)行再設(shè)計(jì)。在不改變?cè)袦u輪增壓器渦輪部分的渦殼和渦輪葉片的基礎(chǔ)上，計(jì)算噴嘴環(huán)葉片的各種幾何和形狀參數(shù)，確定了中弧線的半徑，根據(jù)航空系列型機(jī)翼葉片壓力面和吸力面的分布規(guī)律確定了葉片沿中弧線的分布厚度，得到了重新設(shè)計(jì)后的氣動(dòng)葉型噴嘴環(huán)葉柵。

參考文獻(xiàn)

[1]陸家祥.柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2]牛志明.可變噴嘴渦輪增壓器噴嘴面積對(duì)柴油機(jī)的影響[D].吉林大學(xué)，2004.

[3]馬朝臣，朱慶，楊長茂.渦輪調(diào)節(jié)方式對(duì)增壓柴油機(jī)匹配性能的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2000，18（2）.

[4]王滸. VNT增壓器對(duì)高壓共軌柴油機(jī)性能和排放[D].天津大學(xué)，2008.

[5]林磊.可變噴嘴渦輪增壓器與柴油機(jī)的匹配及其控制研究[D].北京交通大學(xué)，2010.

摘 要：可變幾何渦輪增壓技術(shù)已被認(rèn)為是現(xiàn)代柴油機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。文章針對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片式可變幾何渦輪增壓器噴嘴環(huán)，對(duì)各類型噴嘴環(huán)葉片做了分析與設(shè)計(jì)比較。

關(guān)鍵詞：可變幾何渦輪增壓器；噴嘴環(huán)；葉片；葉型

為了適應(yīng)不斷嚴(yán)重的能源危機(jī)和更加嚴(yán)格的排放法規(guī)，深入探求燃燒過程的物理化學(xué)機(jī)理，尋求更為有效的組織柴油機(jī)燃燒過程的最佳途徑成為柴油機(jī)研究領(lǐng)域的重要課題。采用增壓技術(shù)可以大幅度的提升柴油機(jī)動(dòng)力性，改善柴油機(jī)的油耗，提高經(jīng)濟(jì)性。但隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，傳統(tǒng)的廢棄渦輪增壓器已不能滿足柴油機(jī)性能和排放的需求。由此催生出一系列新的增壓技術(shù)，可變幾何渦輪增壓技術(shù)便是其中一項(xiàng)?？勺儙缀螠u輪增壓器由于可以在全工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)與柴油機(jī)的良好匹配，且在渦輪流速比、增壓器工作效率等方面明顯優(yōu)于其它型式的可變截面渦輪增壓器，因而獲得了很大的發(fā)展，并被認(rèn)為是現(xiàn)代柴油機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 可變幾何渦輪增壓器工作原理

可變幾何渦輪增壓器的調(diào)節(jié)方法主要有舌形擋板式、可變喉口式和旋轉(zhuǎn)葉片式。這里我們著重介紹旋轉(zhuǎn)葉片式可變幾何渦輪增壓器。

旋轉(zhuǎn)葉片式可變幾何渦輪增壓器（如圖1所示）是通過改變渦輪的流通截面來實(shí)現(xiàn)與柴油機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速下的最佳匹配。發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)葉片，減小噴嘴環(huán)截面積，渦輪轉(zhuǎn)速上升，增壓壓力增加，保證了低轉(zhuǎn)速時(shí)的增壓壓力和進(jìn)氣量，提高了空燃比，使燃料充分燃燒，防止了冒黑煙問題的產(chǎn)生；發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，反方向旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)葉片，增大噴嘴環(huán)截面積，渦輪轉(zhuǎn)速下降，防止增壓器超速。發(fā)動(dòng)機(jī)加速時(shí)，為了提高增壓器的響應(yīng)速度，可以減少噴嘴環(huán)截面積，提高增壓器轉(zhuǎn)速，從而提高增壓壓力和進(jìn)氣量，滿足瞬態(tài)工作時(shí)的進(jìn)氣要求。旋轉(zhuǎn)葉片式可變幾何渦輪增壓器是目前采用的最為廣泛的方法。

2 可調(diào)噴嘴環(huán)葉片的結(jié)構(gòu)形式

噴嘴環(huán)又可稱為葉片導(dǎo)向器，其作用就是將來自渦輪殼的燃?xì)獍匆欢ǚ较蛩腿肴~輪并賦予葉輪一定的圓周速度。噴嘴環(huán)是由一個(gè)環(huán)形的葉柵組成，葉片按其流道的形狀分為減縮的和縮放的。為了簡化葉片的制造工藝和改善它的變工況性能，目前主要使用具有漸縮形流道的導(dǎo)向葉片。這種葉片按其造型主要有島狀葉型、薄板葉型、對(duì)稱葉型以及氣動(dòng)葉型等幾種形式。為了更好地說明選擇氣動(dòng)葉型對(duì)原有噴嘴環(huán)進(jìn)行改進(jìn)的原因，現(xiàn)將幾種葉型進(jìn)行比較，并適當(dāng)說明各自優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較選取。

2.1 島狀葉型

島狀葉型是一種非對(duì)稱的楔形葉型。為了方便加工，流道出口兩側(cè)的型面都是平面，兩者相互平行，流道喉部有寬度。出氣邊有一定的厚度，以保證噴嘴環(huán)葉片出氣邊的強(qiáng)度。厚度不應(yīng)太大，以免引起較大的尾跡損失。這種葉型容易設(shè)計(jì)也比較容易加工，不過，其吸力面的出口角小于壓力面出口角，兩者的差值等于葉型出口的錐角在8°～14°之間。因此，這種葉型的缺點(diǎn)就是，葉柵出口的氣流角將沿著柵距產(chǎn)生一定的變化。另外，這種葉型型面上的壓力分布不夠理想，流動(dòng)損失較高，速度系數(shù)？漬一般只能達(dá)到0.94～0.95，并且在低馬赫數(shù)時(shí)降低較多，故這種葉型不適用于低馬赫數(shù)工況。

2.2 薄板葉型

薄板葉型的氣動(dòng)效果較差，但是他的制造成本低廉。另外，利用這種葉型能比較容易地獲得若干個(gè)變型以擴(kuò)大增壓器的匹配范圍。這種葉型的成型方法和島狀葉型相似。

2.3 對(duì)稱葉型

這也是一種非氣動(dòng)葉型，這種葉型的中弧線為一條直線，背、腹兩面均為平面，兩者之間存在夾角。這種葉型如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，利用這種簡單的對(duì)稱葉型也能獲得滿意的？漬值。由于這種葉型具有對(duì)稱的形狀，因此，它的優(yōu)點(diǎn)就在于可以適應(yīng)徑流式渦輪反向運(yùn)動(dòng)的要求。

2.4 氣動(dòng)葉型

根據(jù)氣動(dòng)原則研制成的這種葉型具有較好的氣動(dòng)性能，它的葉片設(shè)計(jì)主要依靠把軸流壓氣機(jī)葉柵轉(zhuǎn)換為徑向葉柵，因此絕大多數(shù)氣動(dòng)葉型噴嘴環(huán)葉片都是以NACA在1940年至1960年間的軸流壓氣機(jī)葉柵試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的。Pampreen（1972）、Senoo（1983）、Japikse（1984）和Senoo（1984）給出了關(guān)于氣動(dòng)葉型式噴嘴環(huán)的數(shù)據(jù)庫。一般來講，當(dāng)徑流式渦輪使用這種噴嘴環(huán)葉片時(shí)，渦輪的效率比使用非氣動(dòng)葉型的渦輪效率要提高1%～2%。因此，在小功率燃?xì)廨啓C(jī)的徑流式渦輪中大多使用經(jīng)過精心研制出來的氣動(dòng)葉型，這時(shí)，工藝、成本等方面的要求已退居第二位了。

3 噴嘴環(huán)葉片的參數(shù)選擇與葉型設(shè)計(jì)

文章中的噴嘴環(huán)葉片是在原某型渦輪增壓器的對(duì)稱型噴嘴環(huán)葉片的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的，在不改變?cè)腥~輪部分的基礎(chǔ)上，將葉型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。其中的一些幾何尺寸是通過三位坐標(biāo)測(cè)繪出來的，其設(shè)計(jì)過程如下。

在設(shè)計(jì)噴嘴環(huán)時(shí)，要考慮導(dǎo)入氣體時(shí)，應(yīng)使氣體通過噴嘴環(huán)的損失盡可能小。為了減少氣體通過噴嘴環(huán)的損失，應(yīng)減少氣體通過葉片槽道的摩擦損失，因此，必須控制葉片的徑向長度和葉片數(shù)目。葉片的徑向長度是為了保證葉片通道均勻收斂，并使氣體通過葉片通道時(shí)，完成一定的能量轉(zhuǎn)換，以一定的速度進(jìn)入渦輪葉輪。進(jìn)行噴嘴環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，是根據(jù)渦輪進(jìn)口直徑來確定噴嘴環(huán)外徑和葉片徑向長度的。噴嘴環(huán)內(nèi)徑與葉輪之間有一段間隙，這個(gè)徑向間隙的作用在于：噴嘴環(huán)出口處由于有一定厚度，所以從噴嘴環(huán)出來的氣流在圓周方向是不均勻的，在這個(gè)徑向間隙中，氣流經(jīng)均勻后再進(jìn)入葉輪是比較有利的。另外，當(dāng)渦輪長期在不干凈氣體中工作時(shí)，氣流中夾帶的微粒的動(dòng)能不足以克服離心力時(shí)，微粒就會(huì)被甩出來撞在噴嘴環(huán)葉片出口邊緣，長時(shí)間作用后就會(huì)形成侵蝕現(xiàn)象。增加一個(gè)徑向間隙后，微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡增大了，達(dá)不到噴嘴環(huán)葉片就又同氣流一起進(jìn)入葉輪中。噴嘴環(huán)的葉片高度一般和葉輪進(jìn)口的葉高取得一樣。

4 結(jié)束語

文章介紹了廢氣渦輪增壓器的優(yōu)點(diǎn)以及工作原理，并且通過幾種可變幾何渦輪增壓調(diào)節(jié)方法的比較，得出旋轉(zhuǎn)葉片式可變幾何渦輪增壓器是目前采用最為廣泛的可調(diào)方法。通過對(duì)導(dǎo)向葉片現(xiàn)有的幾種葉型的分析比較，選取氣動(dòng)葉型對(duì)現(xiàn)有噴嘴環(huán)葉柵進(jìn)行再設(shè)計(jì)。在不改變?cè)袦u輪增壓器渦輪部分的渦殼和渦輪葉片的基礎(chǔ)上，計(jì)算噴嘴環(huán)葉片的各種幾何和形狀參數(shù)，確定了中弧線的半徑，根據(jù)航空系列型機(jī)翼葉片壓力面和吸力面的分布規(guī)律確定了葉片沿中弧線的分布厚度，得到了重新設(shè)計(jì)后的氣動(dòng)葉型噴嘴環(huán)葉柵。

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