可变几何涡轮增压器喷嘴环三维叶片及其设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN101915130A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN101915130A(43)申请公布日2010.12.15(21)申请号201010219044.5(22)申请日2010.06.25(71)申请人北京理工大学地址100081北京市海淀区中关村南大街5号(72)发明人黄若王绍卿赵永生张虹(74)专利代理机构北京理工大学专利中心11120代理人张利萍郭德忠(51)Int.Cl.F01D17/16(2006.01)F02C6/12(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图4页(54)发明名称可变几何涡轮增压器喷嘴环三维叶片及其设计方法(57)摘要本发明涉及一种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，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。本发明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。本发明还提供了所述三维喷嘴环叶片的设计方法，通过该方法设计的喷嘴环叶片成功率较高，且成本较低。CN10953ACN101915130A权利要求书1/1页1.一种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，压力面对应叶片型面凹面，吸力面对应叶片型面凸面，叶片压力面与吸力面前沿构成叶片前缘，叶片压力面与吸力面尾沿构成叶片尾缘，其特征在于，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；叶片前缘成型线为二次曲线，形成三维曲面前缘；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。2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于：叶片压力面与吸力面成型线光滑无拐点。3.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于：喷嘴环三维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％叶片弦长，且其最大厚度处距前缘20％～30％叶片弦长，叶片的稠度为0.5～0.8。4.权利要求1所述叶片的设计方法，包括以下步骤：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；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；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；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；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；步骤六、对喷嘴环叶片进行性能与可靠性试验验证；步骤七、可变几何涡轮增压器三维喷嘴环叶片工程图设计。2CN101915130A说明书1/5页可变几何涡轮增压器喷嘴环三维叶片及其设计方法技术领域[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