CN101050722A

CN101050722A - 一种变出口流动截面涡轮喷嘴环

Info

Publication number: CN101050722A
Application number: CNA2006100255078A
Authority: CN
Inventors: 孙敏超; 孙正柱
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2007-10-10

Abstract

本发明涉及内燃机涡轮增压技术领域内涡轮增压器中的一种涡轮喷嘴环。其特征是对通用结构型式(喷嘴叶片固定不动)但叶片具有空心内腔的涡轮喷嘴环叶栅的绕流气流实施射流偏转调节控制——利用引自涡轮增压器本身压气机出口或外部气源的压缩空气，经过喷嘴叶片的空心内腔，由叶型背面(或腹面)和/或尾缘部位开割的通流槽缝顺流射吹叶栅流道内和/或叶栅出口的燃气主流，通过缝隙空气射流与叶栅燃气主流的相互作用，使缝隙射流与主流混合后的气流在喷嘴环出口产生流向偏转(为加强尾缘缝隙空气射流的偏转力度，在尾缘吹缝口后增设了射流偏转弧形导流板)，造成出口气流角(即出口流动截面积)的改变。与现有技术利用机械方式转动喷嘴叶片改变安装角实施叶片出口截面积改变的方案相比，本发明具有结构简单、成本低、安全可靠、效率高、调控方便、能适用于汽油机涡轮增压器以及外加空气兼有附加增压与冷却功能的优点。

Description

一种变出口流动截面涡轮喷嘴环

技术领域

本发明涉及内燃机涡轮增压技术领域内涡轮增压器中的涡轮喷嘴环。

背景技术

对涡轮增压器采用可变喷嘴涡轮调节技术是近二十年发展起来的提高内燃机扭矩储备和瞬态响应性、降低燃料消耗与有害排放的有效措施。通过改变涡轮喷嘴环叶片出口的流动截面积，可以实现全工况范围内增压器与内燃机的良好匹配。

可变喷嘴涡轮调节的现有技术，无例外地均采用可调喷嘴技术方案。可调喷嘴是利用机械方式转动喷嘴叶片(改变喷嘴叶片在涡轮喷嘴环叶栅内的安装角)来改变喷嘴环叶片的出口截面积。其作用是：当喷嘴环叶片出口截面积减小，可改变内燃机排出废气的能量使涡轮进口燃气的压力升高，涡轮输出功率增加，增压器转速上升，压气机增压压力增大；反之，当喷嘴环叶片出口截面积加大，则可使涡轮进口燃气压力下降，涡轮输出功率减少，增压器转速相对减小，增压压力降低。这样，在内燃机低转速工况，当转速降低时，可减小喷嘴环叶片出口截面积，使增压压力不致下降过大；而对于内燃机高转速工况，当转速升高时，可增大喷嘴环叶片出口截面积，使增压压力不致过量增升。从而保证了低转速工况具有较高的增压压力而获得满意的扭矩特性；在高转速工况也限制了增压压力的增加，不致出现增压过度。另外，涡轮喷嘴环叶片角度调节因可实现电控无级调节增压压力的大小，因而可以根据燃烧和控制排放的需要调节空燃比和排气背压的大小，改善燃烧降低燃料消耗与调节EGR(废气再循环)率实现达到欧IV和欧V的排放控制要求。该技术与涡轮增压器的另一种涡轮调节技术——废气旁通阀放气相比，其优点是：因无放气造成的高温、高压燃气的能量浪费，故可在不增大高转速工况燃料消耗率的条件下增大低速扭矩；扩大了低燃耗的运行区范围；可以满足要求越来越高的内燃机排放和噪声规范。缺点是：结构复杂，制造精度高，价格昂贵，体积大；长期在高温下工作，难以保证结构与操作系统的可靠性，为此，它仅在燃气温度相对较低的柴油机的涡轮增压器上获得应用，迄今为止，仍未推广用在燃气温度更高的汽油机用的涡轮增压器上；喷嘴叶片与涡轮蜗壳内壁之间为转动叶片所留空隙的高温燃气泄漏使涡轮级的效率降低；喷嘴叶片角度变化的调节会引起叶轮进口气流冲角和涡轮级反动度的变化，调节幅度过大会导致涡轮级效率大幅下降。

目前，涡轮喷嘴环叶片角度调节的实施方案甚多，其动作原理基本相同，但在叶片转动方式上尚有细微差别(详见朱大鑫编著·涡轮增压与涡轮增压器·北京·机械工业出版社·1992·第431～443页的相关内容)，典型结构实例可参见华觉源·涡轮增压器和增压系统研制的新进展·大同·车用发动机·1992年第4期·第20～24页的相关介绍。

为了消除涡轮喷嘴环叶片角度调节技术存在的缺点与不足，本发明公开了一种新的可变喷嘴涡轮调节技术方案。

发明内容

本发明的目的在于为可调涡轮增压器提供一种结构最简单，成本最低，调控最方便，能在全转速工况范围内满足内燃机动力性、经济性和排放要求，比采用喷嘴环叶片角度调节装置使用效果更好的且能适用于汽油机涡轮增压的涡轮调节技术。

本发明为实现上述目的采用的技术方案的核心技术是对通用结构型式(叶片固定不动)，但叶片空心结构的涡轮喷嘴环叶栅的绕流气流实施射流偏转调节控制——利用引自涡轮增压器本身的压气机出口或外部气源的压缩空气，经过喷嘴叶片的空心内腔，由叶型背面(或腹面)和/或尾缘部位开割的通流槽缝顺流射吹叶栅流道内和/或叶栅出口的燃气主流，通过缝隙空气射流与叶栅燃气主流的相互作用，使缝隙射流与主流混合后的气流在喷嘴环叶片出口产生流向不同于原主流方向的偏转造成出口气流角(即出口流动截面积)的改变。

利用槽缝缝隙射流偏转主流流向的机理是：用外加压缩空气对喷嘴叶片缝隙侧叶型壁面上的附着边界层顺流动方向进行吹气，使缝隙出口后的附着边界层与栅内流动发生下述改变：形成新的附着边界层，吹入的空气射流令附着在缝隙侧叶型壁面上缝隙出口后部分的附着边界层的流体组成由燃气改成基本上由空气代替，并改变了该部分附着边界层在与缝隙侧叶型壁面垂直的剖面内的流速分布，提高了层内流体的动能，使近壁层的流速和密流(密度与流速的乘积)值大幅增加，致使附着边界层内的流线向壁面贴近，产生射流附壁偏转效应；同时，缝隙吹出的空气射流与叶栅流道内的燃气主流在缝隙出口后的部位相混合，形成射流边界层。在射流边界层内，流速由附着边界层外边界处的流速变化到接近主流的流速。射流边界层内不均匀的流速与密流值的分布，致使射流边界层内的流线与主流方向产生偏离，流动向密流值大的一侧偏转。附着边界层内流线的附壁偏转与射流边界层内流线偏转的综合决定了叶栅出口气流的偏转方向和偏转量值。附图1示出了附着边界层与射流边界层的示意图。由近尾缘的叶片缝隙吹出空气，同样可以改善缝隙侧叶型壁面上的附着边界层内的流速分布，消除该壁面近尾缘区域的流动分离，使该壁面的边界层流体贴近壁面流出，并减少叶栅出口后尾迹气流速度与压力的不均匀度。

众所周知，利用合理配置在叶型壁面和尾缘的缝隙吹气，是现代工程流体力学中对机翼和叶栅叶型上的边界层流动实施控制的一项常用有效措施。其目的在于降低流动损失、提高叶型承载气动负荷的能力。也即，避免叶型表面上的边界层在大冲角绕流情况下出现严重分离，降低流动损失(气流总压损失)；增大绕机翼或叶栅叶型的速度环量(增加升力或举力)；减小叶栅气流落后角(又称气流偏角，它反映了由相邻叶片形成的叶栅流道的导向能力。由于叶型背弧表面靠近尾缘处边界层厚度的影响，使气流在叶栅出口的流出角实际达不到预期设计的几何出口角而落后的角度)以增大气流在叶栅中的折转角。

因此，通过叶型表面和尾缘上的缝隙位置的合理配置与选择合适的吹气量进行吹气来控制叶栅绕流，既能降低叶型流动损失，又能通过减小或增大气流落后角来使叶栅出口气流偏转，从而具有变出口流通截面的“变几何”功能。

鉴于叶栅出口气流落后角的数值一般都小，只有几度，很少到达8°(尤其对于叶型中线弯度小、安装角小和稠度低的叶栅，落后角更小，一般小于3°)，这样，单靠现有叶栅流体力学中采用的上述利用缝隙射吹实施型面边界层的控制改变落后角的角度所产生的叶栅出口流动截面积变化的幅度，尚距满足喷嘴环叶栅出口截面积“变几何调节”要求的变化幅度相差甚远。为此，本发明在喷嘴环叶栅的叶型尾缘缝隙吹气口处加装一个“射流偏转弧形导流板”装置(附图2)，使尾缘部位的缝隙空气射流增大向喷嘴环叶片出口流通截面积变化所要求的出口气流角减小(或增大)的方向偏转栅后主流流向的力度。利用弧形导流板，可以大幅度增加对喷嘴环叶片出口流动截面积变化的调控能力，其效果的估算可依物理学(力学)中的动量合成原理进行。也即，流出喷嘴环叶栅后的栅内燃气主流与尾缘空气射流混合后的气流平均动量矢量

应等于燃气主流在叶栅出口处的平均动量矢量

与尾缘空气射流的平均动量矢量

二者的矢量和，即

(G_{1} + G_{j}) \overset{&RightArrow;}{C_{1 m}} = G_{1} \overset{&RightArrow;}{C_{1}} + G_{j} \overset{&RightArrow;}{C_{j}},

式中G₁，G_j分别表示栅内主流燃气和尾缘射流空气的质量；

和

分别表示喷嘴环叶栅出口处栅内燃气主流、尾缘空气射流和主流与空气射流混合后的气流各按相应质量平均所得的平均流速矢量。弧形导流板对出口气流的偏转效应可由

方向决定的出气角的大小变化来反映。

根据对变出口流通截面涡轮喷嘴环的调控应用需要，本发明采用下述两种涡轮喷嘴环基本结构形式：

①减小叶栅出口气流角的喷嘴环叶片叶型结构

附图3示出了径流式或混流式涡轮增压器用于减小喷嘴环叶片出口气流角(即减小出口流通截面面积)的三种具有吹气槽缝的涡轮喷嘴环叶片叶型结构示意图：单一的吹气槽缝位于叶型腹弧面侧的构造(图3a)；单一的吹气槽缝开在近尾缘部位背弧面侧，该处的叶型腹弧面向叶栅出口方向延伸并弯向叶型背弧面方向而在尾缘处形成一个射流偏转弧形导流板的构造(图3b)；图3a与图3b复合而成的第三种构造(图3c)。三种构造的射流偏转减小喷嘴环叶片出口气流角的能力与效果排序为：图3c的结构型式最强、最佳，图3b次之，图3a最差。因此，图3a的构造仅适合弱调控(喷嘴环叶片出口流通截面积减小幅度小)的场合；图3b和图3c的构造则分别适合用于强调控和超强调控的场合，喷嘴环叶片出口气流角减幅可达20°～25°，甚至更高，这对调控喷嘴环叶片出口流通截面积满足内燃机配机的需要已足够有余。至于合理地择用何种构造，应依实际需要而定。

附图4示出了轴流式涡轮增压器用于减小喷嘴环叶片出口气流角的三种具有吹气槽缝的涡轮喷嘴环叶片叶型结构示意图(图4a～图4c)。它们的构造特点和适用范围的分析与附图3a～3c类似，只是吹气槽缝在叶型型面和尾缘的开割部位及导流板的构成不同。

②增加叶栅出口气流角的喷嘴环叶片叶型结构

附图5a～5c与附图6a～6c分别示出了径、混流式涡轮增压器和轴流式涡轮增压器用于增大喷嘴环叶片出口气流角(即增大出口流通截面面积)的三种具有吹气槽缝的涡轮喷嘴环叶片叶型结构示意图。它们的结构不同于附图3a～3c和附图4a～4c之处在于对应的吹气槽缝的开割部位与导流板的构成和弯曲方向相反。

显然，实施本发明的技术关键是确定吹气缝隙在喷嘴环叶片叶型中的配置位置、缝隙本身及尾部附近射流偏转弧形导流板的形状尺寸、以及吹气射流的气动参数。

叶面上控制边界层的吹气缝隙应位于大冲角绕流该缝隙出口所在叶面时在叶面上出现的流动分离点的位置之前。这是由于只有在叶面上的气流尚未严重分离的情况下，对边界层流动的气体动力作用才是有效和经济的。而当缝隙位于气流分离点下游时，绕流气动控制的效果就会急剧减小。考虑到分离点的位置随工况而变以及气流在喷嘴环叶栅的通流面积沿流动方向呈收缩状的收敛流道中流动非常稳定，不易出现流动分离。因此，一般只能近似地将吹气槽缝的出口位置选择在叶片流道进口喉部截面与叶型表面交点的前方附近(对于径、混流式涡轮增压器喷嘴环叶栅结构)或选择在叶片流道出口喉部截面与叶型表面交点的前方附近(对于轴流式涡轮增压器喷嘴环叶栅结构)，如附图3～6所示。

●叶面吹气槽缝出口宽度与尾部吹气槽缝出口宽度的尺寸选择

叶面吹气槽缝宽度尺寸δ和/或尾部吹气槽缝宽度尺寸Δ(附图3～6)的大小，主要应由欲对叶型表面边界层流动和叶栅后气流偏转实施控制的力度要求来确定。δ值和/或Δ值越大，由槽缝吹出参与边界层控制和射流偏转的外加空气量就越多，对喷嘴环叶栅绕流控制的力度也越大。但过大的δ值和/或Δ值，会造成高速空气射流能量的浪费，反之，过小的δ值和/或Δ值，会因控制力度不够，不足以实现有效控制。一般，槽缝出口宽度尺寸宜在δ＝(0.02～0.06)a₁和/或Δ＝(0.03～0.10)a₂的尺寸范围内初步进行选择，然后根据实验调整后定下，式中a₁和a₂分别是喷嘴环叶栅叶型的型面和尾部槽缝出口位置处叶栅流道的宽度尺寸(槽缝出口位置处叶栅流道圆的直径)，如附图3～4所示。

●叶型尾部附接射流偏转弧形导流板的尺寸选择

本发明为加强叶型尾部槽缝吹气(空气射流)对栅后主流气流方向的偏转作用，改造叶型尾部槽缝吹气口后面部份的结构如下：在开割尾部槽缝吹气口之后剩下的叶型面上，顺流动方向延接一个向所需气流偏转方向弯曲的弧形导流板，使流出尾部缝隙吹气口的空气射流沿导流板的出口方向流向栅后，对主流气流在栅后的流向产生附加偏转作用。

射流偏转弧形导流板的几何尺寸荐用范围为：导流板偏转角θ＝5°～50°；导流板弧长S＝(0.03～0.25)L，式中L——叶型中弧线总长度，如附图2所示。

考虑到喷嘴环叶栅出口气流角调小至12°已臻近极限，再小就使效率下降明显，因此在采用减小出口气流角的调控方式时，必须根据调控力度(所择取θ值的大小)选择相应的叶型在叶栅中安装角的大小(当θ取值大时，安装角也须相应加大)，俾使出口气流角减至最小也不要低于限定值。同样，当采用增大出口气流角的调控方式时，叶型在叶栅中安装角的大小须能保证出口气流角在调控尚未实施时不低于上述限定的值。一般说来，在未调控的情况下，安装角加大时，出口气流角也随之加大，反之，则出口气流角减小。

●槽缝吹气空气射流的气动参数选择

缝隙吹气产生的空气射流的动量

的大小和方向决定了喷嘴环叶栅栅后气流偏转量的大小和方向。因此，对喷嘴环叶栅绕流实施调控的实质就是对空气射流动量矢量的方向和大小进行调节控制。

射流空气动量矢量的模等于缝隙出口处的空气密度ρ_j与缝隙出口处空气射流速度的平方C_j ²及缝隙槽缝宽度δ和/或Δ三者的乘积。其中，P_j＝ρ_jRT_j，式中P_j和T_j分别是缝口处的空气静压和静温；空气射流在缝口处的流速值的大小为C_j＝44.83{T_j[1-(P_j/P_j)^0.2857]}^0.5，式中P_j和T_j分别是缝口处的空气总压和总温。由此可见，对射流空气动量大小的调控主要需依靠外加压缩空气源的压力P_j的变化来实现。一般，空气射流流速C_j与叶栅出口燃气主流流速C₁的比值C_j/C₁处于0.8～1.5范围时，可获得对叶栅绕流既经济又有效的控制，其中C₁＝50.48{T₁[1-(P₁/P₁)^0.2481]}^0.5，式中，P₁，T₁和P₁分别是喷嘴环叶栅进口处燃气的总压，总温和叶栅出口处气流的静压。对外加压缩空气源的供气压力P_j可通过一个连接气源与喷嘴叶片内腔的空气节流阀简单地进行调节。至于射流空气量的大小，如前所述可依槽缝出口宽度δ和/或Δ的尺寸选择，在设计时就预先设定好，然后在涡轮增压器运转过程中再随工况进行调节。对射流偏转弧形导流板的偏转角θ的设定也同样如δ和Δ的尺寸选择一样，须在设计时就择定。

本发明对外加压缩空气源的选用有下述两种方式：

①涡轮增压器本身的压气机出口的压缩空气

将压气机出口的部分压缩空气通过连接管及压力调节阀与喷嘴环叶片内腔相通的集气箱联接。根据内燃机与涡轮增压器配机工况需要的增压压力值通过压力调节阀对压气机出口的空气压力进行节流调节，以满足缝隙空气射流所需的压力P_j。这一气源选用方案的特点与优点如下：

1、不需添增专用压缩气源设备，减少设备投资与安装空间；

2、压气机压缩射流空气耗用的能量，大部份可在涡轮叶轮中作功回收；

3、喷嘴环叶栅前的燃气气流总压与压气机出口空气气流的总压相差不大，但燃气温度约为空气温度的二倍，因此，空气的密度值约比燃气的密度高一倍，从而使缝隙空气射流的密流与动量值均较速度相同的燃气主流大了一倍，非常有利于叶栅绕流的气动控制。特别对于需要射流空气流速小于吹气口处主流燃气流速的调控场合，可以用密度增大来弥补速度不足对射流动量的削弱影响，扩大调控的有效范围。

4、有可能在相当多的工况下，根据喷嘴环叶栅前燃气总压与压气机出口空气总压的压差随工况(内燃机转速与功率)的变化和对增压压力的调控需要，对叶型形状、吹气缝隙位置与吹气口宽度尺寸、叶型在叶栅中的安装角大小，以及射流偏转导流板的弯曲角进行合理选择，就可以实现对P_j少调节、甚至不调节便能满足全转速工况的增压压力需求。

②外部气源供给的压缩空气

可以利用大多数车辆和船舶内燃机装置中都有的起动或制动用的空气压缩机及储气瓶，也可配用专用的小型旋转叶片式的电动空气泵(如朱大鑫编著·涡轮增压与涡轮增压器·北京·机械工业出版社·1992·第471页图10～19所示)作为压缩空气源，通过压力调节阀配制缝隙吹气射流空气所需的压力P_j和气量G_j后输送到与叶片空腔相联接的集气箱。这种供气方式的优点是压力P_j的配制与调控独立、使用非常方便；缺点是配用专用气源需增加设备投资，额外耗用电能，以及增大了设备占用的空间。

本发明的技术方案与现有技术(改变喷嘴叶片在涡轮喷嘴环叶栅内的安装角)的可变喷嘴涡轮调节方案相比，具有下列优点：

■取消了转动叶片(改变叶片安装角)的复杂机械执行机构——简化了调节机构，减小了安装调节机构占有的空间，降低了制造成本，减少了事故发生率。

■由于不需要预留转动叶片必需的叶片与涡轮进气壳壳体之间的间隙(该间隙须保证在叶片高温膨胀后仍不会对叶片转动产生卡滞、咬死、故间隙一般较大，致使产生较大的漏气损失，降低了涡轮效率，如朱大鑫编著·涡轮增压与涡轮增压器·北京·1992·第517页中介绍的实例所示)，因此，本发明方案不存在喷嘴环叶片端部的燃气漏气损失，且叶片的高温膨胀不会影响正常工作，故本发明可在转动叶片角度的现有技术方案至今仍不能应用的汽油机的涡轮增压器上实施可变喷嘴涡轮调节技术。

■消除了伴随叶片转动必然产生的喷嘴叶片进口大冲角绕流分离流动损失。在本发明技术方案中，流入喷嘴环叶栅的气流方向不随流量改变，因此在喷嘴叶片进口不会产生变工况引起的冲角分离流动损失，大大提高了喷嘴环叶栅变工况情况下的流动效率。另外，由于采用缝隙吹气进气绕流控制也大幅改善了叶型面边界层内的流动，消除或减少了叶面上的流动分离，提高了流动效率。因此，在大多数工况下，本发明方案不仅不会降低喷嘴环叶栅的流动效率，反而会比不采用缝隙吹气绕流控制措施时的常规绕流状态的效率高。

■本发明采用外加空气经缝隙射吹控制喷嘴环叶栅绕流的技术方案与现有技术(转动叶片改变安装角的)方案相比，本质上的不同还在于：

1、由缝隙吹气加入到栅内气流的外加空气，使流经喷嘴和/或叶轮的气量增大。依连续方程，这部分外加质量气流流经喷嘴和/或叶轮时，将使叶轮入口及喷嘴入口的气流总压产生一个附加的压力增升，外加气量越大，压力增升越大。如前所述，可变喷嘴涡轮调节的目的是通过改变喷嘴环叶片出口的流动截面积大小来改变涡轮进口(喷嘴环叶片进口)的燃气压力，进而改变增压压力的大小。因此，本发明方案除与可调叶片安装角涡轮喷嘴环现有技术方案一样具有变出口截面积改变增压压力的功能之外，还比后者多具备了利用外加空气质量调控增压压力的功能。因此，调节幅度的范围更大，调控效果更好。

2、外加缝隙射流空气对喷嘴环叶片与涡轮叶片和叶轮有冷却作用(若用中冷后的空气射吹，效果更佳)可允许对叶片和叶轮材质的耐热性能降低要求，这对汽油机涡轮增压器意义重大。

3、外加空气的加入，稀释了有害排放物的浓度，有利于达到环保要求。

附图说明

图1示出了由喷嘴叶片叶型的空心内腔经叶型背弧面上开割的槽缝顺栅内主流流动方向吹出的空气射流与喷嘴环叶栅流道内的燃气主流相互作用形成附着边界层和射流边界层的示意图。

图2示出的是在喷嘴环叶栅的叶型尾缘附近部位的缝隙吹气口处设置的射流偏转弧形导流板的结构示意图。

图3示出了径流式或混流式涡轮增压器用于减小喷嘴环叶片出口气流角的三种具有吹气槽缝的涡轮喷嘴环叶片叶型结构示意图——图3a～3c。

图4示出了轴流式涡轮增压器用于减小喷嘴环叶片出口气流角的三种具有吹气槽缝的涡轮喷嘴环叶片叶型结构示意图——图4a～4c。

图5示出了径流式或混流式涡轮增压器用于增大喷嘴环叶片出口气流角的三种具有吹气槽缝的涡轮喷嘴环叶片叶型结构示意图——图5a～5c。

图6示出了轴流式涡轮增压器用于增大喷嘴环叶片出口气流角的三种具有吹气槽缝的涡轮喷嘴环叶片叶型结构示意图——图6a～6c。

图7示出的是用于径流式涡轮增压器的本发明结构涡轮喷嘴环的一个示例的示意图。

具体实施方式

以下，通过实施例与结合附图对本发明的技术内容作进一步的描述。

如上所述，本发明的技术核心是利用外加压缩空气，经过喷嘴叶片的空心内腔，由叶型型面和/或尾缘部位开割的通流槽缝(尾缘槽缝后附安装有弧形导流板)顺流射吹喷嘴环叶栅流道内和/或叶栅出口的燃气主流，使缝隙射流与主流混合后的气流在喷嘴环出口产生流向不同于原主流方向的偏转，造成出口气流角(即出口流动截面积)的改变。通过压力调节阀对外加压缩空气的供气压力进行调控，就会使出口气流角按需要变化，满足不同工况对增压压力的需求。因此，本发明技术方案的涡轮喷嘴环结构与传统构造的涡轮喷嘴环结构不同，其差异之处在于：

▲叶片具有空心内腔，因此叶型剖面是由薄壁围成的空心叶型。为保证外加压缩空气供应充足、通畅，空心内腔应有足够大的截面积，致使叶型剖面积大幅增加(叶型仍以采用气动性能优良的机翼形为宜)。另外，喷嘴叶片的顶端和/或根端须与集气箱(环形腔室)相通，以引接外加压缩空气。

▲喷嘴环叶栅结构宜选用中弧线弯曲角大的叶型、加大叶型安装角和减小叶栅稠度(叶片数少的低稠度叶栅)，以使叶栅出口气流的落后角增大。这样可以充分发挥缝隙吹气能大幅改变出口气流角的优点，获得使出口流动截面积大幅改变的预期效果。

▲具有环形腔室状的外加空气输气室(集气箱)，以保证外加压缩空气由气源经压力调节阀调压流入集气箱后，能均匀、充足地流入各个喷嘴叶片的空心内腔。径流式或混流式涡轮增压器喷嘴环的集气箱安置在喷嘴叶片的轴向侧(右侧和/或左侧)；轴流式涡轮增压器喷嘴环的集气箱则安置在径向侧(外径侧和/或内径侧)。集气箱用接管(一个或数个)与压力调节阀的出口管道通连，管路截面积应足够大，以保证吹气量的充足供给。

图7示出了用于径流式涡轮增压器的本发明结构涡轮喷嘴环的一个例子的示意图。图中顶端盖板1和根端盖板3分别是喷嘴叶片2的顶端和根端的盖板，喷嘴叶片2是具有本发明结构用于减小出气角调控功能的叶型——在空心叶片叶型腹面与尾缘附近的背面壁面上开割有和空心内腔通连的吹气槽缝，根据工况需要，将外加压缩空气源供给、并经压力调节阀配制的合适压力的压缩空气流导入集气箱4，然后由集气箱均匀地分配至各个叶片的空心内腔，最后由叶型壁面和尾缘部位处的槽缝吹出，形成空气射流。为加强射流对叶栅出口气流流向的偏转作用，在尾部缝隙吹气口后加装了射流偏转弧形导流板5。空心叶片2(包括槽缝和弧形导流板5)可采用精密铸造(或用两块钣材按型面弧线模锻后封闭顶端并沿边缘对接焊接)再经机械加工制成一个完整的叶片单元构件，然后将各个叶片单元构件与端盖板1和3组合配装成喷嘴叶片环。根端盖板3上与叶片2配接的叶型廓线孔可用精铸工艺在制作根端盖板3时一并做出；也可采用数控线切割机床或电火花机床辅以其它机械加工制作。叶片2穿过根端盖板3的叶型廓线孔后的伸出部分，可用焊接工艺沿叶型廓线焊住，这部分的吹气缝隙也要用焊接封闭但要保持伸出部分空心内腔的畅通。然后用螺栓衬以铜垫片将根端盖板3与同压力调节阀出口连接管6铸成一体的压盖7压紧，即可在叶片环轴向右侧形成集气箱4。

混流式涡轮增压器用的本发明结构的涡轮喷嘴环的构造与图7完全类似，但有一点不同：径流式涡轮级流入和流出喷嘴环的气流流向是径向(气流由半径大的进口位置沿与涡轮转轴垂直的方向“向心地”流向半径小的出口位置)，因此端盖板1、3和压盖7都是与转轴垂直的径向平面；混流式涡轮级流入和流出喷嘴环的气流流向是与转轴呈一定倾角的斜向流动，因此其端盖板1、3和压盖7都应是与流向平行的倾斜于转轴的锥面，其集气箱4也因此成为一个由锥形壁及其相垂直的锥形面构成的矩形截面环状腔室。

轴流式涡轮增压器用的本发明结构的涡轮喷嘴环的构造，与大中型燃气轮机装置的涡轮冷却技术中采用的吹气冷却导向叶片的结构完全相同(譬如玉钟铭编·舰船燃气轮机装置·北京·国防工业出版社·1981年·第122～125，234～236页，图7～19介绍展示的结构型式)。其特点是叶片环系由精密机械加工的各个叶片单元镶嵌装配组合而成，另外，因为流经叶片内腔的外加空气是由径向流入，故集气箱4(输送外加空气的环形腔室)应布置在叶片环的径向侧——外径侧和/或内径侧。

本发明方案喷嘴环所用外加压缩空气的压力调节，可采用最简单的电控电动压力调节阀，以涡轮增压器的压气机出口的增压压力值作为电控的反馈控制参数，实施节流控压调节。

Claims

1.一种涡轮喷嘴环，它由顶端盖板1、空心叶片2、根端盖板3和集气箱压盖7构成，其特征在于：在具有空心内腔的叶片2的叶型腹面(或背面)和/或尾缘部位的型面壁面上，开割有与空心内腔连通的吹气槽缝，尾缘吹气槽缝后附接装有射流偏转弧形导流板5，叶型腹面(或背面)吹气槽缝出口的宽度尺寸δ的择用范围为δ＝(0.02～0.06)a₁，尾缘部位吹气槽缝出口的宽度尺寸△的择用范围为△＝(0.03～0.10)a₂，式中a₁和a₂分别是喷嘴环叶栅叶型的壁面和尾部槽缝出口位置处叶栅流道的宽度尺寸(槽缝出口位置处叶栅流道圆的直径)。

2、按权利要求1所述的涡轮喷嘴环，其特征在于：射流偏转弧形导流板5的几何尺寸荐用范围为：导流板偏转角θ＝5°～50°，导流板弧长S＝(0.03～0.25)L，式中L——叶型中弧线总长度。