淺談內燃機用可變幾何渦輪增壓器噴嘴環葉型分析與設計

何奔

摘 要：可變幾何渦輪增壓技術已被認為是現代柴油機的關鍵技術之一。文章針對旋轉葉片式可變幾何渦輪增壓器噴嘴環，對各類型噴嘴環葉片做了分析與設計比較。

關鍵詞：可變幾何渦輪增壓器；噴嘴環；葉片；葉型

為了適應不斷嚴重的能源危機和更加嚴格的排放法規，深入探求燃燒過程的物理化學機理，尋求更為有效的組織柴油機燃燒過程的最佳途徑成為柴油機研究領域的重要課題。采用增壓技術可以大幅度的提升柴油機動力性，改善柴油機的油耗，提高經濟性。但隨著排放法規的日益嚴格，傳統的廢棄渦輪增壓器已不能滿足柴油機性能和排放的需求。由此催生出一系列新的增壓技術，可變幾何渦輪增壓技術便是其中一項。可變幾何渦輪增壓器由于可以在全工況范圍內實現與柴油機的良好匹配，且在渦輪流速比、增壓器工作效率等方面明顯優于其它型式的可變截面渦輪增壓器，因而獲得了很大的發展，并被認為是現代柴油機的關鍵技術之一。

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節方法主要有舌形擋板式、可變喉口式和旋轉葉片式。這里我們著重介紹旋轉葉片式可變幾何渦輪增壓器。

旋轉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現與柴油機在各個轉速下的最佳匹配。發動機低轉速運轉時，旋轉噴嘴環葉片，減小噴嘴環截面積，渦輪轉速上升，增壓壓力增加，保證了低轉速時的增壓壓力和進氣量，提高了空燃比，使燃料充分燃燒，防止了冒黑煙問題的產生；發動機高轉速運轉時，反方向旋轉噴嘴環葉片，增大噴嘴環截面積，渦輪轉速下降，防止增壓器超速。發動機加速時，為了提高增壓器的響應速度，可以減少噴嘴環截面積，提高增壓器轉速，從而提高增壓壓力和進氣量，滿足瞬態工作時的進氣要求。旋轉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 可調噴嘴環葉片的結構形式

噴嘴環又可稱為葉片導向器，其作用就是將來自渦輪殼的燃氣按一定方向送入葉輪并賦予葉輪一定的圓周速度。噴嘴環是由一個環形的葉柵組成，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向葉片。這種葉片按其造型主要有島狀葉型、薄板葉型、對稱葉型以及氣動葉型等幾種形式。為了更好地說明選擇氣動葉型對原有噴嘴環進行改進的原因，現將幾種葉型進行比較，并適當說明各自優缺點進行比較選取。

2.1 島狀葉型

島狀葉型是一種非對稱的楔形葉型。為了方便加工，流道出口兩側的型面都是平面，兩者相互平行，流道喉部有寬度。出氣邊有一定的厚度，以保證噴嘴環葉片出氣邊的強度。厚度不應太大，以免引起較大的尾跡損失。這種葉型容易設計也比較容易加工，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，這種葉型的缺點就是，葉柵出口的氣流角將沿著柵距產生一定的變化。另外，這種葉型型面上的壓力分布不夠理想，流動損失較高，速度系數？漬一般只能達到0.94～0.95，并且在低馬赫數時降低較多，故這種葉型不適用于低馬赫數工況。

2.2 薄板葉型

薄板葉型的氣動效果較差，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變型以擴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 對稱葉型

這也是一種非氣動葉型，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。這種葉型如果設計得當，利用這種簡單的對稱葉型也能獲得滿意的？漬值。由于這種葉型具有對稱的形狀，因此，它的優點就在于可以適應徑流式渦輪反向運動的要求。

2.4 氣動葉型

根據氣動原則研制成的這種葉型具有較好的氣動性能，它的葉片設計主要依靠把軸流壓氣機葉柵轉換為徑向葉柵，因此絕大多數氣動葉型噴嘴環葉片都是以NACA在1940年至1960年間的軸流壓氣機葉柵試驗的基礎上進行設計的。Pampreen（1972）、Senoo（1983）、Japikse（1984）和Senoo（1984）給出了關于氣動葉型式噴嘴環的數據庫。一般來講，當徑流式渦輪使用這種噴嘴環葉片時，渦輪的效率比使用非氣動葉型的渦輪效率要提高1%～2%。因此，在小功率燃氣輪機的徑流式渦輪中大多使用經過精心研制出來的氣動葉型，這時，工藝、成本等方面的要求已退居第二位了。

3 噴嘴環葉片的參數選擇與葉型設計

文章中的噴嘴環葉片是在原某型渦輪增壓器的對稱型噴嘴環葉片的基礎上進行改進設計的，在不改變原有葉輪部分的基礎上，將葉型進行優化改進。其中的一些幾何尺寸是通過三位坐標測繪出來的，其設計過程如下。

在設計噴嘴環時，要考慮導入氣體時，應使氣體通過噴嘴環的損失盡可能小。為了減少氣體通過噴嘴環的損失，應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，完成一定的能量轉換，以一定的速度進入渦輪葉輪。進行噴嘴環設計時，是根據渦輪進口直徑來確定噴嘴環外徑和葉片徑向長度的。噴嘴環內徑與葉輪之間有一段間隙，這個徑向間隙的作用在于：噴嘴環出口處由于有一定厚度，所以從噴嘴環出來的氣流在圓周方向是不均勻的，在這個徑向間隙中，氣流經均勻后再進入葉輪是比較有利的。另外，當渦輪長期在不干凈氣體中工作時，氣流中夾帶的微粒的動能不足以克服離心力時，微粒就會被甩出來撞在噴嘴環葉片出口邊緣，長時間作用后就會形成侵蝕現象。增加一個徑向間隙后，微粒的運動軌跡增大了，達不到噴嘴環葉片就又同氣流一起進入葉輪中。噴嘴環的葉片高度一般和葉輪進口的葉高取得一樣。

4 結束語

文章介紹了廢氣渦輪增壓器的優點以及工作原理，并且通過幾種可變幾何渦輪增壓調節方法的比較，得出旋轉葉片式可變幾何渦輪增壓器是目前采用最為廣泛的可調方法。通過對導向葉片現有的幾種葉型的分析比較，選取氣動葉型對現有噴嘴環葉柵進行再設計。在不改變原有渦輪增壓器渦輪部分的渦殼和渦輪葉片的基礎上，計算噴嘴環葉片的各種幾何和形狀參數，確定了中弧線的半徑，根據航空系列型機翼葉片壓力面和吸力面的分布規律確定了葉片沿中弧線的分布厚度，得到了重新設計后的氣動葉型噴嘴環葉柵。

參考文獻

[1]陸家祥.柴油機渦輪增壓技術[M].機械工業出版社，1999.

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

[3]馬朝臣，朱慶，楊長茂.渦輪調節方式對增壓柴油機匹配性能的影響[J].內燃機學報，2000，18（2）.

[4]王滸. VNT增壓器對高壓共軌柴油機性能和排放[D].天津大學，2008.

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

摘 要：可變幾何渦輪增壓技術已被認為是現代柴油機的關鍵技術之一。文章針對旋轉葉片式可變幾何渦輪增壓器噴嘴環，對各類型噴嘴環葉片做了分析與設計比較。

關鍵詞：可變幾何渦輪增壓器；噴嘴環；葉片；葉型

為了適應不斷嚴重的能源危機和更加嚴格的排放法規，深入探求燃燒過程的物理化學機理，尋求更為有效的組織柴油機燃燒過程的最佳途徑成為柴油機研究領域的重要課題。采用增壓技術可以大幅度的提升柴油機動力性，改善柴油機的油耗，提高經濟性。但隨著排放法規的日益嚴格，傳統的廢棄渦輪增壓器已不能滿足柴油機性能和排放的需求。由此催生出一系列新的增壓技術，可變幾何渦輪增壓技術便是其中一項。可變幾何渦輪增壓器由于可以在全工況范圍內實現與柴油機的良好匹配，且在渦輪流速比、增壓器工作效率等方面明顯優于其它型式的可變截面渦輪增壓器，因而獲得了很大的發展，并被認為是現代柴油機的關鍵技術之一。

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節方法主要有舌形擋板式、可變喉口式和旋轉葉片式。這里我們著重介紹旋轉葉片式可變幾何渦輪增壓器。

旋轉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現與柴油機在各個轉速下的最佳匹配。發動機低轉速運轉時，旋轉噴嘴環葉片，減小噴嘴環截面積，渦輪轉速上升，增壓壓力增加，保證了低轉速時的增壓壓力和進氣量，提高了空燃比，使燃料充分燃燒，防止了冒黑煙問題的產生；發動機高轉速運轉時，反方向旋轉噴嘴環葉片，增大噴嘴環截面積，渦輪轉速下降，防止增壓器超速。發動機加速時，為了提高增壓器的響應速度，可以減少噴嘴環截面積，提高增壓器轉速，從而提高增壓壓力和進氣量，滿足瞬態工作時的進氣要求。旋轉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 可調噴嘴環葉片的結構形式

噴嘴環又可稱為葉片導向器，其作用就是將來自渦輪殼的燃氣按一定方向送入葉輪并賦予葉輪一定的圓周速度。噴嘴環是由一個環形的葉柵組成，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向葉片。這種葉片按其造型主要有島狀葉型、薄板葉型、對稱葉型以及氣動葉型等幾種形式。為了更好地說明選擇氣動葉型對原有噴嘴環進行改進的原因，現將幾種葉型進行比較，并適當說明各自優缺點進行比較選取。

2.1 島狀葉型

島狀葉型是一種非對稱的楔形葉型。為了方便加工，流道出口兩側的型面都是平面，兩者相互平行，流道喉部有寬度。出氣邊有一定的厚度，以保證噴嘴環葉片出氣邊的強度。厚度不應太大，以免引起較大的尾跡損失。這種葉型容易設計也比較容易加工，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，這種葉型的缺點就是，葉柵出口的氣流角將沿著柵距產生一定的變化。另外，這種葉型型面上的壓力分布不夠理想，流動損失較高，速度系數？漬一般只能達到0.94～0.95，并且在低馬赫數時降低較多，故這種葉型不適用于低馬赫數工況。

2.2 薄板葉型

薄板葉型的氣動效果較差，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變型以擴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 對稱葉型

這也是一種非氣動葉型，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。這種葉型如果設計得當，利用這種簡單的對稱葉型也能獲得滿意的？漬值。由于這種葉型具有對稱的形狀，因此，它的優點就在于可以適應徑流式渦輪反向運動的要求。

2.4 氣動葉型

根據氣動原則研制成的這種葉型具有較好的氣動性能，它的葉片設計主要依靠把軸流壓氣機葉柵轉換為徑向葉柵，因此絕大多數氣動葉型噴嘴環葉片都是以NACA在1940年至1960年間的軸流壓氣機葉柵試驗的基礎上進行設計的。Pampreen（1972）、Senoo（1983）、Japikse（1984）和Senoo（1984）給出了關于氣動葉型式噴嘴環的數據庫。一般來講，當徑流式渦輪使用這種噴嘴環葉片時，渦輪的效率比使用非氣動葉型的渦輪效率要提高1%～2%。因此，在小功率燃氣輪機的徑流式渦輪中大多使用經過精心研制出來的氣動葉型，這時，工藝、成本等方面的要求已退居第二位了。

3 噴嘴環葉片的參數選擇與葉型設計

文章中的噴嘴環葉片是在原某型渦輪增壓器的對稱型噴嘴環葉片的基礎上進行改進設計的，在不改變原有葉輪部分的基礎上，將葉型進行優化改進。其中的一些幾何尺寸是通過三位坐標測繪出來的，其設計過程如下。

在設計噴嘴環時，要考慮導入氣體時，應使氣體通過噴嘴環的損失盡可能小。為了減少氣體通過噴嘴環的損失，應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，完成一定的能量轉換，以一定的速度進入渦輪葉輪。進行噴嘴環設計時，是根據渦輪進口直徑來確定噴嘴環外徑和葉片徑向長度的。噴嘴環內徑與葉輪之間有一段間隙，這個徑向間隙的作用在于：噴嘴環出口處由于有一定厚度，所以從噴嘴環出來的氣流在圓周方向是不均勻的，在這個徑向間隙中，氣流經均勻后再進入葉輪是比較有利的。另外，當渦輪長期在不干凈氣體中工作時，氣流中夾帶的微粒的動能不足以克服離心力時，微粒就會被甩出來撞在噴嘴環葉片出口邊緣，長時間作用后就會形成侵蝕現象。增加一個徑向間隙后，微粒的運動軌跡增大了，達不到噴嘴環葉片就又同氣流一起進入葉輪中。噴嘴環的葉片高度一般和葉輪進口的葉高取得一樣。

4 結束語

文章介紹了廢氣渦輪增壓器的優點以及工作原理，并且通過幾種可變幾何渦輪增壓調節方法的比較，得出旋轉葉片式可變幾何渦輪增壓器是目前采用最為廣泛的可調方法。通過對導向葉片現有的幾種葉型的分析比較，選取氣動葉型對現有噴嘴環葉柵進行再設計。在不改變原有渦輪增壓器渦輪部分的渦殼和渦輪葉片的基礎上，計算噴嘴環葉片的各種幾何和形狀參數，確定了中弧線的半徑，根據航空系列型機翼葉片壓力面和吸力面的分布規律確定了葉片沿中弧線的分布厚度，得到了重新設計后的氣動葉型噴嘴環葉柵。

參考文獻

[1]陸家祥.柴油機渦輪增壓技術[M].機械工業出版社，1999.

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

[3]馬朝臣，朱慶，楊長茂.渦輪調節方式對增壓柴油機匹配性能的影響[J].內燃機學報，2000，18（2）.

[4]王滸. VNT增壓器對高壓共軌柴油機性能和排放[D].天津大學，2008.

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

摘 要：可變幾何渦輪增壓技術已被認為是現代柴油機的關鍵技術之一。文章針對旋轉葉片式可變幾何渦輪增壓器噴嘴環，對各類型噴嘴環葉片做了分析與設計比較。

關鍵詞：可變幾何渦輪增壓器；噴嘴環；葉片；葉型

為了適應不斷嚴重的能源危機和更加嚴格的排放法規，深入探求燃燒過程的物理化學機理，尋求更為有效的組織柴油機燃燒過程的最佳途徑成為柴油機研究領域的重要課題。采用增壓技術可以大幅度的提升柴油機動力性，改善柴油機的油耗，提高經濟性。但隨著排放法規的日益嚴格，傳統的廢棄渦輪增壓器已不能滿足柴油機性能和排放的需求。由此催生出一系列新的增壓技術，可變幾何渦輪增壓技術便是其中一項。可變幾何渦輪增壓器由于可以在全工況范圍內實現與柴油機的良好匹配，且在渦輪流速比、增壓器工作效率等方面明顯優于其它型式的可變截面渦輪增壓器，因而獲得了很大的發展，并被認為是現代柴油機的關鍵技術之一。

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節方法主要有舌形擋板式、可變喉口式和旋轉葉片式。這里我們著重介紹旋轉葉片式可變幾何渦輪增壓器。

旋轉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現與柴油機在各個轉速下的最佳匹配。發動機低轉速運轉時，旋轉噴嘴環葉片，減小噴嘴環截面積，渦輪轉速上升，增壓壓力增加，保證了低轉速時的增壓壓力和進氣量，提高了空燃比，使燃料充分燃燒，防止了冒黑煙問題的產生；發動機高轉速運轉時，反方向旋轉噴嘴環葉片，增大噴嘴環截面積，渦輪轉速下降，防止增壓器超速。發動機加速時，為了提高增壓器的響應速度，可以減少噴嘴環截面積，提高增壓器轉速，從而提高增壓壓力和進氣量，滿足瞬態工作時的進氣要求。旋轉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 可調噴嘴環葉片的結構形式

噴嘴環又可稱為葉片導向器，其作用就是將來自渦輪殼的燃氣按一定方向送入葉輪并賦予葉輪一定的圓周速度。噴嘴環是由一個環形的葉柵組成，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向葉片。這種葉片按其造型主要有島狀葉型、薄板葉型、對稱葉型以及氣動葉型等幾種形式。為了更好地說明選擇氣動葉型對原有噴嘴環進行改進的原因，現將幾種葉型進行比較，并適當說明各自優缺點進行比較選取。

2.1 島狀葉型

島狀葉型是一種非對稱的楔形葉型。為了方便加工，流道出口兩側的型面都是平面，兩者相互平行，流道喉部有寬度。出氣邊有一定的厚度，以保證噴嘴環葉片出氣邊的強度。厚度不應太大，以免引起較大的尾跡損失。這種葉型容易設計也比較容易加工，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，這種葉型的缺點就是，葉柵出口的氣流角將沿著柵距產生一定的變化。另外，這種葉型型面上的壓力分布不夠理想，流動損失較高，速度系數？漬一般只能達到0.94～0.95，并且在低馬赫數時降低較多，故這種葉型不適用于低馬赫數工況。

2.2 薄板葉型

薄板葉型的氣動效果較差，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變型以擴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 對稱葉型

這也是一種非氣動葉型，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。這種葉型如果設計得當，利用這種簡單的對稱葉型也能獲得滿意的？漬值。由于這種葉型具有對稱的形狀，因此，它的優點就在于可以適應徑流式渦輪反向運動的要求。

2.4 氣動葉型

根據氣動原則研制成的這種葉型具有較好的氣動性能，它的葉片設計主要依靠把軸流壓氣機葉柵轉換為徑向葉柵，因此絕大多數氣動葉型噴嘴環葉片都是以NACA在1940年至1960年間的軸流壓氣機葉柵試驗的基礎上進行設計的。Pampreen（1972）、Senoo（1983）、Japikse（1984）和Senoo（1984）給出了關于氣動葉型式噴嘴環的數據庫。一般來講，當徑流式渦輪使用這種噴嘴環葉片時，渦輪的效率比使用非氣動葉型的渦輪效率要提高1%～2%。因此，在小功率燃氣輪機的徑流式渦輪中大多使用經過精心研制出來的氣動葉型，這時，工藝、成本等方面的要求已退居第二位了。

3 噴嘴環葉片的參數選擇與葉型設計

文章中的噴嘴環葉片是在原某型渦輪增壓器的對稱型噴嘴環葉片的基礎上進行改進設計的，在不改變原有葉輪部分的基礎上，將葉型進行優化改進。其中的一些幾何尺寸是通過三位坐標測繪出來的，其設計過程如下。

在設計噴嘴環時，要考慮導入氣體時，應使氣體通過噴嘴環的損失盡可能小。為了減少氣體通過噴嘴環的損失，應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，完成一定的能量轉換，以一定的速度進入渦輪葉輪。進行噴嘴環設計時，是根據渦輪進口直徑來確定噴嘴環外徑和葉片徑向長度的。噴嘴環內徑與葉輪之間有一段間隙，這個徑向間隙的作用在于：噴嘴環出口處由于有一定厚度，所以從噴嘴環出來的氣流在圓周方向是不均勻的，在這個徑向間隙中，氣流經均勻后再進入葉輪是比較有利的。另外，當渦輪長期在不干凈氣體中工作時，氣流中夾帶的微粒的動能不足以克服離心力時，微粒就會被甩出來撞在噴嘴環葉片出口邊緣，長時間作用后就會形成侵蝕現象。增加一個徑向間隙后，微粒的運動軌跡增大了，達不到噴嘴環葉片就又同氣流一起進入葉輪中。噴嘴環的葉片高度一般和葉輪進口的葉高取得一樣。

4 結束語

文章介紹了廢氣渦輪增壓器的優點以及工作原理，并且通過幾種可變幾何渦輪增壓調節方法的比較，得出旋轉葉片式可變幾何渦輪增壓器是目前采用最為廣泛的可調方法。通過對導向葉片現有的幾種葉型的分析比較，選取氣動葉型對現有噴嘴環葉柵進行再設計。在不改變原有渦輪增壓器渦輪部分的渦殼和渦輪葉片的基礎上，計算噴嘴環葉片的各種幾何和形狀參數，確定了中弧線的半徑，根據航空系列型機翼葉片壓力面和吸力面的分布規律確定了葉片沿中弧線的分布厚度，得到了重新設計后的氣動葉型噴嘴環葉柵。

參考文獻

[1]陸家祥.柴油機渦輪增壓技術[M].機械工業出版社，1999.

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

[3]馬朝臣，朱慶，楊長茂.渦輪調節方式對增壓柴油機匹配性能的影響[J].內燃機學報，2000，18（2）.

[4]王滸. VNT增壓器對高壓共軌柴油機性能和排放[D].天津大學，2008.

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