浅谈内燃机用可变几何涡轮增压器喷嘴环叶型分析与设计

何奔

摘 要：可变几何涡轮增压技术已被认为是现代柴油机的关键技术之一。文章针对旋转叶片式可变几何涡轮增压器喷嘴环，对各类型喷嘴环叶片做了分析与设计比较。

关键词：可变几何涡轮增压器；喷嘴环；叶片；叶型

为了适应不断严重的能源危机和更加严格的排放法规，深入探求燃烧过程的物理化学机理，寻求更为有效的组织柴油机燃烧过程的最佳途径成为柴油机研究领域的重要课题。采用增压技术可以大幅度的提升柴油机动力性，改善柴油机的油耗，提高经济性。但随着排放法规的日益严格，传统的废弃涡轮增压器已不能满足柴油机性能和排放的需求。由此催生出一系列新的增压技术，可变几何涡轮增压技术便是其中一项。可变几何涡轮增压器由于可以在全工况范围内实现与柴油机的良好匹配，且在涡轮流速比、增压器工作效率等方面明显优于其它型式的可变截面涡轮增压器，因而获得了很大的发展，并被认为是现代柴油机的关键技术之一。

1 可变几何涡轮增压器工作原理

可变几何涡轮增压器的调节方法主要有舌形挡板式、可变喉口式和旋转叶片式。这里我们着重介绍旋转叶片式可变几何涡轮增压器。

旋转叶片式可变几何涡轮增压器（如图1所示）是通过改变涡轮的流通截面来实现与柴油机在各个转速下的最佳匹配。发动机低转速运转时，旋转喷嘴环叶片，减小喷嘴环截面积，涡轮转速上升，增压压力增加，保证了低转速时的增压压力和进气量，提高了空燃比，使燃料充分燃烧，防止了冒黑烟问题的产生；发动机高转速运转时，反方向旋转喷嘴环叶片，增大喷嘴环截面积，涡轮转速下降，防止增压器超速。发动机加速时，为了提高增压器的响应速度，可以减少喷嘴环截面积，提高增压器转速，从而提高增压压力和进气量，满足瞬态工作时的进气要求。旋转叶片式可变几何涡轮增压器是目前采用的最为广泛的方法。

2 可调喷嘴环叶片的结构形式

喷嘴环又可称为叶片导向器，其作用就是将来自涡轮壳的燃气按一定方向送入叶轮并赋予叶轮一定的圆周速度。喷嘴环是由一个环形的叶栅组成，叶片按其流道的形状分为减缩的和缩放的。为了简化叶片的制造工艺和改善它的变工况性能，目前主要使用具有渐缩形流道的导向叶片。这种叶片按其造型主要有岛状叶型、薄板叶型、对称叶型以及气动叶型等几种形式。为了更好地说明选择气动叶型对原有喷嘴环进行改进的原因，现将几种叶型进行比较，并适当说明各自优缺点进行比较选取。

2.1 岛状叶型

岛状叶型是一种非对称的楔形叶型。为了方便加工，流道出口两侧的型面都是平面，两者相互平行，流道喉部有宽度。出气边有一定的厚度，以保证喷嘴环叶片出气边的强度。厚度不应太大，以免引起较大的尾迹损失。这种叶型容易设计也比较容易加工，不过，其吸力面的出口角小于压力面出口角，两者的差值等于叶型出口的锥角在8°～14°之间。因此，这种叶型的缺点就是，叶栅出口的气流角将沿着栅距产生一定的变化。另外，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？渍一般只能达到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。

2.2 薄板叶型

薄板叶型的气动效果较差，但是他的制造成本低廉。另外，利用这种叶型能比较容易地获得若干个变型以扩大增压器的匹配范围。这种叶型的成型方法和岛状叶型相似。

2.3 对称叶型

这也是一种非气动叶型，这种叶型的中弧线为一条直线，背、腹两面均为平面，两者之间存在夹角。这种叶型如果设计得当，利用这种简单的对称叶型也能获得满意的？渍值。由于这种叶型具有对称的形状，因此，它的优点就在于可以适应径流式涡轮反向运动的要求。

2.4 气动叶型

根据气动原则研制成的这种叶型具有较好的气动性能，它的叶片设计主要依靠把轴流压气机叶栅转换为径向叶栅，因此绝大多数气动叶型喷嘴环叶片都是以NACA在1940年至1960年间的轴流压气机叶栅试验的基础上进行设计的。Pampreen（1972）、Senoo（1983）、Japikse（1984）和Senoo（1984）给出了关于气动叶型式喷嘴环的数据库。一般来讲，当径流式涡轮使用这种喷嘴环叶片时，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。

3 喷嘴环叶片的参数选择与叶型设计

文章中的喷嘴环叶片是在原某型涡轮增压器的对称型喷嘴环叶片的基础上进行改进设计的，在不改变原有叶轮部分的基础上，将叶型进行优化改进。其中的一些几何尺寸是通过三位坐标测绘出来的，其设计过程如下。

在设计喷嘴环时，要考虑导入气体时，应使气体通过喷嘴环的损失尽可能小。为了减少气体通过喷嘴环的损失，应减少气体通过叶片槽道的摩擦损失，因此，必须控制叶片的径向长度和叶片数目。叶片的径向长度是为了保证叶片通道均匀收敛，并使气体通过叶片通道时，完成一定的能量转换，以一定的速度进入涡轮叶轮。进行喷嘴环设计时，是根据涡轮进口直径来确定喷嘴环外径和叶片径向长度的。喷嘴环内径与叶轮之间有一段间隙，这个径向间隙的作用在于：喷嘴环出口处由于有一定厚度，所以从喷嘴环出来的气流在圆周方向是不均匀的，在这个径向间隙中，气流经均匀后再进入叶轮是比较有利的。另外，当涡轮长期在不干净气体中工作时，气流中夹带的微粒的动能不足以克服离心力时，微粒就会被甩出来撞在喷嘴环叶片出口边缘，长时间作用后就会形成侵蚀现象。增加一个径向间隙后，微粒的运动轨迹增大了，达不到喷嘴环叶片就又同气流一起进入叶轮中。喷嘴环的叶片高度一般和叶轮进口的叶高取得一样。

4 结束语

文章介绍了废气涡轮增压器的优点以及工作原理，并且通过几种可变几何涡轮增压调节方法的比较，得出旋转叶片式可变几何涡轮增压器是目前采用最为广泛的可调方法。通过对导向叶片现有的几种叶型的分析比较，选取气动叶型对现有喷嘴环叶栅进行再设计。在不改变原有涡轮增压器涡轮部分的涡壳和涡轮叶片的基础上，计算喷嘴环叶片的各种几何和形状参数，确定了中弧线的半径，根据航空系列型机翼叶片压力面和吸力面的分布规律确定了叶片沿中弧线的分布厚度，得到了重新设计后的气动叶型喷嘴环叶栅。

参考文献

[1]陆家祥.柴油机涡轮增压技术[M].机械工业出版社，1999.

[2]牛志明.可变喷嘴涡轮增压器喷嘴面积对柴油机的影响[D].吉林大学，2004.

[3]马朝臣，朱庆，杨长茂.涡轮调节方式对增压柴油机匹配性能的影响[J].内燃机学报，2000，18（2）.

[4]王浒. VNT增压器对高压共轨柴油机性能和排放[D].天津大学，2008.

[5]林磊.可变喷嘴涡轮增压器与柴油机的匹配及其控制研究[D].北京交通大学，2010.

摘 要：可变几何涡轮增压技术已被认为是现代柴油机的关键技术之一。文章针对旋转叶片式可变几何涡轮增压器喷嘴环，对各类型喷嘴环叶片做了分析与设计比较。

关键词：可变几何涡轮增压器；喷嘴环；叶片；叶型

为了适应不断严重的能源危机和更加严格的排放法规，深入探求燃烧过程的物理化学机理，寻求更为有效的组织柴油机燃烧过程的最佳途径成为柴油机研究领域的重要课题。采用增压技术可以大幅度的提升柴油机动力性，改善柴油机的油耗，提高经济性。但随着排放法规的日益严格，传统的废弃涡轮增压器已不能满足柴油机性能和排放的需求。由此催生出一系列新的增压技术，可变几何涡轮增压技术便是其中一项。可变几何涡轮增压器由于可以在全工况范围内实现与柴油机的良好匹配，且在涡轮流速比、增压器工作效率等方面明显优于其它型式的可变截面涡轮增压器，因而获得了很大的发展，并被认为是现代柴油机的关键技术之一。

1 可变几何涡轮增压器工作原理

可变几何涡轮增压器的调节方法主要有舌形挡板式、可变喉口式和旋转叶片式。这里我们着重介绍旋转叶片式可变几何涡轮增压器。

旋转叶片式可变几何涡轮增压器（如图1所示）是通过改变涡轮的流通截面来实现与柴油机在各个转速下的最佳匹配。发动机低转速运转时，旋转喷嘴环叶片，减小喷嘴环截面积，涡轮转速上升，增压压力增加，保证了低转速时的增压压力和进气量，提高了空燃比，使燃料充分燃烧，防止了冒黑烟问题的产生；发动机高转速运转时，反方向旋转喷嘴环叶片，增大喷嘴环截面积，涡轮转速下降，防止增压器超速。发动机加速时，为了提高增压器的响应速度，可以减少喷嘴环截面积，提高增压器转速，从而提高增压压力和进气量，满足瞬态工作时的进气要求。旋转叶片式可变几何涡轮增压器是目前采用的最为广泛的方法。

2 可调喷嘴环叶片的结构形式

喷嘴环又可称为叶片导向器，其作用就是将来自涡轮壳的燃气按一定方向送入叶轮并赋予叶轮一定的圆周速度。喷嘴环是由一个环形的叶栅组成，叶片按其流道的形状分为减缩的和缩放的。为了简化叶片的制造工艺和改善它的变工况性能，目前主要使用具有渐缩形流道的导向叶片。这种叶片按其造型主要有岛状叶型、薄板叶型、对称叶型以及气动叶型等几种形式。为了更好地说明选择气动叶型对原有喷嘴环进行改进的原因，现将几种叶型进行比较，并适当说明各自优缺点进行比较选取。

2.1 岛状叶型

岛状叶型是一种非对称的楔形叶型。为了方便加工，流道出口两侧的型面都是平面，两者相互平行，流道喉部有宽度。出气边有一定的厚度，以保证喷嘴环叶片出气边的强度。厚度不应太大，以免引起较大的尾迹损失。这种叶型容易设计也比较容易加工，不过，其吸力面的出口角小于压力面出口角，两者的差值等于叶型出口的锥角在8°～14°之间。因此，这种叶型的缺点就是，叶栅出口的气流角将沿着栅距产生一定的变化。另外，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？渍一般只能达到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。

2.2 薄板叶型

薄板叶型的气动效果较差，但是他的制造成本低廉。另外，利用这种叶型能比较容易地获得若干个变型以扩大增压器的匹配范围。这种叶型的成型方法和岛状叶型相似。

2.3 对称叶型

这也是一种非气动叶型，这种叶型的中弧线为一条直线，背、腹两面均为平面，两者之间存在夹角。这种叶型如果设计得当，利用这种简单的对称叶型也能获得满意的？渍值。由于这种叶型具有对称的形状，因此，它的优点就在于可以适应径流式涡轮反向运动的要求。

2.4 气动叶型

根据气动原则研制成的这种叶型具有较好的气动性能，它的叶片设计主要依靠把轴流压气机叶栅转换为径向叶栅，因此绝大多数气动叶型喷嘴环叶片都是以NACA在1940年至1960年间的轴流压气机叶栅试验的基础上进行设计的。Pampreen（1972）、Senoo（1983）、Japikse（1984）和Senoo（1984）给出了关于气动叶型式喷嘴环的数据库。一般来讲，当径流式涡轮使用这种喷嘴环叶片时，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。

3 喷嘴环叶片的参数选择与叶型设计

文章中的喷嘴环叶片是在原某型涡轮增压器的对称型喷嘴环叶片的基础上进行改进设计的，在不改变原有叶轮部分的基础上，将叶型进行优化改进。其中的一些几何尺寸是通过三位坐标测绘出来的，其设计过程如下。

在设计喷嘴环时，要考虑导入气体时，应使气体通过喷嘴环的损失尽可能小。为了减少气体通过喷嘴环的损失，应减少气体通过叶片槽道的摩擦损失，因此，必须控制叶片的径向长度和叶片数目。叶片的径向长度是为了保证叶片通道均匀收敛，并使气体通过叶片通道时，完成一定的能量转换，以一定的速度进入涡轮叶轮。进行喷嘴环设计时，是根据涡轮进口直径来确定喷嘴环外径和叶片径向长度的。喷嘴环内径与叶轮之间有一段间隙，这个径向间隙的作用在于：喷嘴环出口处由于有一定厚度，所以从喷嘴环出来的气流在圆周方向是不均匀的，在这个径向间隙中，气流经均匀后再进入叶轮是比较有利的。另外，当涡轮长期在不干净气体中工作时，气流中夹带的微粒的动能不足以克服离心力时，微粒就会被甩出来撞在喷嘴环叶片出口边缘，长时间作用后就会形成侵蚀现象。增加一个径向间隙后，微粒的运动轨迹增大了，达不到喷嘴环叶片就又同气流一起进入叶轮中。喷嘴环的叶片高度一般和叶轮进口的叶高取得一样。

4 结束语

文章介绍了废气涡轮增压器的优点以及工作原理，并且通过几种可变几何涡轮增压调节方法的比较，得出旋转叶片式可变几何涡轮增压器是目前采用最为广泛的可调方法。通过对导向叶片现有的几种叶型的分析比较，选取气动叶型对现有喷嘴环叶栅进行再设计。在不改变原有涡轮增压器涡轮部分的涡壳和涡轮叶片的基础上，计算喷嘴环叶片的各种几何和形状参数，确定了中弧线的半径，根据航空系列型机翼叶片压力面和吸力面的分布规律确定了叶片沿中弧线的分布厚度，得到了重新设计后的气动叶型喷嘴环叶栅。

参考文献

[1]陆家祥.柴油机涡轮增压技术[M].机械工业出版社，1999.

[2]牛志明.可变喷嘴涡轮增压器喷嘴面积对柴油机的影响[D].吉林大学，2004.

[3]马朝臣，朱庆，杨长茂.涡轮调节方式对增压柴油机匹配性能的影响[J].内燃机学报，2000，18（2）.

[4]王浒. VNT增压器对高压共轨柴油机性能和排放[D].天津大学，2008.

[5]林磊.可变喷嘴涡轮增压器与柴油机的匹配及其控制研究[D].北京交通大学，2010.

摘 要：可变几何涡轮增压技术已被认为是现代柴油机的关键技术之一。文章针对旋转叶片式可变几何涡轮增压器喷嘴环，对各类型喷嘴环叶片做了分析与设计比较。

关键词：可变几何涡轮增压器；喷嘴环；叶片；叶型

为了适应不断严重的能源危机和更加严格的排放法规，深入探求燃烧过程的物理化学机理，寻求更为有效的组织柴油机燃烧过程的最佳途径成为柴油机研究领域的重要课题。采用增压技术可以大幅度的提升柴油机动力性，改善柴油机的油耗，提高经济性。但随着排放法规的日益严格，传统的废弃涡轮增压器已不能满足柴油机性能和排放的需求。由此催生出一系列新的增压技术，可变几何涡轮增压技术便是其中一项。可变几何涡轮增压器由于可以在全工况范围内实现与柴油机的良好匹配，且在涡轮流速比、增压器工作效率等方面明显优于其它型式的可变截面涡轮增压器，因而获得了很大的发展，并被认为是现代柴油机的关键技术之一。

1 可变几何涡轮增压器工作原理

可变几何涡轮增压器的调节方法主要有舌形挡板式、可变喉口式和旋转叶片式。这里我们着重介绍旋转叶片式可变几何涡轮增压器。

旋转叶片式可变几何涡轮增压器（如图1所示）是通过改变涡轮的流通截面来实现与柴油机在各个转速下的最佳匹配。发动机低转速运转时，旋转喷嘴环叶片，减小喷嘴环截面积，涡轮转速上升，增压压力增加，保证了低转速时的增压压力和进气量，提高了空燃比，使燃料充分燃烧，防止了冒黑烟问题的产生；发动机高转速运转时，反方向旋转喷嘴环叶片，增大喷嘴环截面积，涡轮转速下降，防止增压器超速。发动机加速时，为了提高增压器的响应速度，可以减少喷嘴环截面积，提高增压器转速，从而提高增压压力和进气量，满足瞬态工作时的进气要求。旋转叶片式可变几何涡轮增压器是目前采用的最为广泛的方法。

2 可调喷嘴环叶片的结构形式

喷嘴环又可称为叶片导向器，其作用就是将来自涡轮壳的燃气按一定方向送入叶轮并赋予叶轮一定的圆周速度。喷嘴环是由一个环形的叶栅组成，叶片按其流道的形状分为减缩的和缩放的。为了简化叶片的制造工艺和改善它的变工况性能，目前主要使用具有渐缩形流道的导向叶片。这种叶片按其造型主要有岛状叶型、薄板叶型、对称叶型以及气动叶型等几种形式。为了更好地说明选择气动叶型对原有喷嘴环进行改进的原因，现将几种叶型进行比较，并适当说明各自优缺点进行比较选取。

2.1 岛状叶型

岛状叶型是一种非对称的楔形叶型。为了方便加工，流道出口两侧的型面都是平面，两者相互平行，流道喉部有宽度。出气边有一定的厚度，以保证喷嘴环叶片出气边的强度。厚度不应太大，以免引起较大的尾迹损失。这种叶型容易设计也比较容易加工，不过，其吸力面的出口角小于压力面出口角，两者的差值等于叶型出口的锥角在8°～14°之间。因此，这种叶型的缺点就是，叶栅出口的气流角将沿着栅距产生一定的变化。另外，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？渍一般只能达到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。

2.2 薄板叶型

薄板叶型的气动效果较差，但是他的制造成本低廉。另外，利用这种叶型能比较容易地获得若干个变型以扩大增压器的匹配范围。这种叶型的成型方法和岛状叶型相似。

2.3 对称叶型

这也是一种非气动叶型，这种叶型的中弧线为一条直线，背、腹两面均为平面，两者之间存在夹角。这种叶型如果设计得当，利用这种简单的对称叶型也能获得满意的？渍值。由于这种叶型具有对称的形状，因此，它的优点就在于可以适应径流式涡轮反向运动的要求。

2.4 气动叶型

根据气动原则研制成的这种叶型具有较好的气动性能，它的叶片设计主要依靠把轴流压气机叶栅转换为径向叶栅，因此绝大多数气动叶型喷嘴环叶片都是以NACA在1940年至1960年间的轴流压气机叶栅试验的基础上进行设计的。Pampreen（1972）、Senoo（1983）、Japikse（1984）和Senoo（1984）给出了关于气动叶型式喷嘴环的数据库。一般来讲，当径流式涡轮使用这种喷嘴环叶片时，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。

3 喷嘴环叶片的参数选择与叶型设计

文章中的喷嘴环叶片是在原某型涡轮增压器的对称型喷嘴环叶片的基础上进行改进设计的，在不改变原有叶轮部分的基础上，将叶型进行优化改进。其中的一些几何尺寸是通过三位坐标测绘出来的，其设计过程如下。

在设计喷嘴环时，要考虑导入气体时，应使气体通过喷嘴环的损失尽可能小。为了减少气体通过喷嘴环的损失，应减少气体通过叶片槽道的摩擦损失，因此，必须控制叶片的径向长度和叶片数目。叶片的径向长度是为了保证叶片通道均匀收敛，并使气体通过叶片通道时，完成一定的能量转换，以一定的速度进入涡轮叶轮。进行喷嘴环设计时，是根据涡轮进口直径来确定喷嘴环外径和叶片径向长度的。喷嘴环内径与叶轮之间有一段间隙，这个径向间隙的作用在于：喷嘴环出口处由于有一定厚度，所以从喷嘴环出来的气流在圆周方向是不均匀的，在这个径向间隙中，气流经均匀后再进入叶轮是比较有利的。另外，当涡轮长期在不干净气体中工作时，气流中夹带的微粒的动能不足以克服离心力时，微粒就会被甩出来撞在喷嘴环叶片出口边缘，长时间作用后就会形成侵蚀现象。增加一个径向间隙后，微粒的运动轨迹增大了，达不到喷嘴环叶片就又同气流一起进入叶轮中。喷嘴环的叶片高度一般和叶轮进口的叶高取得一样。

4 结束语

文章介绍了废气涡轮增压器的优点以及工作原理，并且通过几种可变几何涡轮增压调节方法的比较，得出旋转叶片式可变几何涡轮增压器是目前采用最为广泛的可调方法。通过对导向叶片现有的几种叶型的分析比较，选取气动叶型对现有喷嘴环叶栅进行再设计。在不改变原有涡轮增压器涡轮部分的涡壳和涡轮叶片的基础上，计算喷嘴环叶片的各种几何和形状参数，确定了中弧线的半径，根据航空系列型机翼叶片压力面和吸力面的分布规律确定了叶片沿中弧线的分布厚度，得到了重新设计后的气动叶型喷嘴环叶栅。

参考文献

[1]陆家祥.柴油机涡轮增压技术[M].机械工业出版社，1999.

[2]牛志明.可变喷嘴涡轮增压器喷嘴面积对柴油机的影响[D].吉林大学，2004.

[3]马朝臣，朱庆，杨长茂.涡轮调节方式对增压柴油机匹配性能的影响[J].内燃机学报，2000，18（2）.

[4]王浒. VNT增压器对高压共轨柴油机性能和排放[D].天津大学，2008.

[5]林磊.可变喷嘴涡轮增压器与柴油机的匹配及其控制研究[D].北京交通大学，2010.