专利名称：可变几何涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可变几何涡轮机。该可变几何涡轮机可以例如形成涡轮增压器的一部分。
背景技术：
涡轮增压器是众所周知的以高于大气压的压カ(増加压カ)向内燃机的进气口供给空气的装置。传统的涡轮增压器基本上包括安装在涡轮机壳体内旋转轴上的由废气驱动的涡轮机叶轮，所述涡轮机壳体被连接到发动机出口歧管的下游。涡轮机叶轮的旋转使安装在压缩机壳体内旋转轴另一端上的压缩机叶轮旋转。压缩机叶轮向发动机进气ロ歧管输送压缩空气。涡轮增压器轴一般被包括适当润滑系统的轴颈和推力轴承支撑，其位于连接涡轮机和压缩机叶轮壳体之间的中心轴承座内。典型的涡轮增压器中的涡轮机部分包括其中安装有涡轮机叶轮的涡轮机腔室；限定于环绕涡轮机腔室设置的相对径向壁之间的环形进气ロ ；环绕环形进气ロ设置的进气ロ涡壳；以及自涡轮机腔室延伸的出ロ通道。所述通道与涡轮机腔室连通，使得进入进气ロ涡壳的增压废气通过进气ロ经过涡轮机流到出口通道，同时使涡轮机叶轮旋转。此外已知的是，通过在进气口内设置叶片(称之为喷嘴叶片)来提高涡轮机的性能以便使流动通过进气ロ的气体偏转。也就是说，流动通过环形进气ロ的气体流动通过进气通道(其由相邻的叶片所限定)，上述进气通道可引起气流涡旋，使流动方向朝向涡轮机叶轮的旋转方向偏转。涡轮机可以具有固定或者可变几何类型。可变几何涡轮机与固定几何涡轮机的区别在于其进气ロ的尺寸可以改变以便在气体质量流率范围内优化气体流速，这样涡轮机的输出功率可以改变以便适应不同的发动机要求。例如，当传送到涡轮机的废气量相对低吋，到达涡轮机叶轮的气体流速保持在一定的水平，其通过利用可变几何机构减小进气ロ的尺寸而确保涡轮机的高效运行。设有可变几何涡轮机的涡轮增压器被称为可变几何涡轮增压器。设置于可变几何涡轮机增压器内的喷嘴叶片可以具有不同的形式。在一种类型中，被称为“滑动喷嘴环”，所述叶片被固定到轴向可移动的壁上，该壁滑动穿过进气通道。所述轴向可移动壁向罩板移动以关闭进气通道，并且在这样做时，叶片通过罩板中的孔。另夕卜，喷嘴环固定于涡轮机的一个壁而罩板在叶片的上方移动以改变进气通道的尺寸。可变几何机构的可移动部件(无论是喷嘴环还是罩板)受到支撑以便在一部分涡轮增压器壳体(通常是涡轮机壳体或涡轮增压器轴承座)内的腔内进行轴向运动。上述壳体可相对腔壁密封以便減少或防止喷嘴环背面周围的流体泄漏。可变几何机构的可移动壁可通过由致动器和联动装置构成的合适致动器组件进行轴向位移。这种已知的致动器组件的一个实例例如在US5，868，552中有所披露。联动 装置包括轭，其枢转支撑在轴承座内且具有两个臂，每个臂延伸与其上安装有可移动部件(在该情况下为喷嘴环)的相应推杆的端部接合。轭安装到ー个轴上，该轴在轴承座内径向滑动且支撑处于轴承座外部的曲轴，其可以任何适当的方式连接到致动器。使得轭移动的致动器采取各种形式，包括气动、液压和电气的形式，且可以各种方式链接到轭。致动器通常在发动机控制单元(ECT)的控制下调节可移动壁的位置，以便改变通过涡轮机的气流，从而满足性能要求。
在使用过程中，通过流动通过进气ロ的气体将轴向カ施加到可移动壁上，该轴向力必须由致动器组件提供。此外，作为使得气流叶片通道朝向涡轮机叶轮的旋转方向偏转的结果，扭矩施加到喷嘴环上。如果喷嘴环是可变几何机构的可移动壁，则扭矩也必须由致动器组件(诸如联动装置的一部分)激发或另外提供。
发明内容
本发明的ー个目的是消除或减轻上述缺陷。本发明还有ー个目的是提供改进或替代的可变几何机构和涡轮机。根据本发明的ー个方面，提供一种可变几何涡轮机，包括涡轮机叶轮，所述涡轮机叶轮安装在壳体内用于绕涡轮机轴线旋转，所述壳体限定所述涡轮机叶轮周围的环形进气ロ，所述进气ロ在第一进气口和第二进气ロ侧壁之间被限定；以及圆柱型套筒，所述圆柱型套筒可轴向移动穿过所述环形进气ロ以改变经过所述进气ロ的气体流动路径的尺寸；其中环形进气ロ被分隔为至少两个轴向偏离的进气通道，这些进气通道轴向重叠。应该意识到轴向偏离的进气通道包括具有不同轴向位置的进气通道和/或具有不同轴向延伸程度的进气通道。轴向偏离的进气通道可间隔开、相邻或轴向重叠。环形进气ロ可被分隔成大致朝向涡轮机叶轮延伸的大体为管形进气通道的环形阵列，其中进气通道的环形阵列包括至少三个轴向重叠的轴向偏离进气通道。至少两个所述轴向重叠的轴向偏离进气通道在周向上重叠。大体为管形的进气通道具有大体为菱形或大体为六角形的横截面。进气ロ通过进气通道壁分隔为所述的进气通道，其中进气通道壁由多个大体为环形的非平面隔板限定。隔板可以是在周向上为波状的大体环形的环。隔板具有大体为双曲抛物线的表面。进气通道的环形阵列可由若干离散的周向相邻的部段构成。可变几何涡轮机包括围绕涡轮机叶轮的环形进气ロ，所述涡轮机叶轮安装成用于围绕由壳体限定的涡轮室内的涡轮轴旋转，涡轮室具有在进气口内侧壁和外侧壁之间限定的且环绕涡轮机叶轮的环形进气ロ，环形进气ロ包括第一和第二周向间隔开的进气通道构成的第一对进气通道；第三和第四周向间隔开的进气通道构成的第二对进气通道；其中第二对进气通道与第一对进气通道轴向间隔开；以及其中一圓柱形套筒支撑在壳体内，以便在轴向方向上进行往复运动来改变环形进气ロ的尺寸；以及其中套筒可在至少第一位置和第二位置之间移动，其中在第一位置，第一对进气通道的每个进气通道朝向气流至少部分开放，以及第二对进气通道朝向气流完全开放，而在第二位置，第一对进气通道完全阻断气流，而第二对进气通道的每个进气通道至少部分阻断气流。典型的，废气可经由周围涡壳流向环形进气ロ。在本发明的一些实施例中，涡壳可轴向或周向分隔开，因此环形进气ロ限定在涡壳或涡壳的任意分隔开部分的下游。在这种涡壳分隔开的涡轮机中，相邻的涡壳部分通常彼此不连通，除了在相邻涡壳部分終止于进气ロ处的下游端处。进气ロ的内侧和外侧壁例如可以是限定涡轮的延续的壁。通常情况下，进气ロ的最大宽度将对应于由涡轮机叶轮叶片的尖端旋转所扫掠过的面积。当套筒处于第二位置时，第二对进气通道的每个进气通道可完全阻断气流。一些可变几何涡轮增压器可包括由周向间隔开的第四和第五进气通道构成的第三对进气通道，其与第一对和第二对进气通道两者都轴向位移间隔开。这种实施例可包括由周向间隔开的进气通道构成的轴向位移间隔开的四对或多对进气通道。当套筒处于第二位置时，由周向间隔开的进气通道构成的所述轴向间隔开的成对进气通道中只有一对进气通道可完全阻断气流，由周向间隔开的进气通道的剰余对进气通道至少部分阻断气流。成对的进气通道的每ー个进气通道可为环绕涡轮机叶轮的周向间隔开的进气通道的相应环形阵列的一部分。每对进气通道或进气通道环形阵列可包括大体轴向重合的通道。至少ー对进气通道或至少ー个进气通道环形阵列的至少ー个进气通道可与相邻对进气通道或相邻进气通道环形阵列的至少ー个进气通道轴向重叠。套筒的第一位置可为开放位置，其中由周向间隔开的进气通道构成的所述成对进气通道或进气通道环形阵列的每ー个进气通道朝向气流开放。套筒的第二位置可为封闭位置，其中套筒的自由端跨过环形进气ロ凸出且邻接内侧壁或外侧壁。套筒可受控地定位于所述第一和第二位置之间。在一些实施例中，由周向间隔开的进气通道构成的每个环形阵列的进气通道数目可相同。在其它的实施例中，包括一个周向间隔开的进气通道的环形阵列的进气通道数量，可以与包括周向间隔开的进气通道的至少ー个其它的环形阵列的进气通道数量不同。可变几何涡轮机可包括安装为位于壳体内的围绕涡轮机轴旋转的涡轮机叶轮，该壳体限定包围涡轮机叶轮并限定于进气口内侧壁和外侧壁之间，其中圆柱形套筒安装于可体内，以在环形进气ロ的至少一部分内进行轴向滑动运动，以改变环形进气ロ的尺寸，还包括至少ー个环形隔板，其与环形进气ロ的内侧壁和外侧壁轴向间隔开，以便将环形进气ロ分隔成轴向相邻的环形部分，且其中进气叶片轴向延伸跨过由所述或每个隔板限定的至少两个所述环形部分。同样，气体可经由环绕环形进气ロ的环形涡壳或类似腔室流向环形进气ロ。在一些实施例中，涡壳可给分隔开的涡壳，例如分隔成单独的轴向或周向部分，上述部分例如可 接收来自不同源(例如，在多缸内燃机中汽缸的不同腔内)的气体。在本发明的实施例中，进气口和隔板将处于涡壳或分隔开的涡壳的任意涡壳部分的下游。
可变几何涡轮机可包括涡轮机叶轮，其安装成用于围绕壳体内的涡轮轴旋转，壳体限定环绕涡轮机叶轮的且在进气口内侧壁和外侧壁之间限定的环形进气ロ，其中环形进气ロ由两个或多个环形进气ロ隔板轴向分隔成相邻的环形区域，以及其中圆柱形套筒安装在壳体内以便可轴向滑动移动跨过环形进气ロ的至少一部分，从而改变环形进气ロ的尺寸。至于其它可变几何涡轮机，环形进气ロ可限定在周围涡轮(其可为分隔开的涡売)或类似气体腔室的下游。一些可变几何涡轮机 可包括至少两个所述环形隔板，其将环形进气ロ轴向分隔成至少三个轴向相邻的环形区域。套筒在限定进气ロ最大和最小宽度的位置之间的移动限定相应于所述或每个环形隔板的轴向位置的离散位置。因此，在一些可变几何涡轮机中，套筒可受控地以逐步进行的方式在可相应于开放位置、封闭位置以及中间位置的离散位置之间移动，其中每个中间位置相应于环形隔板的位置。在这种中间位置，套筒的自由端可与隔板的前边缘轴向对准。—些可变几何涡轮机可包括至少两个所述环形隔板，其将环形进气ロ轴向分隔成至少三个轴向相邻的环形部分，其中至少ー个所述环形部分不包括任何进气叶片。可变几何涡轮机可包括涡轮机叶轮，其安装成用于围绕壳体内的涡轮轴旋转，壳体限定环绕涡轮机叶轮的且在进气口内侧壁和外侧壁之间限定的环形进气ロ，其中环形进气ロ包括喷嘴结构，其包括大体朝向涡轮机叶轮延伸的大体为管形进气通道的环形阵列，其中进气通道的环形阵列包括至少三个轴向位移间隔开的进气通道。喷嘴结构可设置于环形涡壳(其可轴向或周向分隔)的下游，其环绕着环形进气通道以便将气流传送到环形进气通道。进气通道可具有沿着其至少部分长度的大体菱形，五角形，六角形或其它多边形横截面。在一些可变几何涡轮机中，任何给定的进气通道的几何形状可沿其长度变化。例如，进气通道的横截面积可減少到最低限度然后再増加。类似的，横截面积可在沿其长度的不同位置处改变形状。例如，进气通道可在其进气ロ(上游)端具有一个横截面，而在其排气ロ(下游)端具有另ー个横截面。横截面可沿其长度从进气ロ到排气ロ逐渐变化。进气通道可基本是直的或可以是弯曲的。在这两种情况下，横截面都会相对于涡轮机叶轮的旋转方向向前或向后扫掠。可存在两个或多个相邻的进气通道环形阵列。相邻的环形阵列可包括不同数目和/或不同尺寸和/或不同几何形状或构造的进气通道。例如，一个环形阵列通道可限定不同于另ー个环形阵列通道的旋涡角。进气通道可由位于环形进气ロ内的两个或多个环形进气ロ隔板限定，其中相邻的进气ロ隔板彼此接触或另外在周向间隔开的位置处彼此结合以便在接触区域之间限定进气通道。环形进气ロ隔板可在周向成波形(波状)，这样在相邻隔板之间的接触区域大体上延伸跨过每个环形隔板的整个径向宽度。本发明任意方面的圆柱形套筒可安装在通过所述内侧壁与进气通道隔开的壳体腔室内，其中圆柱形套筒的自由端从所述腔室延伸到环形进气ロ内以便限定环形进气ロ的览度。因此，可在套筒的自由端和外侧壁之间限定通过环形进气ロ的气流。在一些可变几何涡轮机中，壳体包括轴承座或中央壳体部分，以及涡轮机壳体部分，其中涡轮机叶轮在轴承座/中央壳体与涡轮壳体部分之间限定的腔室内旋转，以及其中圆柱形套筒安装成在轴承座/中央壳体内限定壳体腔室。本发明任意方面的圆柱形套筒可安装在通过所述外侧壁与进气通道隔开的壳体腔室内，其中圆柱形套筒的自由端从所述腔室延伸到环形进气ロ内以便限定环形进气ロ的览度。因此，可在套筒的自由端和内侧壁之间限定通过环形进气ロ的气流。在一些可变几何涡轮机中，壳体包括轴承座或中央壳体部分，以及涡轮机壳体部 分，其中涡轮机叶轮在轴承座/中央壳体与涡轮壳体部分之间限定的腔室内旋转，以及其中圆柱形套筒安装成在涡轮机壳体内限定壳体腔室。圆柱形套筒优选可移动跨过环形进气ロ的外径以便选择性地相对于通过涡轮机的气流阻断相应进气通道或部分的上游端。然而，在其它可变几何涡轮机中，圆柱形套筒优选可移动跨过环形进气ロ的内径以便选择性地相对于通过涡轮机的气流阻断相应进气通道或部分的下游端。可变几何涡轮机可包括涡轮机叶轮，其安装成用于围绕壳体内的涡轮轴旋转，壳体限定环绕涡轮机叶轮的且在进气ロ内侧壁和外侧壁之间限定的环形进气ロ，且还包括与环形进气ロ的内侧壁和外侧壁轴向间隔开的至少ー个环形隔板以便将环形进气ロ分隔成轴向相邻的环形部分，以及圆柱形套筒可在环形进气口内围绕环形进气ロ部分的外径和所述至少一个环形隔板轴向移动以便改变在套筒自由端和内侧壁或外侧壁之间限定的环形进气ロ的尺寸。再次，环形进气ロ可限定在周围涡壳(包括分隔开的涡壳或用于将气流传动到环形进气ロ的腔室)的下游。在套筒自由端和内侧壁或外侧壁之间限定进气ロ的有效轴向宽度(取决于套筒安装在壳体的哪ー侧)。在一些可变几何涡轮机中，圆柱形套筒安装成以逐步进行的方式在开放位置、封闭位置以及相应于所述或每个环形隔板的ー个或多个位置之间移动。因此套筒限制到在离散的预定位置之间移动，其中一些相应于进气ロ隔板的位置。在一些实施例中，可防止套筒定位成其自由端位于相邻的隔板之间。一个或多个叶片可延伸跨过至少ー个环形进气ロ部分。因此，提供控制或操作根据本发明涡轮机的方法，其中套筒以离散的轴向步骤在相应于开放位置、封闭位置以及中间位置(在该位置，套筒的自由端与环形进气ロ隔板对准)的位置之间移动。
现在将參照附图对本发明的具体实施例进行描述。图I是通过包括可变几何涡轮机的已知涡轮增压器的轴向横截面。图2是示意示出沿着图I所示涡轮机的环形进气ロー部分周边的径向视图。图3是通过包括根据本发明实施例的可变几何涡轮机的涡轮增压器一部分的轴向横截面。图4a和4b示出图3所示涡轮机的喷嘴组件的细节。图5是示意示出沿着图4a和4b所示喷嘴组件的环形进气ロー部分周边的径向视图。图6是示出图5的示意视图变化以便示出形成图4a和4b所示喷嘴组件一部分的套筒的示意图。图7a到7d是通过根据本发明备选实施例的可变几何涡轮机一部分的轴向横截面。
图8a至图8f、9a至9d、10、lla至Ild以及图12至17的每幅图是示意示出根据本发明各个实施例的沿相应进气ロ结构的周向部分的径向视图。图18至19是示意示出本发明实施例的轴向横截面。图21是示意示出根据本发明实施例的沿环形进气ロ结构的周向部分的径向视图。图22a到22b示出根据本发明实施例的涡轮机和喷嘴组件的部分。图23和图24的每幅图是示意示出根据本发明相应实施例的沿环形进气ロ结构的周向部分的径向视图。图25a和25b示出本发明实施例的变型。图27a至27b是通过根据本发明另ー实施例的涡轮机一部分的轴向横截面。图28a至28b是通过根据本发明另ー实施例的涡轮机一部分的轴向横截面。图29a至29c示出根据本发明实施例的进气套筒的细节。图30a和30b示意示出本发明的可能变型实施例的细节。图31示意性示出采用根据本发明优选实施例的轴向滑动套筒和隔板/叶片布置的涡轮机。图32a和32b是根据本发明另外备选实施例的隔板/叶片结构的透视图和侧视示意性视图。图33是示意性示出了根据本发明另ー实施例的隔板/叶片结构的透视图。图34是示意性示出了根据本发明另ー实施例的隔板/叶片结构的透视图。
具体实施例方式參照图1，其示出已知的涡轮增压器，该涡轮增压器包括经由中央轴承座3互连的可变几何涡轮机壳体I和压缩机壳体2。涡轮增压器轴4从涡轮机壳体I通过轴承座3延伸到压缩机壳体2。涡轮机叶轮5安装在轴4的一个端部上，以便在涡轮机壳体I内旋转，以及压缩机叶轮6安装在轴4的另一端部上以便在压缩机壳体2内旋转。轴4围绕着位于轴承座内轴承组件上的涡轮增压器轴4a旋转。涡轮机壳体I限定涡壳7，来自内燃机(未示出)的气体传送到该涡壳7。废气经由环形进气ロ 9和涡轮机叶轮5从涡壳7流动到轴向排气通道8。进气ロ 9在侧壁之间限定，一个侧壁是可移动环形喷嘴环侧壁构件11的径向壁的表面10，而另ー侧壁在环形罩板12上。罩板12覆盖涡轮机壳体I内的环形凹进处13的开ロ。喷嘴环11支撑周向且均等间隔开的喷嘴叶片14的阵列，每个叶片延伸跨过进气ロ 9的整个轴向宽度。喷嘴叶片14的气体朝向涡轮机叶轮5的旋转方向偏转。当喷嘴环11靠近环形罩12时，叶片14通过环形罩12内的合适构造的槽突出到凹进处13内。致动器(未示出)可操作成经由致动器输出轴(未示出)来控制喷嘴环11的位置，该致动器输出轴链接到箍筋构件15。箍筋构件15依次啮合支撑喷嘴环11的轴向延伸导杆16。因此，通过适当地控制致动器(例如该致动器可以是气动或电动或任何其它合适的类型)，因此可以控制导杆16的轴向位置从而控制喷嘴环11的轴向位置。应该意识到，喷嘴环安装和导向器设置的细节可与那些所述的不同。喷嘴环11具有轴向延伸的径向内侧和外侧环形凸缘17和18，上述凸缘延伸到设置于涡轮机壳体I内的环形腔室19内。内侧和外侧密封圈20和21设置成分别相对于环形腔室19的内侧和外侧环形表面来密封喷嘴环11，同时允许喷嘴环11在环形腔室19内滑动。内侧密封圈20支撑在形成于腔室19的环形径向内侧表面中的环形槽内，并且承靠喷 嘴环11的内侧环形凸缘17。外侧密封圈20支撑在形成于腔室19的环形径向外侧表面中的环形槽内，并且承靠喷嘴环11的外侧环形凸缘18。从进气ロ涡壳7流向排气通道8的气体越过涡轮机叶轮5，因此转矩施加到轴4上以便驱动压缩机叶轮6。压缩机叶轮6在压缩机壳体2内的旋转增加存在于进气ロ 22内的环境空气的压力，且将该加压气体传送到排气涡壳23，气体从排气涡壳23送入到内燃机(未示出)。涡轮机5的速度取决于通过环形进气ロ 9的气体流速。对于流动到进气ロ9内的固定气体质量流率而言，气体流速随着进气ロ 9的宽度变化，上述宽度可通过控制喷嘴环11的轴向位置来进行调节。(随着进气ロ 9的宽度減少，流动通过该进气ロ 9的气体流速増加。)图I示出进气通道9完全开放。通过使得喷嘴环11朝向环形罩12移动，可将进气通道9封闭到最小程度。參照图2，其是示意性示出沿着图I的涡轮机环形进气ロ 9周边部分的径向视图，展开且在纸张平面内平放。在该视图中，喷嘴环11处于完全开放的位置，这样平行线11和12分别代表喷嘴环11和罩板12，且平行线14代表延伸跨过进气ロ 9的喷嘴叶片14的前边缘。尺寸c是进气ロ 9的周边部分，以及尺寸w是环形进气ロ 9的最大宽度。从图2可以看出，叶片14将环形进气ロ 9分隔成周向相邻的进气通道14a的环形阵列。每个进气通道14a通常径向延伸，但是具有由叶片14的构造导致的向前扫掠(具有减小的半径)，如上所述，叶片14设计成使得流动通过进气ロ 9的气体朝向涡轮机的旋转方向偏转。延伸跨过进气ロ 9整个宽度w的每个进气通道14a的几何形状通过控制叶片14的构造和间距限制，但是如图所示，其具有大体为矩形的横截面。图3是通过包括根据本发明实施例的可变几何涡轮机的涡轮增压器一部分的横截面。其中图I和图3的涡轮增压器的合适相应特征由相同的附图标记进行标识。參考术语“轴向”和“轴向地”应该理解成指代涡轮机叶轮的旋转轴。图3示出涡轮增压器的轴承座3和涡轮机壳体4，其中将压缩机(未示出)移除。至于图I所示的已知涡轮增压器，涡轮增压器轴4通过轴承座3延伸到涡轮机壳体I以及涡轮机叶轮5安装到涡轮机壳体I内的轴4的一个端部上。涡轮机壳体I限定涡壳7，废气从该涡壳7传送到环绕涡轮机叶轮5的环形进气ロ 9。按照本发明，进气ロ 9的尺寸通过控制可轴向滑动的圆柱形套筒30的位置来改变，圆柱形套筒30支撑在导杆31上，导杆31可滑动地安装在由轴承座3限定的腔室19内。导杆31可具有与图I所示的导杆16大致相同的配置，并以同样的方式通过链接到导杆31的内端部31a的轭(未示出)致动。导杆31的外端部31a连接到套筒30的径向延伸的凸缘30a。如图所示，相应独立的凸缘30a可设置成连接到导杆31，或套筒30可包括连接到导杆31的单个环形的径向延伸凸缘。套筒30具有突出到进气ロ 9内的自由端，这样以通过套筒30经由导杆31的合适运动和定位的可控方式来改变进气ロ的宽度。此外 ，根据本发明，进气ロ 9至少部分限定在涡轮机壳体的面对侧壁之间，在该实施例中，涡轮机壳体包括喷嘴组件34的喷嘴环32和33。在图4a和4b中示出喷嘴组件34(连同套筒31的部段，和导杆31)的更详细细节。喷嘴组件34的第一喷嘴环32径向延伸跨过套筒30的涡轮机壳体腔室19的开ロ。密封圈35相对于套筒30密封喷嘴环32以便防止气体在进气ロ 9和腔室19之间的泄露。类似的，密封圈36相对于邻近喷嘴环32的径向内边缘的涡轮机壳体来密封喷嘴环32。喷嘴环组件34的第二喷嘴环33固定到由涡轮机壳体限定的浅显环形凹进处内的涡轮机壳体的径向壁，而通过密封圈36相对地固定到到该径向壁，以便防止气体在喷嘴环33和涡轮机壳体之间泄露。周向均等间隔开的喷嘴叶片37的环形阵列在第一和第二喷嘴环32和33之间延イ申。喷嘴叶片37将环形进气ロ分隔成周向间隔开的进气ロ部分。径向延伸的环形进气ロ隔板38a、38b和38c在喷嘴环32和33之间轴向均等间隔开，并进一步将环形进气ロ 9分隔成分为轴向间隔开的进气ロ部分。隔板38是与涡轮轴共轴且平行于喷嘴环32和33取向的相对薄的环，这样它们具有轴向延伸的面。因此，叶片37连同进气ロ隔板38a-38c将环形进气ロ 9分隔成若干分离的进气通道39(在附图中并未对所有进气通道进行单独标记)，其在图5中最佳地示出，图5是示意示出喷嘴组件34周边的展开部分的径向视图，该喷嘴组件34相应于图2中所示的已知进气ロ结构。同样，尺寸w是进气ロ 9的整个宽度以及尺寸c是进气ロ周长的一部分。參照图5，叶片37以及进气ロ隔板38a_38c分别将进气ロ 9分隔成周向间隔开的进气ロ通道39a、39b、39c和39d的四个轴向间隔开的环形阵列。相比之下，图2的已知构造具有周向间隔开的进气通道的单个环形阵列，每个进气通道延伸跨过进气ロ 9的整个宽度。进气通道39a至39d的确切构造由叶片37和隔板38a至38c的构造限定，但是如图所示，可以看出通道具有常规的矩形(在该情况下，近似正方形)横截面。每个进气通道39a至39d将气流引导到涡轮机叶轮，且由于叶片37的扫掠而将气流在朝向涡轮机叶轮5的旋转方向的方向上偏转。在该实施例中，每个环形阵列中的进气通道39在周向上相邻，且每个环形阵列39a至39d彼此轴向相邻。如上所述，通过调节套筒30的轴向位置来控制进气ロ 9的尺寸，套筒30滑动超越叶片和隔板的外径。取决于套筒30的位置，由此进气通道39a至39d的ー个或多个轴向间隔开的环形阵列可阻断或部分阻断通过进气ロ 9的气流。例如，图4a示出套筒30处于几乎完全开放的位置，在该位置中，气体流动通道39a的第一环形阵列部分阻断气流，而进气通道39b至39d的第二和第四环形阵列对于气流完全开放。图4b (以及图3)示出套筒30处于完全封闭的位置，其中套筒30的端部承靠喷嘴环33，而进气通道39a至39d的所有四个轴向相邻的环形阵列封闭(在套筒30和喷嘴环33之间的进气通道39d内经受可能的最小量的泄露)。通过控制套筒30在开放位置和封闭位置之间的位置，可打开或阻断，或部分打开/阻断进气通道39a至39d的所选数目的轴向相邻的环形阵列。例如，通过将套筒30定位成使得套筒的自由端与第一进气隔板38a对准，进气通道39a的第一环形阵列封闭，而进气通道39b至39d的第二和第四环形阵列对于气流完全开放。类似的，通过将套筒30的自由端部分地定位于进气ロ隔板38b和38c之间，进气通道39a和39b的第一和第二环形阵列将完全封闭，而进气通道39d的第四环形阵列将完全开放，而进气通道39c的第三环形阵列对于气流将部分开放。这在图6中示意性地示出，其叠加到图5所示视图的套筒30上。在本发明的上述(及以下)实施例中，套筒30可完全封闭进气ロ，即完全阻断进气ロ 9。在其它实施例中，上述套筒没有必要能够完全封闭进气ロ，而是可具有最终通道阵列39至少部分开放的“封闭”位置。例如，套筒的自由端可设有轴向延伸的区域，其提供适于套筒封闭位置的坚硬止动部，在围绕 套筒周边的区域之间限定流动间隙。在本发明的该实施例中，通过减小在进气通道39上游处的进气ロ 9的尺寸可实现气流的加速度增加。在没有进气ロ隔板38的情况下，加速经过套筒30端部的气体在其到达涡轮机叶轮5之前将轴向扩展跨过进气ロ 9的整个宽度。这在气流通过进气ロ时导致气流中显著的能量损失，这可显著影响限制(縮小)进气ロ的所需效果。因此，可以预期这样的可变几何涡轮机是非常低效的，从而对许多应用(诸如像应用于涡轮增压器涡轮机)而言不切实际。根据本发明，当套筒30移动超过第一和随后的进气ロ隔板时，气体可在其内扩展的进气ロ 9内的体积减小，上述类似地导致由涡轮机叶轮上游的进气ロ 9内的气流扩展膨胀可能造成的能量损失。这导致可以明显地提高进气效率。当套筒的自由端与给定的进气ロ隔板对准时，其有效地等效于移动的径向壁构件。在这些位置之间可存在效率下降，但是这与没有任何进气ロ隔板的情况的效率降低程度不同。令人惊讶的是，模拟结果表明，本发明的进气ロ结构具有的效率比ー些已知的移动壁进气ロ结构尤其是比较小进气ロ宽度下时的效率甚至更高。图3至图6所示的本发明实施例具有三个进气ロ隔板38，但在备选实施例中可以采用多于或少于三个的隔板。例如，仅仅提供单个进气ロ隔板(例如在喷嘴环32和33的中间)可提闻效率使其闻于在没有任何进气ロ隔板的情况下的效率，且效率提闻到足够的程度以便提供适用于涡轮增压器和其它应用程序的有效可用的可变几何涡轮机结构。相应于所述或每个进气ロ隔板的位置预期涡轮机进气ロ的效率可随着进气ロ尺寸的渐变而改变。然而，通过增加隔板数目可顺利地获得这种效果。虽然增加隔板(其具有轴向厚度)数目对于任何给定进气ロ宽度w的气流会获得增加空气阻カ以及减少最大横截面流通面积的效果，但是如有必要，可通过将环形进气ロ 9构建成使其具有比不设置隔板的情况更大的最大轴向宽度进行补偿。根据本发明的涡轮机还具有优于图I中所示已知移动喷嘴环涡轮机的许多其它优势。根据本发明，作用于套筒上的压カ和空气动カ与作用于径向壁上的那些相比会显著减小。例如，由流动通过进气ロ的空气导致的作用于套筒30上的轴向カ比作用于套筒30上的轴向カ显著减小。这允许使用更小、功能更强大的驱动器，此外在致动器和套筒之间的联动件的链接稳固性低，因为移动套筒并将其保持在位所需的轴向力显著小于控制径向壁位置所需的轴向力。作用于套筒上的轴向カ小于作用于径向壁上的轴向力，上述还简化了对进气ロ尺寸的精确控制。将圆柱形套筒用作用于改变进气ロ尺寸而不是移动径向壁的尺寸还避免了对设置接纳叶片的槽的需求，因为进气ロ尺寸减小，上述需求是已知进气ロ结构所需的，该已知进气ロ结构包括可移动喷嘴环(例如如图I所示)和另外的可选结构，其中叶片是固定的，且开槽罩板在叶片上方轴向移动以便改变进气ロ宽度。因此，本发明消除了在移动部件和叶片阵列之间的许多接ロ需求，上述需求反过来又増加了制造公差。不设置这种插槽也减少了叶片阵列周围的气体泄漏，并简化了密封要求。优选的，套筒围绕进气ロ部分，已发现上述赋予改进的空气动力学性能。換言之，套筒内径大于ー个或多个进气ロ部分的外径(或外部径向延伸程度)。在另ー个实施例中，套筒可由进气ロ部分环绕。換言之，套筒外径可小于ー个或多个进气ロ部分的内径。在另ー实施例中，套筒可移动通过一个或多个进气ロ部分。換言之，套筒直径(如内径或外径，或平均直径)可小于ー个或多个进气ロ部分的外径，但大于一个或多个进气ロ部分的内径。已知的设备包括可移动的喷嘴环，其中移动壁构件包括例如如图I中所示的叶片，已知设备还经受由叶片使其偏转的气流导致的很大扭矩。本发明在移动部件上不存在这种扭矩，上述进ー步降低致动器和致动器链接件(联动装置)上的力。根据图3和4所示的本发明实施例，进气ロ通道39由喷嘴组件34限定，喷嘴组件34包括支撑进气ロ叶片37和隔板38的喷嘴环32和33。喷嘴环32和33从而限定涡轮机的环形进气ロ 9的侧壁。这种结构具有很多优势，例如允许不同构造的喷嘴组件安装到同ー个涡轮机壳体，这样进气ロ结构(即进气通道39的构造)可在另外的大致相同的涡轮机之间进行变化。该(模块化)构造可具有制造上的效益。然而，应该意识到限定进气通道39的叶片37和隔板38 (或限定如下所述进气通道39的任何其它结构)没有必要形成于可分离的模块化喷嘴组件内，但可以与涡轮增压器壳体(例如典型涡轮机结构内的轴承座和/或涡轮机壳体)一体鋳造或加工。在这种实施例中，进气ロ 9的侧壁没有必要由图3和图5的实施例那样的离散喷嘴环形成。因此，虽然在下述说明中通常利用附图标记32和33来标识区分涡轮机进气ロ 9的侧壁，但这些并不应该被认为是对喷嘴环32和33的限定。在图3-6所示的本发明实施例中，涡轮机喷嘴包括三个进气ロ隔板38，但如上所述，在本发明的备选实施例中可存在更多或更少的进气ロ隔板。例如，仅仅具有ー个或两个进气ロ隔板的实施例可有效地显著地提高涡轮机进气ロ的效率，其中用于改变进气ロ尺寸的移动部件是环绕叶片阵列的圆柱形套筒。类似的，在某些实施例中，具有多于三个隔板的实施例可能是有利的。在某些应用中，诸如像涡轮增压器的应用中，预计3至6个隔板将是合适的。隔板没有必要跨过进气ロ 9的宽度轴向均等间隔开，在单个隔板的情况下，气没有必要位于进气ロ 9的侧壁之间。在任意两个相邻的隔板之间或在隔板与进气ロ相邻侧壁之间的轴向间距可从进气ロ 9的轴向ー侧向另ー侧增加或减小，或可先增加后减小，或反之亦然。例如，在多于ー个进气ロ隔板的情况下，在相邻隔板之间的或在任意隔板和进气ロ侧壁之间的轴向间隔可跨过进气ロ 9而减小/増加，这样随着进气ロ 9逐渐由圆柱形套筒封闭，任意暴露的进气通道39的轴向宽度减小/増加。
在图3-6所示的本发明实施例中，每个进气ロ隔板包括同等厚度的径向延伸壁，这样每个隔板的相对表面位于径向平面内。此外，每个隔板的相面对表面都平行于彼此，以及平行于限定环形进气ロ 9侧壁的喷嘴环32和33的相面对表面。在本发明的备选实施例中，任意给定隔板的相面对表面没有必要平行于彼此和/或没有必要平行于相邻隔板或进气ロ侧壁的相面对表面。例如，单个进气ロ隔板相对表面的ー个或两个可位于围绕涡轮轴旋转的截头圆锥形表面。这些表面可彼此平行，或可以相反方向成角度傾斜。在包括若干截头圆锥形隔板的实施例中，相邻隔板可具有相面对的表面，上述表面可彼此平行，或定位于相对于彼此成一定角度。类似的，进气ロ侧壁(例如喷嘴环32和33)可具有与相邻进气ロ隔板的面对表面平行或成角度的表面。进气ロ隔板可具有均一的轴向厚度，或可具有沿其半径变化的厚度。例如，隔板可具有随半径縮小的轴向厚度。例如，进气ロ隔板可具有锥度或可具有径向的横截面，其具有类似于传统进气叶片的翼形状。上述的ー些可能备选实施例的实例在图7a到7d中示出。这些附图是通过涡轮机进气ロ 9的简化的径向横截面，其包括侧壁11和12，以及隔板38。为了简化在一些附图中省略了进气叶片37的细节。
图7a示出了包括环形进气ロ 9的一个实施例，该环形进气ロ 9限定在侧壁32和33之间，且包括具有三个隔板38a-38c的ー个喷嘴。在该特定情况下，隔板38c比相邻隔板38b更靠近侧壁33。类似的，隔板38a和38b之间的间隔以及侧壁32和隔板38a的间隔大于隔板38c和侧壁33之间的间隔。在该特定实施例中，隔板相对于彼此以及相对于侧壁32和33成径向且与其平行。图7b是图7a中所示结构的变型，其中涡轮机壳体I的侧壁33定位成截头圆锥形表面，因此相对于隔板38c成角度。在备选实施例中，侧壁32可以类似的方式成角度，以及在一些实施例中，两个侧壁32和33都可成角度从而使得环形进气ロ 9的两个侧面对内成锥度。图7c示出了一个实施例，其包括三个进气ロ隔板38a_38c，其具有跨过进气ロ 9的逐渐增加的间距，这样当套筒30移动而更靠近进气ロ时，进气通道39的轴向宽度増加。在图7d所示的实施例中，进气ロ喷嘴包括5个隔板38a_38e。如可以看出的那样，隔板的横截面具有“扇形”布置。也就是说，位于进气ロ侧壁32和33之间的中央隔板38c位于径向平面上，而喷嘴环38a、38b以及隔板38d和38e都倾斜定位，这样它们中的每ー个定位于截头圆锥形表面上，其效果是进气通道39趋于朝向中央进气ロ隔板38c收敛会聚。此外，其效果还有限定渐细的喷嘴，其具有在喷嘴环38a和喷嘴环38e之间限定的最大宽度，且上述最大宽度随着半径缩小而变窄。换句话说，喷嘴向内逐渐减小(渐细)。通过布置喷嘴环38a和38e而非使得侧壁32和33倾斜可获得类似的效果。进气叶片可具有任何合适的构造，例如可具有类似于已知进气叶片的常规翼型构造，或它们可具有任何备选的构造，选择上述构造以便限定进气通道39的特定布置和构造。即，由于叶片和进气ロ隔板一起限定进气通道39的构造和取向，通过适当地设计单独的喷嘴叶片或进气ロ隔板的构造和取向可得到各种不同的进气通道构造，此外，可设计成在单个的喷嘴组件内具有各种不同构造的进气通道。如上所述，涡轮机进气ロ的效率可随着套筒移动到不同位置而改变，且在套筒自由端与其中一个隔板对准的位置处的涡轮机进气ロ的效率大于定位于隔板之间时的涡轮机进气ロ的效率。因此，在本发明的一些实施例中，适于套筒的致动器和/或控制系统可配置成使得套筒只在完全开放和封闭(包括任何“过度开放”或“过度封闭”)位置以及相应于ー些或所有隔板定位的位置之间以逐步方式移动，且不会移动到相邻隔板之间的位置。上述导致的效果是提供进气ロ，其具有介于最大和最小之间的若干离散尺寸。这可提供效率高的优点，并可允许使用较低成本的致动器。类似的，在本发明的一些实施例中，希望将隔板定位于相应于套筒位置(即，进气ロ尺寸)的特定轴向位置处，上述对于涡轮机的某些预定运行状况是最佳的。例如，适于涡轮增压器涡轮机的这种位置可相应于适于以发动机峰值扭矩、额定发动机转速和高速公路巡航点的优选进气ロ宽度。在某些应用中，例如在涡轮增压发电机中，产生动力的发电机可以固定负载和/或速度运行，没有必要连续地调整涡轮机的进气ロ宽度。在这种实施例中，隔板可设置于相应于特定运行条件所需的最佳进气ロ宽度的位置处，以及套筒操作成仅在相应于所述或每个隔板位置的位置之间移动。在上述的本发明实施例中，每个进气叶片可视为包括由进气ロ隔板分隔开的轴向相邻的进气叶片部分。因此，在所示的实施例中，每个叶片37可视为包括下述部分，其轴向对准使其等同于延伸跨过进气ロ整个宽度的单个叶片。然而，在可选实施例中，例如希望使得相邻成对的进气ロ隔板之间的进气叶片部分在周向上错开，而在ー些实施例中，不再可能确定延伸跨过进气ロ 9整个宽度的单个叶片的等同度。例如，在一个实施例中，套筒30从进气ロ的涡轮机壳体侧被驱动，因此，当进气ロ封闭时，套筒30的自由端朝向进气ロ的轴承座侧移动(这种可能性在下文进行进一步的更详细论述)，进气通道39c和39d的阵列导致涡轮机叶片中的振动和疲劳的能力降低，因为涡轮机前边缘的轮毂端更牢固地连接到涡轮机轮毂(由此更靠近涡轮机叶轮背面)。在本发明的一些应用中，会希望在较小的进气ロ开ロ处将涡轮机效率最大化，从而叶片阵列39c和39d可具有相对于涡轮机叶轮的减小的间隙(如图所示)，以提高效率(假设当涡轮机叶片在该区域中受到更稳固支撑时上述不导致任意明显的振动/疲劳问题)。此外，当套筒处于几乎封闭位置(其中套筒30的前边缘延伸超过进气ロ隔板38c的位置)时，阵列39d中叶片的旋涡角增加可以提供些许的效率提高。这样当套筒几乎封闭时，上述具有降低横截面流通面积随着套筒运动的变化速率的额外效果，上述允许致动器更精确地控制执行横截面流通面积。对于某些发动机应用(诸如对于废气再循环EGR)而言，希望降低ー个或多个进气ロ通道阵列39a-39d中的涡轮机效率。例如，在某些应用中希望在进气ロ宽度相对开放的情况下降低效率。例如这种效率降低可通过降低叶片的径向延伸程度(如图所示)和/或通过增加叶片的周向宽度或以其它方式配置叶片来减小有效的进气面积。可以通过提供对流动的其它障碍，例如轴向延伸到通道内的柱可进ー步减小进气面积。阵列的轴向宽度可減少以便增加有效的摩擦损失，以及叶片的旋涡角可配置成提供混合的旋涡。其它实例(未示出)可包括由相似的和均匀分布的柱构成的环，由柱构成的两个或两个以上的同心环，由不均匀和随机分布的柱构成的环，或者甚至是设置成逆转气体旋涡角的叶片构成的 环形(即使得气体在涡轮机相反的方向上旋转)的叶片构成的环。在本发明的上述实施例中，每个进气ロ隔板是环形的，因此围绕进气ロ 9的整个周边(周长)延伸。然而，每个进气ロ隔板可被视为包括在相邻进气叶片(或叶片部分)之间限定的相邻隔板部分的环形阵列。在图3-6所示的实施例中，每个隔板38的隔板“部分”对准以限定相应的环形隔板。然而，在备选实施例中，会希望有效地省略一些隔板部分，且在ー些实施例中，不再可能确定环绕进气ロ 9的整个周边延伸的单个进气ロ隔板的等同度(等效性)。在图8a至8f以及图9a至9d中示出各种备选实施例的非限制实例。这些附图是相应实施例的周边未滚轧部分的例如相应于图2和图5所示视图的示意性径向视图。图8a示出了一个实施例，其中进气叶片部分37a_37d在相邻的进气ロ隔板38之间以及在隔板38内和侧壁32、33之间延伸。不存在跨过隔板38连续的单个进气叶片37，其效果是独立的进气通道39布置成周向交错的环形阵列39a-39b (在轴向相邻的通道39之间存在周向重叠)。图8b是图8a中所示实施例的变型，其中一些叶片37确实延伸跨过进气ロ 9的整个宽度，而其它叶片部分仅仅在相邻的隔板38之间或隔板38与使能的进气ロ侧壁32/33 之间延伸。同样存在周向相邻进气通道39a-39d的四个环形阵列，但在这种情况下，每个环形阵列包括不同尺寸的进气通道39，在这种情况下，一些进气通道具有长方形的横截面，而其它进气通道具有方形的横截面。图8c示出本发明的一个实施例，其中进气叶片37分别从侧壁32和33延伸，但其中没有单个的进气叶片37延伸进气ロ 9的整体宽度。在这种情况下的效果是形成进气通道39a-39b的周向相邻的四个环形阵列，其中邻近每个侧壁32和33的通道具有长方形的横截面，而在隔板38之间限定的通道39b和39c具有常规的方形横截面。图8d示出本发明的一个实施例，其中进气ロ叶片37仅延伸跨过进气ロ 9的整体宽度的一半，在这种情况下，其从侧壁32延伸到中央进气ロ隔板38b。在这种情况下，只存在进气通道39a和39b的两个环形阵列，而39c和39d的每个“阵列”分别由单个环形通道路径39c和39d替代。虽然可设置没有任何叶片或跨过其的其它结构的单个“无叶片”空间39d，但是如果要设置两个无叶片空间(如图8d中所示)，那么将其隔开的隔板将需要支撑。这例如可以是下述形式，轴向延伸的至少三个小支柱围绕涡轮机进气ロ在该中央隔板和相邻隔板或侧壁之间间隔开。在侧壁32或33之一和通道的环形阵列之间(即在涡轮机进气ロ的一个轴向端处)的单个无叶片空间19c会是非常有益的。当套筒完全开放时，通过暴露所包括的无叶片空间，可变几何涡轮机的流通范围可显著增加。任选的，无叶片空间的径向向外的进气ロ在轴向上可比径向向内的排气ロ(未示出)更宽。附图8e和8f的实施例还包括没有任何叶片的至少ー个环形进气通道。在图8e的实施例中，单个的进气ロ隔板38和叶片37从侧壁32延伸到进气ロ隔板38，但不从进气ロ隔板38延伸到侧壁33。这形成相邻的进气ロ通道39a的第一环形阵列和单个的环形进气通道3%。图8f是图Se中所示实施例的ー个极端实例，其中仅存在单个叶片37，示出其从侧壁32延伸到单个的进气ロ隔板38。虽然在此仅仅示出单个叶片37，但是可以理解，存在径向相対的叶片37，这样在第一环形阵列中存在两个相邻的半圆形进气部分39a，以及轴向相邻的单个环形进气通道3%。在实践中，本发明不太可能被用于仅仅需要单对径向相对的叶片37的应用。在一些实施例中，存在至少六个叶片，以帮助确保叶片的两端足够靠近到一起而不会不切实际的长和导致过多的气体摩擦。这也可有助于气体以相对均匀的方式旋涡(例如围绕周向的恒定旋涡角)，如果少于六个叶片则难于实现上述。在一些实施例中，可存在至少9个叶片，优选存在至少12个叶片，通常存在至少14个叶片。举例来说，这种涡轮机进气ロ可具有9-18个叶片，对于非常小的涡轮增压器的涡轮机适于具有大约13-16个叶片以及对于非常大的机动涡轮机适于具有大约15-18个叶片。在本发明的一些实施例中，由隔板导致的表面摩擦可通过降低隔板和叶片的轴向延伸程度由此降低叶片长度而减小。如果有必要或需要，可増加叶片数目以便增カロ“叶片的稳固性”。根据目前可得到的材料，以及预期的气体脉动和温度变化，例如对于本发明的一些应用(例如重型发动机涡轮增压器应用)而言，周向分布多达30个气体通道会是合适的。在其它实施例中，例如对于轻型发动机涡轮增压器应用而言，周向分布多达40个气体通道会是合适的。例如对于燃料电池涡轮增压器应用而言，周向分布多达75个或以上的气体通道会是合适的(原因在于较低的排气温度和没有气体脉动)。对于在低温、低涡轮机压差、低的气体流速以及没有气体脉动和温度变化的情况下运行的非常大的涡轮机而言，周向分布100个气体通道会是合适的。因此周向分布的气体通道(可能所有都至少部分轴向重叠)数目会一般在8和 100之间。在其它实施例中，会在12和100之间，或在18和100之间(或许是23和100之间，可能是26和100之间或可以想象到的30至100之间)。根据本发明的一个实施例，可提供两个轴向分隔开的气体通道环形阵列，每个环形阵列具有12至100个周向分布的气体通道。为了简单起见，没有示出具有较大数目周向分布气体通道的这种结构，但应理解在此所述的结构是示例性的，所述的原则可适用于设置具有较大数目周向分布气体通道，任选的在18和100之间。因此，应该意识到，叶片数目可与图8a_8f所示的那些不同。图9a至9d示出其中叶片37延伸跨过进气ロ 9整个宽度的实施例，但至少ー个或多个进气ロ隔板可仅仅沿着部分进气ロ周边延伸。图9a示出本发明实施例，其包括延伸跨过进气ロ 9整个周边(在该情况下在侧壁32和33之间)的单个进气ロ隔板38和在其它对叶片37之间延伸的进气ロ隔板部分38a和38c (其延伸跨过进气ロ 9的整体宽度)。图9b所示实施例与图9a所示实施例的不同之处在于存在沿着进气ロ 9的整个周边延伸的两个隔板38a和38d，但是在此隔板38c分为在每ー其它对叶片37之间延伸的非连续隔板部分。图9c示出一个实施例，其中不存在沿着环形进气ロ 9的整个周边延伸的单个进气ロ隔板，而是进气ロ隔板38a-38c包括在相邻对的进气ロ叶片37之间延伸的隔板部分。在所示的特定实施例中，进气ロ隔板部分38b相对于进气ロ隔板部分38a和38c在周向上交错。単独的进气通道39在轴向上交错，因为在周向相邻的通道39之间存在轴向重叠。图9d的实施例示出喷嘴的另ー实例，该喷嘴不包括沿着环形进气ロ 9的整个周边延伸的单个进气ロ隔板。此外，该实施例示出在ー对叶片之间延伸的进气ロ隔板部分之间的间隔如何与在相邻对叶片之间延伸的进气ロ隔板部分之间的间隔不同。图8和9的实施例具有进气ロ通道39的常规规则阵列。但是没有必要是这种情况。例如，图10示意性示出一个实施例，其中不存在沿着环形进气ロ的整个周边延伸的单个进气ロ隔板，也不存在延伸跨过进气ロ整个宽度的单个进气ロ叶片。在该情况下，通道阵列是非常不规则的。在实践中，该特定模式可能不是特别理想的，但包括其以便示出根据本发明ー些实施例可获得的变型程度(存在制造业适用性的问题)。应该意识到上述的本发明的各个实施例的叶片或叶片部分可具有任意合适的横截面或构造。例如，叶片可具有相对传统的翼型构造。在一般情况下，其可有利于确保每个叶片的前边缘具有与每个叶片后边缘相比的厚度増加。叶片前边缘的厚度増加对于气流撞击到叶片上的入射角的任何变化提供更高的宽容性。也就是说，取决于涡轮机涡壳内的流量/压力，可以改变气体将撞击到叶片上的方向。如果气体以一定的角度撞击到简单的片状结构上，它可能会导致流动到里侧的气流与片状结构分开而留下显著降低效率的旋涡/紊流区。
此外，应该意识到，叶片的构造和/或布置可有所不同，以便形成具有所需构造的进气ロ流动通道39。例如，通道39弯曲而非沿着基本直线路径通常是有利的。鉴于根据本发明的各种可能的替代结构，因此不会总是可以将进气ロ喷嘴结构视为包括传统意义上的离散进气叶片或甚至叶片部分。因此类似的，可能会不能确定各个进气ロ隔板或隔板部分。相反，在更广泛的方面，它可能更适合于将本发明视为有关的进气ロ喷嘴结构，该进气ロ喷嘴结构可限定多个离散的进气通道，上述进气通道可采取不同构造，且可以各种不同的方式进行布置。与图3至图10中所示的本发明实施例相同，涡轮机喷嘴包括至少两个轴向间隔开的进气通道环形阵列。在一些实施例中，单个轴向“阵列”实际上可包括仅仅ー个周向上的进气通道。然而，在大多数实施例中，预期每个环形阵列将包括围绕环形进气ロ在周向上间隔开(例如相邻)的许多进气通道。在本发明的任意给定实施例中，可以不同的方式来确定周向间隔开的进气通道39的环形阵列。例如，图Ila至Ild示出图9d的实施例，但是可以不同的方式确定周向间隔开的通道39的轴向间隔开的环形阵列。例如，首先參照图11a，确定四个进ロ通道39a至39d的环形阵列。在该情况下，第一阵列的进气通道39a具有不同的轴向宽度，但是彼此相邻。第二阵列的每ー进气通道39b具有相同的轴向宽度，但彼此相对交错(错开)，且并不总是彼此相邻。周向间隔开的进气通道39c的第三环形阵列确定成具有相同的轴向宽度和位置，但并不彼此相邻。最后，周向间隔开的进气通道39d的第四环形阵列相应于第一阵列39a。对于本发明的任何特定实施例而言，没有必要确定进气通道的两个以上的不同轴向间隔的环形阵列，甚至可存在两个以上的此类阵列吋。例如，图Ilb示出间隔开的进气通道39a和39b的仅仅两个环形阵列。在该情况下，每个环形阵列内的进气通道相对于彼此在周向和轴向上都不相邻。在图Ilc中示出周向间隔开的进气通道的两个不同环形阵列39a和3%。在该情况下，第一阵列的进气通道39a实际上与第二阵列的进气通道39b在周向上相邻，通过每个阵列的通道轴向尺寸的重叠来获得轴向间距。也就是说，进气通道39b具有大于进气通道39a的轴向宽度，这样每个进气通道39b的至少一部分与进气通道39a轴向间隔开。最后，图Ild示出确定进气通道39a和39b的两个轴向间隔开的环形阵列的另ー种方法。在该情况下，通道39a和39b彼此轴向相邻，但每个阵列的通道39在周向上并不相邻。
应该理解，根据本发明的进气通道的进ー步可能的不同环形阵列可由图Ila-Ild所示的本发明实施例来确定，且与本发明的其它实施例类似，可以不同的方式来确定进气通道的轴向间隔开的不同环形阵列。根据图3至图11所示的本 发明所有实施例，每个进气通道39具有大体为直线形的横截面。然而，替代的横截面部分也是可能的，诸如像在图12和13中所示的由进气ロ侧壁50限定的菱形或六角形横截面。这些是实施例的实例，其中不一定适当地将任意单个的进气ロ侧壁50视为构成传统意义上的叶片或有别于进ロ叶片的进气ロ隔板。然而，在每一种情况下，喷嘴结构清楚地包括多个进气通道39。在图12或13中示出确定周向间隔开的通道39a和39b的两个轴向间隔开的不同环形阵列的ー种方法。在这些实施例的每ー实施例中，在所确定的每ー环形阵列的进气通道在周向上彼此相邻。这些实施例的另ー个特点是，跨过进气ロ轴向间隔开的相邻环形阵列在一定程度上彼此重叠。也就是说，第二环形阵列的每ー独立进气通道39b的一部分与第一环形阵列的每ー进气通道39a的一部分轴向重叠。据信这种喷嘴结构将进ー步缓和涡轮机效率的任何倾向，以便具有带有不同进气ロ尺寸的“逐阶”特点。跨过进气ロ轴向间隔开的相邻环形阵列以另外ー种方式彼此重叠。也就是说，第ニ环形阵列的每ー独立进气通道39b的一部分与第一环形阵列的每ー进气通道39a的一部分轴向重叠。据信这种喷嘴结构将进ー步缓和涡轮机效率的任何倾向，以便具有带有不同进气ロ尺寸的“逐阶”特点。图14和15示出与图12和13相同的实施例，但是示出确定进气通道39a和39b的轴向间隔开的环形阵列的不同方法。在该情况下，在每ー实施例中确定轴向间隔开但不轴向重叠的两个进气通道环形阵列。再次应该意识到，进气通道的精确构造通过限定上述构造的壁来控制，以及可将喷嘴结构设计成在喷嘴结构内的不同进气通道具有的构造与同一喷嘴结构内的其它进气通道的构造不同。例如图16中示出图12和13所示的“蜂窝型”实施例的变型。根据该实施例，进气ロ侧壁50同样限定大体为六角形的进气通道39，但在该情况下，阵列是稍微有点不规则的。示出确定两个轴向间隔开的进气通道30a和39b的实例的ー种特定方法。应该意识到通过采取类似于例如关于图Ila至Ild上述的方法来确定交替间隔开的进气通道环形阵列。在图3至图16所示以及上述的本发明所有实施例中，喷嘴结构包括多个进气通道，上述进气通道包括分别与其它两个进气通道周向和轴向间隔开的至少ー个进气通道，或实际上与其它两个进气通道的每ー个都周向和轴向间隔开的至少ー个进气通道。上述间隔可是如此的以致于至少一些通道彼此相邻，并且在至少ー些通道之间可存在轴向和/或周向的重叠。表达这种关系的一种其它方式是在所示的每一本发明实施例中，可以确定周向间隔开(以及可能相邻和/或周向重叠(或交错))的第一对进气通道，以及可以确定轴向间隔开(以及可能相邻和/或周向重叠(或交错))的第二对进气通道。根据如何确定上述成对的进气通道，在某些情况下可能仅仅需要三个通道来限定上述两对进气通道，其中第一和第二对共用一个进气通道。例如，图17示出了图13和15所示的上述实施例。參照图12，第一进气通道60与第二进气通道61周向间隔开且与第三进气通道62轴向间隔开。在该情况下，通道彼此相邻。类似的，单个进气通道63与进气通道64周向间隔开以及与进气通道65轴向间隔开。在此通道不相邻。例如进气通道60和61可被视为包括第一对周向间隔开的进气通道(以及凭借其轴向重叠而轴向间隔开)，以及进气通道60和62可被视为包括轴向间隔开的第ニ对进气通道，其中上述第一和第二对共用单个进气通道60。类似的，例如进气通道63和64可被视为包括周向间隔开但非相邻的第一对进气通道，以及进气通道63和65可被视为包括轴向间隔开(且在该情况下还周向间隔开)的第二对进气通道，在该情况下上述第一和第二对共用单个进气通道63。备选的，例如进气通道60和63可被视为包括第一对周向间隔开的进气通道，以及进气通道64和65可被视为包括第二对轴向间隔开的进气通道參照图18到20，这些示出本发明的实施例的视图，其包括轴向横截面通常分别相应于图7a、7b和7d的“菱形”进气通道39的阵列。其示出喷嘴向内渐细，包括随着半径减小而变窄的不同进气通道39。应该意识到，同样的方法可采取例如在图13和15中所示的六边形进气通道阵列。更一般性的，应该意识到，进气通道39的构造可在本发明的实施例之间显著变化。例如，进气通道39可具有相对于涡轮机叶轮5的旋转方向的更大或更小程度的向前扫掠，以便导致进气气流中的更多或更少的旋涡。扫掠的程度(或旋涡角)可沿进气通道的长度变化。不同的进气通道可具有不同的旋涡角。例如，一个进气通道环形阵列的所有进气通道可具有相同的旋涡角，但是可与另ー进气通道环形阵列(例如相邻)的旋涡角不同。此外，个别(単独的或不同的)进气通道39可具有沿其长度为恒定的横截面面积，或其可渐细，或例如其可变窄然后再次在其上游到下游两端之间扩展。例如在进气通道进气ロ处的横截面积可从ー种尺寸和/或形状变化到在其排气ロ处的另ー种尺寸和/或形状通。例如横截面形状在其进气ロ处可为菱形或六角形，且逐渐变为在其排气ロ处的更为长方形或正方形的形状。在本发明的一些实施例中，合适的是使得进气通道39受限到径向平面，例如大致等同于已知的涡轮增压器喷嘴设计，其包括直形叶片，即上述叶片位于包含涡轮增压器轴的平面上。參照图18，例如，如前所述，随着套筒30的轴向移动，进气ロ 9的尺寸也改变。喷嘴的进气通道39具有两个大体上为径向的气体通道(在使用过程中其将气体向内大体上为径向朝向涡轮机叶轮引导)。这两个大体上为径向的气体通道39在周向上彼此间隔开，且布置成使得每个气体通道39具有ー个开ロ，该开ロ布置成单个的大体为圆柱形轴向滑动套筒可轴向移动经过气体通道，并且可选择性地关闭开ロ的至少一部分。滑动套筒还可大体上关闭两个气体通道39中的每个开ロ。气体通道39的每个开ロ在轴向方向上重叠。当套筒处于第一位置吋，套筒可关闭两个开ロ的第一开ロ的至少一部分，而两个开ロ的第ニ开ロ基本不由套筒阻断而完全畅通无阻。例如，套筒可使两个开ロ的第二开ロ完全暴露于进气涡壳。在套筒的第二位置，套筒至少部分关闭第一和第二开ロ。虽然从某种意义上而言，例如图12和13中所示的“菱形”和“蜂窝状”结构没有必要被视为包括传统意义上的叶片，或清楚分辨的隔板，但实际上其可由合适构造的离散进气ロ隔板来构建这种喷嘴结构。例如，图21示出如何通过将轴向相邻的隔板压到一起来构建图13中示意性示出的结构，在图中标出其中的四个78a-78d。这些隔板的每ー个是环形的，但沿着“波状垫圈”的线在周向上成波状，且以“异相”对准(在周向上交错)，这样在相邻隔板之间限定六边形的进气通道39。如果每个隔板的波纹严格地径向延伸，则每个进气通道39将沿半径延伸。然而，通过使得波纹相对于周向方向向前扫掠，可限定类似向前扫掠的进气通道39。上述在图22a到22d中示出。图22a示出隔板80中的七个隔板，上述隔板在组装到喷嘴结构内之前设置螺旋波紋。为了形成最終的喷嘴，可通过任何适当的方式将隔板80压在一起且相互结合。图22b是通过涡轮增压器一部分的横截面，其中最終的喷嘴结构保持原位。图22c是沿着涡轮增压器轴4m看去的环绕涡轮机叶轮5的喷嘴结构的端视图，以及图22d是例如相应于图18的轴向横截面。应该意识到可对图21和图22a至22d所示的本发明实施例进行各种变型。例如，波纹或波浪可采取各种形式，包括正弦和对角线或“V”形，或适于限定进气通道39的所需构造的任何其它形状。此外，根据所示实施例，每个隔板80为波纹构造，但在其它实施例中，希望将非波纹状(波状)(例如严格意义上的径向)的隔板放置到ー对或多对波状隔板之间以便改变进气通道39的构造和跨过进气ロ的某些轴向位置。类似的，个别(単独的或 不同的)波状隔板80可以下述方式压到一起，使得隔板80之间的接触面积大于或小于图16至17中所示的那些，从而同样改变进气通道的构造。事实上，接触面积可跨过喷嘴结构的半径来限定进气通道39，其具有相应的不同(变化)横截面面积。存在用于将隔板结合到一起的各种可能性。例如隔板可被焊在一起(例如使用银钎焊或适于在涡轮机进气ロ内所经受高温的其它钎焊)，或相邻隔板可设置有配合结构，诸如互补的突起和凹进处。备选的，隔板可被点焊到一起。对于本领域的合适技术人员而言明了其它适当的制备方法。根据图21和图22a至22d所示的本发明实施例，相邻隔板以反相对准，使每ー其它隔板70直接对准。这将形成蜂窝状结构，其中轴向相邻的进气通道39沿着涡轮增压器轴精确对准。但是，通过在如图23所示的每个连续隔板内引入稍微周向的偏离，轴向相邻的进气通道39可如线90所示那样在周向上错开，示出线90与虚线91成一定的角度，虚线91平行于涡轮增压器轴。例如当套筒处于开放位置时，上述可用于部分缓解涡轮机叶片的高周疲劳。在一些实施例中，隔板通常可为环形，且具有大致为双曲抛物面的表面(即通常由双曲抛物面表面部分限定的表面)。通常将双曲抛物面称为具有鞍形。在笛卡尔几何坐标系中通过下述方程可限定一种类型的双曲抛物面f へ—ニ.
ベ·. Ui其中x，y和z是三维的笛卡尔直角坐标，以及a和b是常数。在某些情况下，a和b可具有大致相同的值。双曲抛物面或“马鞍”形隔板可包括任何数目的角，边缘或位于隔板主平面上方或下方的顶点。虽然这种隔板通常采取四个这种角，边缘或顶点，但是根据需要，其可采取任意其它数目，诸如六个，八个或更多。图24示出一种替代方法，用于形成与图21所示基本相同的蜂窝状结构，但其由单个螺旋隔板结构100形成，而不是由例如如图21中所示的不同环形隔板形成。例如如图16中所示的结构也可由波状隔板制成，但具有所限定的构造以便形成如图所示的更“不规则”的蜂窝状阵列。在该情况下，并返回參照图16，例如通过将如图中粗线所示的三个不同构造的环形隔板(其中两个互为镜像)压到一起或以其它方式结合到一起来设置壁50，其示出三个隔板彼此相邻压下，以及第四隔板邻近进气ロ 9的壁33。如图25a和25b中所示，ー些流通通道可被阻断以便调整相应于某些进气ロ宽度的区域中的效率。例如在图25a和25b中示出在喷嘴轴向端部处的部分六角形通道被阻断。在图25b的情况下，当这些通道暴露于进气流体时，这些区域中通道的轴向宽度减小，上述有助于减少叶片上的振动。无论喷嘴组件(例如叶片/隔板或“蜂窝状”结构的组件)的构造或其构建方法，限定改变通过进气ロ气体流动路径尺寸的进气通道和/或套筒的表面至少部分涂敷有用于在涡轮机运行的高温下氧化烟尘的合适催化剂，以便有助于防止烟尘在喷嘴表面上的沉积和积聚。本领域的技术人员应该意识到，有很多种不同的方法可以用来构造根据本发明的喷嘴组件和进气ロ结构的其它细节。例如，在蜂窝状结构的情况下，喷嘴组件可由离散的部 段构造而成。上述部段可限定一个或多个进气通道。这些部段可具有相同的形状或不同的形状。在一些实施例中，上述部段可以首尾相接的方式在周向上布置以便形成蜂窝状结构。备选的，上述部段这些配件可交叉或者镶嵌以便形成喷嘴组件的环形部分。例如，在图3、图4a-4b、7a-7d、18_20及22a_22d示出的本发明实施例中的每ー个实施例示出涡轮机进气ロ结构，其中套筒30围绕喷嘴结构的外径滑动，这样套筒起到在其上游端处阻断/开放进气通道的作用。然而，在本发明的替代实施例中，圆柱形套筒可位于喷嘴的内径上，这样圆柱形套筒可在其邻近涡轮机叶轮的下游端处打开和封闭进气通道39。例如，图26a至26c示出在图3和图4a_4b中所示的本发明实施例的变型，其中修改了的套筒130滑动跨过进气通道39下游的进气通道9，这样其在喷嘴和涡轮机叶轮之间滑动。本发明的该实施例的其它细节基本与关于图3和图4a-4b中所示和所述的那些基本相同，以及合适时可使用相同的附图标记。唯一明显的差异在于适配直径减小套筒130所必须的那些，即重新定位两个喷嘴环之ー的标为喷嘴环132的那些，以及支撑杆31连接到其的凸缘130a。具体的，应该意识到如上所示和所述的各种喷嘴结构的每ー个以及如上所述的所有变型可包括在其中套筒130在进气ロ喷嘴的内径处围绕涡轮机叶轮定位的本发明实施例中。在本发明的一些实施例中，有利的是提供两个可轴向滑动的套筒，其包括沿着进气通道的外径定位的第一套筒和位于进气通道内径处的第二圆柱形套筒。在这种情况下，第一和第二套筒可具有跨过进气ロ 9宽度的相同径向延伸程度，或在至少ー个位置处两个套筒的一个可比另ー个延伸的更远，这样在这种位置中，环形进气ロ的整个轴向宽度从其上游到其下游开ロ可不同。两个套筒可联接到一起(或成一体)，以便作为ー个单元进行致动，或者独立地设置和致动。以上所述的本发明实施例示出套筒30和130从涡轮机叶轮的轴承座侧延伸跨过环形进气ロ 9。在本发明的其它实施例中，套筒可从涡轮机叶轮的涡轮机壳体侧延伸跨过环形进气ロ 9。换句话说，套筒和致动机构可容纳于涡轮机壳体内而不是轴承座内。在图27a和27b、28a和28b中示出本发明这种实施例的实例。从涡轮机侧致动套筒可有利于缓解涡轮机叶片的高周疲劳，因为套筒几乎被封闭时，只暴露出一个环形进气通道。当套筒从涡轮机侧封闭时，那么通常朝向轴承座侧以及朝向涡轮机叶轮的后部关闭，此时涡轮机背面更牢固地支撑涡轮机叶片。然而还应当指出，虽然可能在一侧上设置执行器，其设置成从另ー侧经由ー个或多个支柱(一般至少两个，通常情况下三个将是必要的)拉动套筒。因此，致动器可处于轴承座中，且通过ー些“拉杆”(未示出)连接到涡轮机壳体内的套筒。“拉杆”朝向轴承座拉动套筒，以阻断进气ロ。备选的，致动器可处于涡轮机壳体内通过“拉杆”连接到套筒，从轴承座朝向涡轮机壳体侧拉动套筒，以阻断进气ロ。未示出这些实施例，部分原因是为了简洁起见，部分原因是因为它通常会优选地将致动器和套筒设置于环形涡轮机进气ロ的相同侧上。
如果需要拉杆，希望将上述拉杆在周向上与叶片对准，例如沿着一些叶片(例如三组轴向分隔开的叶片)边缘(例如径向外边缘)，上述叶片可能是周向对准(即非交错)的叶片。拉杆系统(未示出)的ー个可能优势是其可有助于将套筒围绕喷嘴对准(由于套筒系统的额外轴向长度)，从而防止倾斜和形成卡住。执行拉杆系统的另ー个原因是获得轴承座致动的益处，同时也减轻由套筒从涡轮机侧滑动导致的涡轮机叶片的高周疲劳。首先參照图27a和27b，喷嘴组件通常由附图标记34表示，且可采取上述的任意形式及其替代形式。图27a和27b的实施例和例如图3的实施例之间的显著差异是圆柱形套筒230安装在腔室240内，该腔室240限定在涡轮机壳体I内而非轴承座3内。由于套筒230定位于上述不同的位置，这样其从涡轮机侧到轴承座侧滑动跨过进气ロ 9，安装和致动套筒的方式非常类似于图3中所示的方式。也就是说，套筒230安装到链接到致动器轭243的导杆241上，该导杆241依次由包括气、液压和电动的各种不同形式的致动器致动。在所示的实例中，导杆241滑动支撑在轴衬244内。喷嘴组件34包括第一喷嘴环232，其限定进气ロ 9的第一侧壁；以及第二喷嘴环233，其封闭通到进气ロ 9的环形凹槽240，由此限定进气ロ 9的第二侧壁。环形密封圈107设置成相对于喷嘴环233密封套筒230。应该意识到，在本发明该实施例中运行的其它方面将基本与本发明的其中套筒30从轴承座侧致动的上述实施例的那些方面相同。具体的，进气通道39将以大致相同的方式起作用。參照图28a和28b，这些示出图27a和27b中所示实施例的变型，其中套筒330位于喷嘴组件34的内径上而不是外径上。在该特定实施例中，喷嘴组件34位于壳体I的侧壁332和面对的侧壁332之间，该面对的侧壁332位于环形进气ロ 9的相对侧且其封闭环形腔室240，导杆241滑动支撑在环形腔室240内。在此同样的，套筒330通过凭借轭243链接到套筒的任意合适的致动器进行致动。在该实施例中，腔室240通过支撑于环形构件335内径上的密封圈334相对于环形进气ロ 9进行密封。如上所述，本发明的其它实施例可包括两个平行的套筒，一个位于内径上以及另一个位于外径上，上述套筒可布置和控制成一起移动或彼此独立地移动，并可具有不同的长度。可对套筒的结构做出各种变型。例如，图29a和29c示出套筒30自由端的三种可能的不同轮廓。其中图29a的套筒30具有方形端，套筒30的自由端可弯曲，或另外以如图29b和29c中所示的其它流线型。当气体通过进气ロ 9的开放部分流经套筒时，这会提高空气动力学效率。图30a和30b示出适于套筒30的两种可能布置，其包括邻近套筒30自由端的活塞式密封环100，从而防止气体在套筒30和根据本发明的通常由附图标记101标识的喷嘴阵列。应该意识到喷嘴组件101可具有上述的根据本发明的任何可能构造。还应该意识到，套筒30的自由端例如可如图29b和29c中所示那样的构造(且如果处于喷嘴内径处，可为相反轮廓，即位于其外径上)。可采取这种形状以及诸如径向脊(未示出)的其它形状，以便改变涡轮机的空气动力学效率或改变套筒经受的轴向或径向空气动力。现在參照图31，示出根据本发明优选实施例的采用可轴向滑动的套筒401和隔板/叶片的布置的涡轮机的横截面视图，其中叶片402如此设置以致于其径向内边缘403(即，限定隔板/叶片结构排气ロ的叶片表面)与其径向外部边缘404 (即，限定进气ロ到隔板/叶片结构的叶片表面)相比具有较少(或最小的)的轴向重叠。图32a和32b是根据本发明另外备选实施例的隔板/叶片结构的透视图和侧视图，当其安装在通到涡轮机的环形进气口内吋，将进气ロ分隔成轴向重叠的至少两个轴向偏离的进气通道。图33和34仍然是根据本发明另外备选实施例的隔板/叶片结构的透视图，当其安装在通到涡轮机的环形进气口内吋，将进气ロ分隔成轴向重叠的至少两个轴向偏离的进气通道。也可能对套筒的相对侧(即接触喷嘴的边缘)进行成型或倒角以便使得运行平稳，以及减轻例如隔板对套筒卡住的可能性。此外，应该意识到，包括在图29a_29c、25a和25b所示那些的这些可能性可适用于套筒，不管是否其安装在轴承座或喷嘴的涡轮机壳体侧，以及不管其是否安装在喷嘴的内径或外径上或者两者上。根据本发明的喷嘴结构可配置成给不同的进气ロ宽度(即，对应于ー个或多个套筒的不同位置)提供不同的效率。例如，如关于图3至6实施例在上面所述的那样，隔板可跨过进气ロ的轴向宽度非均等间隔开。当套筒能够移动到在隔板位置之间的位置时，与两个相对紧密间隔开的隔板之间相比，在两个相对稀疏间隔开的隔板之间的中间位置处的效率更低。以该方式来调节喷嘴效率的能力具有很多应用。例如，涡轮增压发动机可具有废气流动路径，以便将废气返回到发动机进气ロ内。这种系统一般被称为“废气再循环”系统或EGR系统。EGR系统被设计成通过再循环废气部分以便再燃烧来降低自发动机的微粒排放量，这通常是必要的以满足日益严格的排放法规。将再循环的废气引进升压的进气ロ气流内会要求在“短路线"EGR系统中存在升高的排气歧管压カ，其中再循环废气从废气经过到达发动机进气ロ，而不到达涡轮增压发动机。可变几何涡轮增压器可用于帮助废气升高到再循环所需的压力，以便提高在涡轮机上游的废气中的“背压”。当以这种方式使用可变几何涡轮增压器吋，已经发现其有利于降低在某些进气ロ宽度处的涡轮机的运行效率。根据本发明通过构建喷嘴(例如，将进气ロ隔板间隔开)可以实现上述，这样进气通道39在套筒的中间行程位置的区域中特别宽(轴向)。例如，在两个以合适宽度定位的隔板之间，对于套筒而言存在一系列相对低效的位置，通常对应成对隔板在三分之一到三分之ニ开放的位置，且当整个进气ロ超过半开吋， 可以选择隔板位置来提供低效运行。当套筒完全开放时，或实际上完全或几乎完全关闭吋，形成的这种故意低效对于喷嘴的效率不会具有任何显著影响。这将有可能实现由根据本发明的“蜂窝”式喷嘴结构类似的效果，通过确保进气通道39在绕喷嘴组件中点或相应于效率降低到零的进气ロ宽度的喷嘴任意其它轴向位置具有的更大的最大轴向宽度。在本发明的一些实施例中，在相应于套筒关闭或相对关闭位置的进气ロ区域内，它可能有利于减少隔板间距(或以其它方式増加进气通道39的轴向尺寸)。也就是说，使用给定数量的隔板可有利于将隔板靠近完全封闭位置更紧密地布置到一起。对于任何给定数量的隔板，这可能会增加套筒处于相对封闭位置时的效率。可对本发明的某些实施例进行各种其它变型。例如，套筒可设有ー个或多个旁孔，当套筒处于封闭或“过度封闭”位置吋，上述旁孔仅暴露于通过进气ロ的气流。“过于封闭”位置被认为是其中套筒轴向移动超出完全阻断进气ロ所必要位置的那些位置。旁孔例如可允许废气流出通过套筒朝向涡轮机进气ロ、朝向其进气口下游的涡轮机(例如，经由涡轮导流罩)或甚至涡轮机的下游流动而完全旁路经过以便增加涡轮机下游的废气温度，其有利于氧化下游微粒过滤器收集的烟尘，以便过滤器再生。在其它应用中，可通过允许套筒移动到“过于封闭”位置从而打开备选的气体流动路径来获得其它有利的空气动力学效果。
类似的，在本发明的一些实施例中，有利的是套筒可移动到“过度开放”位置以暴露旁路气体通道，当套筒移动通过其正常工作范围以便控制进气ロ的尺寸吋，上述旁路气体通道通常不开放。这样的旁路通道可以例如提供废气门功能，该功能可以增加涡轮机的有效流动范围。例如，旁路通道包括一个或多个旁孔，其形成于延伸到滑动套筒(例如，作为通到套筒的延伸部分)内侧的圆柱形表面内。这种布置尤其适合于涡轮机侧安装的套筒。在备选布置中，套筒移动到“过度开放”位置会暴露设置于涡轮机壳体内的开孔，从而打开旁路流动路径。这种布置特别适合于安装在进气ロ轴承座侧的套筒。诸如在US7207176中披露的旁路布置适用于本发明的实施例。应该理解，虽然关于涡轮增压器的涡轮机对本发明实施例进行了描述，但是本发明并不限于应用于涡轮增压器，而是可结合到其它设备的涡轮机内。这种替代的非限制实例包括电动涡轮机，蒸汽涡轮机和燃气涡轮机。在涡轮机为涡轮增压器一部分的实施例中，涡轮增压器可以是涡轮增压的内燃机的一部分，诸如像压缩点火(柴油)发动机，或汽油直喷(⑶i)发动机。这些应用包括多个涡轮增压器，其包括根据本发明的涡轮机。其它可能的应用包括燃料电池涡轮增压器或涡轮机。根据本发明的涡轮机可包括排气门，其可独立于套筒(或多个套筒)进行控制。可以使用废气门的常规设计。本发明可用于多级(阶)涡轮机布置的一个或多个涡轮机中。例如，根据本发明的径向流入涡轮机可与径向或轴向的第二涡轮阶段相结合。多阶涡轮机可安装到同一涡轮轴上。根据本发明的涡轮机同样可包括在多个涡轮增压系统的涡轮增压器中。例如，串联或并联布置的涡轮增压器可包括根据本发明的涡轮机。根据本发明的涡轮机也可用于产生电能(例如在汽车系统)，或可用于余热回收系统中(同样特别适用于汽车应用中，例如诸如水或制冷剂液体的辅助流体通过低级发动机/废热煮沸，并膨胀以便驱动涡轮机)。辅助流体甚至可以为布雷顿循环所述的压缩空气。涡轮机进气ロ涡壳可为被分隔开的涡壳。例如，已知可以提供具有被分隔为多于ー个腔室的涡壳的涡轮增压器涡轮机，每个涡壳腔室连接到不同组的发动机气缸。在这种情况下，上述分隔部通常是将涡壳分隔为轴向相邻部分的涡壳内的环形壁。还可以在周向上分隔涡壳，这样涡壳的不同弧形部分将气体传送到涡轮机进气ロ的不同弧形部分内。已经在附图中利用单个流体涡壳对本发明的涡轮机进行了说明，但它也适用于轴向分隔开的壳体，由此来自发动机的一个或多个汽缸的气体被导引到被分隔开的涡壳之一内，而来自ー个或多个其它汽缸的气体被导引到不同的涡壳内。还可能将涡轮壳体沿周向分隔开以便提供多个周向分隔开的涡壳，或甚至将涡轮壳体在周向和轴向分隔开。但是应将轴向或周向分隔开的涡壳与本发明的轴向和周向分隔开的进气通道相区分开。例如，后者(进气通道)涉及到喷嘴结构，其布置成使得从涡壳接收的废气加速流向涡轮机，并且当其加速时任选地调整或控制气体的旋涡角。虽然原则上可为直形的进气通道，但是它们通常都是弯曲的，以便有效控制气体的旋涡角。进气通道也可与分隔开的涡壳相区分，因为前者(进气通道)接收来自涡壳(或分隔开的涡壳)的气体，且将气体分为路径阵列。相比较而言，分隔开的涡壳接收来自废气歧管的气体，以及通常接收来自发动机不同气缸的气体，以便保持由単独的发动机汽缸打开事件导致的气体脉冲的气流速度。这样，分隔开的涡壳将气体传送到环形进气ロ，而本发明的进气通道接受来自涡壳的气体。本发明结合轴向分隔开的蜗壳是可能的。在这种实施例中，轴向分隔进气通道的ー个或多个隔板将通常与轴向分隔蜗壳的ー个或多个壁不同。本发明结合周向分隔开的蜗壳是可能的。分成两个周向间隔开的蜗壳的壁可径向向内延伸，以便进一歩用作叶片之ー(同样设置成滑动套筒在进气通道的内径处运行)。备选的，这种蜗壳分隔壁可径向向内延伸且邻近滑动套筒，这样套筒在蜗壳分隔壁的径向内侦牝而不是进气通道的外側。这种布置有利于减轻在单个蜗壳涡轮机中所经历的气体脉冲中的气流速度损失，以及有助于导引滑动套筒，以减轻其变得不对准从而卡住的可能性。已经关于径向流入涡轮机对本发明进行了通常的描述。然而，没有必要将流动完全限制到径向平面，相反可执行适度锥形的进气ロ。此外，本发明可应用干“混流”涡轮机，由此锥形进气ロ在高达45度的区域中或涡轮机壳体被轴向分为多于一个蜗壳的区域中具有锥角，每个具有不同程度的混流方向。例如一个蜗壳可具有大体在径向平面内的进气ロ，而第二蜗壳可具有在45度区域内向后延伸的进气ロ。本发明可应用到这种实施例的ー个或两个蜗壳。目前所的发明可应用于轴向分隔开的涡轮机壳体的情况中，其中一个蜗壳将气体轴向引入到涡轮机，而另ー个蜗壳径向引导气体，或在中间角度处将气体引导到涡轮机。本发明也适用于双(或多)阶涡轮机。因此，它可应用于多阶的第一阶段，该阶段是径向流入阶段(或混流式涡轮机阶段)，以及存在ー个或多个附加阶段，诸如轴向涡轮机阶段和/或径向排气涡轮机阶段。
如上所述，本发明可执行为改变轴向分隔开的蜗壳涡轮机的至少ー个或一些的几何形状。事实上，其可提供如本文所述的两个可变几何机构，其利用两个滑动套筒，以便独立地改变两个轴向分隔开的蜗壳的流动。本发明可结合诸如在US4557665，US5868552，US6931849中所述的现有技术中的滑动可变几何涡轮机机构。例如圆柱形的滑动壁上还另外可设有径向滑动壁。圆柱形滑动壁用于改变所暴露的进气通道的数目，而滑动径向壁用于改变第二组进气通道的跨度，第ニ组进气通道与其它进气通道处于不同的径向延伸程度。将本发明于现有技术的滑动可变几何涡轮机机构相结合的另ー种方式是在轴向分隔开的蜗壳涡轮机的两个不同蜗壳内执行两种类型的可变几何机构。执行这些机构的结合的第三种方式是将它们设置在多个涡轮机系统的不同涡轮机上，诸如双阶段涡轮增压器。本发明可以结合诸如在US6779971或US2008118349中所述的摆动叶片可变几何机构来执行。实现上述的ー种可能的方式是提供摆动叶片阵列，每个叶片具有特定隔板(例如圆形)，其与环形隔板平齐布置。环形隔板具有足够的间隙以便允许叶片在预定的角度之间旋转。如本文所述的滑动套筒可允许滑动到环形隔板的内侧或外側。该设计存在一些技术挑战，因此优选的是使得摆动叶片阵列位于如本文所述的轴向分隔开的进气通道阵列的径向内侧或径向外侧，但是上述的优势是具有相比较小的成本。将本发明与摆动叶片系统相结合的第三以及可能更好的方式是 将具有摆动叶片阵列的双进气ロ(轴向分隔开的蜗壳)涡轮机设置在一个蜗壳内，以及将本文所述的滑动套筒和轴向分隔开的隔板设置在第二蜗壳内。将本发明与摆动叶片系统相结合的第四以及可能甚至更好的方式是在ー个系统(例如，在双涡轮增压发动机系统内)内设置两个涡轮机(例如，两个涡轮增加器)，其中之一具有摆动叶片涡轮机，而另ー个是根据本发明的涡轮机。在本文中所述的轴向分隔开的气体通道和滑动套筒也可结合如在JP10008977中所述“变流涡轮机”设计来执行，在这些设计中，“变流涡轮机”具有内部主蜗壳以及外部(或在极少数情况下轴向相邻)的流延”蜗壳，其入口由形状类似于传统瓣阀或废气旁通阀的阀来控制，本发明可以实现改变从外部蜗壳返回到内部蜗壳的流动路径的横截面积。这会减轻外部蜗壳在其进气ロ处具有这种阀的需求。备选的/另外的，本发明可以实现通到涡轮机的内部蜗壳的流通横截面积。另外的/备选的，本发明还可在多涡轮系统(或多涡轮增压器)中实施，ー个展示为本发明的涡轮机，另ー个展示为如JP10008977所述的“变流涡轮机，，。上述论述了用于致动进气ロ套筒的机构的实例，但是应该意识到合适时可将其它机构应用于本发明的不同实施例和应用。根据本发明的涡轮机喷嘴可以结合在DE102007058246中所述的周向滑动的蜗壳舌部延伸器来执行。根据本发明的涡轮机喷嘴可以结合为非对称壳体的多个蜗壳涡轮机壳体来执行，其中一个蜗壳大于另ー个蜗売。蜗壳之间的隔板可能会或可能不会延伸到环形喷嘴内。根据本发明的涡轮喷嘴可以启用成还致动第二设备，例如不同涡轮机、升压溢流阀的可变几何机构，或可变几何的压缩机机构。根据本发明的涡轮喷嘴可结合在流体膜轴承(例如，送油)上操作的轴来执行，且可结合在滚动元件轴承(即球轴承)上操作的轴来执行，但诸如空气静压轴承、气动轴承或磁性轴承的其它轴承也是可能的。根据本发明的涡轮喷嘴可以实现驱动电机。例如，其可以驱动支撑涡轮机、压缩机和发电机的轴。发电机可在压缩机和涡轮机之间，或者它可在压缩机的轴向外側，尤其是越过压缩机。根据本发明的涡轮喷嘴可以结合双壁或另外的绝热涡轮剂壳体结合来执行。备选的或另外的，涡轮机壳体例如可由水冷冷却。备选的或另外的，涡轮机壳体可设置非金属层，例如绝缘陶瓷或芳纶纤维或阻燃的替代性纤维。
此外，根据本发明的涡轮喷嘴(或实际上滑动套筒)的材料可为陶瓷、金属陶瓷、替代金属。如果是金属的话，金属可以是任意的钢，或镍基合金，诸如因科镍合金。可设置有涂层，例如在喷嘴和套筒的滑动界面上可能具有类金刚石碳涂层，阳极氧化涂层，或司太立(tribaloy)涂层或替代的耐磨涂层。空气动力学表面可设有促进光滑度或耐腐蚀的涂层。这种涂层可包括非沉积涂层，诸如等离子电解氧化层或替代的涂层。任选的，喷嘴或套筒可设有可为集成传感器的传感器(诸如压力、温度、振动或速度传感器)。这种传感器将需要与其它金属部件电绝缘。根据本发明的涡轮喷嘴可结合降噪装置来执行，上述降噪装置如吸收或反射型消音器，其中包括四分之一波或亥姆霍兹共振器。这些原则上可设置于任何气动表面上。根据本发明的涡轮喷嘴可结合涡轮轴上的油封装置来执行，上述油封装置可包括如活塞环的双向密封装置。可设置如现有技术中已知的一系列挡油环和其它油封。根据本发明的涡轮喷嘴可结合低限弯管来执行，例如在涡轮机排气ロ处，弯管具有在弯曲处的扩大部分。涡轮机可具有阀，其配置成控制在两个或多个蜗壳之间的进气ロ流量的比率，或控制诸如发动机汽缸的各种气源之间的流量(或背压)比率。涡轮机进气ロ可形成为具有排气歧管的连续元件。可执行广泛的控制策略以便控制本文所述的滑动套筒。可能控制策略的范围包括已经在说明书相对于控制可变几何机构、尤其是汽车涡轮增压器上使用的滑动叶片机构进行描述的所有那些。在各种可能的致动方法中，可为轴向布置的三向轴，其例如允许使用气动执行器来允许轴的致动。滑动套筒可致动远离腔室，该腔室轴向远离涡轮机定位，其可包括烟尘收集器或氧化元件，如W02010012992中所示的丝网或催化剂涂敷的丝网。根据本发明的涡轮喷嘴可结合分隔开的涡轮机叶轮来使用，其中一些叶片延伸涡轮机进气ロ的整个轴向宽度，以及ー些叶片只有一部分从涡轮机后面轴向延伸跨过进气ロ。例如较短的叶片可能会延长，但不超过特定的轴向喷嘴分隔件，如隔板。短和长的叶片可交替，或者可选的，每个长叶片之间具有几个短叶片。另ー种可选的情况是具有多于两种类型的叶片。另外或备选的，沿着涡轮机的叶片数目也可变化。例如，一些叶片可从涡轮机进气ロー直延伸到涡轮机排气ロ，而其它叶片(例如，交替)可仅仅从进气ロ的中途延伸到排气ロ，或仅仅从排气ロ的中途延伸到进气 □。涡轮机可设有完整的旋转壁，其可邻近由涡轮机壳体形成的涡轮机罩。上述形成适于涡轮机叶片之间通道的前面。另外或备选的，涡轮机可设有ー个或多个旋转壁，其部分位于涡轮机的榖/背面和涡轮机前面之间。这样的一个或多个旋转壁与在本文中所述的轴向分隔开的喷嘴的一个或多个相应的轴向分隔件轴向对准。当滑动套筒仅仅部分开放吋，上述将防止气体远离涡轮机毂和背面膨胀，因此将有助于涡轮机的效率。对如上所示和所述实施例进行其它可能的变型和替代对于本领域技术人员而言是非常显而易见的。
权利要求
1.一种可变几何涡轮机，其包括 涡轮机叶轮，安装成用于围绕壳体内的涡轮轴旋转，壳体限定环绕涡轮机叶轮的，且在第一和第二进气ロ侧壁之间限定的环形进气ロ；以及 圆柱形套筒，可轴向移动跨过环形进气ロ以便改变通过进气ロ的进气流动路径的尺寸； 其中环形进气ロ被分隔为至少两个轴向偏离的进气通道，这些进气通道轴向重叠。
2.根据权利要求I所述的可变几何涡轮机，其中环形进气ロ分隔成大体朝向涡轮机叶轮延伸的大体为管形的进气通道的环形阵列，其中进气通道的环形阵列包括至少三个轴向重叠的轴向偏离进气通道。
3.根据权利要求I或2所述的可变几何涡轮机，其中至少两个所述轴向重叠的轴向偏离进气通道在周向上重叠。
3.根据权利要求2所述的可变几何涡轮机，其中大体为管形的进气通道具有大体为菱形或大体为六角形的截面。
4.根据任一前述权利要求所述的可变几何涡轮机，其中进气ロ通过进气通道壁分隔为所述的进气通道，其中进气通道壁由多个大体环形的非平面隔板限定。
5.根据权利要求4所述的可变几何涡轮机，其中隔板大体上为周向上为波状的环形环。
6.根据权利要求4所述的可变几何涡轮机，其中隔板具有大体为双曲抛物线的表面。
7.根据权利要求2或3所述的可变几何涡轮机，其中进气通道的环形阵列由若干离散的周向相邻的部段构成。
全文摘要
本发明公开一种可变几何涡轮机，包括涡轮机叶轮，其安装成用于围绕壳体内的涡轮轴旋转，壳体限定环绕涡轮机叶轮的且在第一和第二进气口侧壁之间限定的环形进气口；圆柱形套筒可轴向移动跨过环形进气口以便改变通过进气口的进气流动路径的尺寸；其中环形进气口被分隔为至少两个轴向偏离的进气通道，其中进气通道轴向重叠。
文档编号F01D17/14GK102667069SQ201080055314
公开日2012年9月12日 申请日期2010年10月6日 优先权日2009年10月6日
发明者提姆·德诺姆, 詹姆士·亚历山大·麦克文 申请人:康明斯有限公司