专利名称：可变几何构造涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种几何构造可变涡轮机和一种制造涡轮机的方法。
背景技术：
涡轮增压器是用于在大气压力以上的压力(增压压力)下将空气供应给内燃机的进气口的公知装置。传统的涡轮增压机基本上包括在涡轮机壳体内安装在可旋转轴上的废气驱动涡轮机叶轮。涡轮机叶轮的旋转使在压缩机壳体内安装在轴的另一端上的压缩机叶轮旋转。压缩机叶轮将压缩空气输送到发动机进气口歧管。涡轮增压器轴传统地由位于连接在涡轮机与压缩机叶轮壳体之间的中心轴承套内的包括适当的润滑系统的轴颈和止推轴承支撑。传统的涡轮增压器的涡轮机级包括限定涡轮室的涡轮机壳体，其中涡轮机叶轮安装在所述涡轮室内；环形入口通路，所述环形入口通路在壳体中限定在壳体中并且在绕涡轮室布置的面对径向延伸的壁之间；入口，所述入口绕入口通路布置；和出口通路，所述出口通路从涡轮室延伸。所述通路和所述室连通，使得进入入口内的加压废气通过入口通路经由涡轮室流动到出口通路并使涡轮机叶轮旋转。已知的是通过在入口通路中设置称为喷嘴叶片(nozzle vane)的叶片以使流经入口通路的空气朝向涡轮机叶轮的旋转方向偏转以提高涡轮机的性能。这类涡轮机可以为几何构造固定型或几何构造可变型。几何构造可变涡轮机与几何构造固定涡轮机的不同在于入口通路的尺寸可以变化以在质量流量的范围内优化气流速度，使得可以根据不同发动机要求而改变涡轮机的功率输出。几何构造可变涡轮增压器中的喷嘴叶片布置可以具有不同形式。在公知为滑动 “喷嘴环”的类型中，叶片固定到滑动横过入口通路的可轴向移动的壁。可轴向移动壁朝向面对罩板移动以关闭入口通路并且在这种情况下叶片穿过罩板中的孔口。喷嘴环相对于罩的位置是可调的，以控制入口通路的宽度。例如，当流经涡轮机的气体减小时，也可以减小入口通路宽度以保持气流速度并优化涡轮机输出。在可选的布置中，叶片通过设置在移动罩板中的槽从固定壁延伸。移动喷嘴环或罩板通常被支撑在平行于涡轮机叶轮的旋转轴线延伸的杆上，并被致动器移动，所述致动器可操作以使杆在轴向方向上位移。可以使用各种类型的致动器使喷嘴环或罩板移动，例如，包括气动致动器或通常安装在壳体外部的电动机和齿轮传动机构。致动器可以通过固定在单独形成的轴上的轭状件连接到喷嘴环或罩板，其中所述单独形成的轴容纳在涡轮机壳体的壁中的轴颈轴承内。轭状件与轴一起旋转并限定两个间隔开的臂，所述臂在涡轮机轴线的相对侧延伸远离所述轴，以接合支撑杆的从壳体伸出并延伸到相邻轴承套中的部分。轭状件的每一个臂的端部具有延伸到滑块中的销，所述滑块又容纳在相应的支撑杆中限定的槽内。致动器的操作使轭状件和轴绕着所述轴的轴线枢转，使得臂上的销描绘圆弧，并还使得滑块在限定在支撑杆中的槽内轴向移动并垂直滑动。这样， 通过轭状件绕所述轴的转动，可以实现喷嘴环或罩板的轴向移动。
在需要较小的几何构造可变涡轮增压器的应用中(例如，对于用在较小的发动机上或作为两级式系统中的高压涡轮增压器的使用来说)，存在空间限制，并且需要在不削弱涡轮增压器的性能的情况下通过使涡轮增压器更加紧凑来减小涡轮增压器占据的空间包络的尺寸。此外，包括可移动罩板或滑动喷嘴环的几何构造可变涡轮机可能在一些应用中难以致动。这是因为在一些应用中，当可移动罩板或滑动喷嘴环处于靠近关闭位置的位置时 (即，在涡轮机入口通路基本上被关闭的情况下)，移动罩板或滑动喷嘴环可能会受到用于试图使移动罩或滑动喷嘴环朝向关闭位置移动的力。这种涡轮机的致动可能需要与复杂联动装置结合的复杂的、大的、强有力的致动器。这种致动器和联动装置可能具有较高的财务成本。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种紧凑的涡轮增压器设计。本发明的另一个目的是提供一种可选的或改进的几何构造可变涡轮机。本发明的又一个目的是提供一种具有改进致动特性的几何构造可变涡轮机。本发明的进一步的目的是提供一种包括减小尺寸、成本和 /或复杂性的致动器和/或联动装置的涡轮机。根据本发明的第一方面，提供了一种几何构造可变涡轮机，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；和位于所述涡轮机叶轮上游的气体流动控制通道，所述气体流动控制通道至少部分地限定在可移动壁构件的径向第一表面与壳体的面对壁之间，可移动壁构件还包括与第一表面相对的第二表面和第三表面，可移动壁构件可在轴向方向上移动以改变气体流动控制通道的尺寸；涡轮机具有第一气体区域、第二气体区域和第三气体区域，其中所述第一气体区域的一部分位于气体流动控制通道的上游，第一气体区域至少包括气体流动控制通道的一部分，所述第二气体区域位于气体流动控制通道的下游并包括涡轮机叶轮，所述第三气体区域位于涡轮机叶轮的下游，其中第一气体区域包括第一表面和第二表面，而第二气体区域或第三气体区域包括第三表面。第二气体区域可以包括所述第三表面，并且在使用中第二气体区域中的压力在第一气体区域和第三气体区域中的压力之间。几何构造可变涡轮机还可以包括气体流动控制叶片，所述气体流动控制叶片从壳体的面对壁至少部分地横过气体流动控制通道；以及其中可移动壁构件包括罩板，罩板具有多个孔口，每一个孔口与气体流动控制叶片相对应并被构造成使得在使用中孔口容纳相应的气体流动控制叶片。可移动壁构件可以包括第一大致管状部分、第二大致管状部分和臂，第一大致管状部分的半径大于第二大致管状部分的半径；其中连接部连接第一大致管状部分的第一端与第二大致管状部分的第一端；其中臂在第二大致管形构件的外侧从第二大致管状部分的第二端径向延伸；其中径向第一表面由所述臂限定，第二表面由所述臂限定；以及其中第三表面由连接部限定。第一大致管状部分的半径可以大于气体流动控制叶片中的至少一个的径向最内侧点的半径；以及第一大致管状部分的半径小于气体流动控制叶片中的至少一个的径向最外侧点的半径。
第二气体区域可以包括第三表面，并且其中第二气体区域还可以包括连杆通路， 所述连杆通路的第一端与涡轮机叶轮进行气体流动连通，而所述连杆通路的第二端与第三表面进行气体流动连通。连杆通路可以限定在可移动壁构件与壳体的固定环形壁部分之间。几何构造可变涡轮机还可以包括气体流动控制机构，所述气体流动控制机构可操作以使可移动构件移动，从而控制流动通过所述气体流动控制通道的气体；气体流动控制机构包括用于致动器与可移动壁构件之间的连接的非线性联动装置。气体流动控制机构可以至少部分地位于壳体内。联动装置可以是四连杆机构。联动装置可以包括第一连杆构件、第二连杆构件和第三连杆构件；第一连杆构件的第一端固定地连接到致动器，而第一连杆构件的第二端枢转地连接到第二连杆构件的第一端，使得第一连杆构件和第二连杆构件能够相对于彼此旋转；第二连杆构件的第二端枢转地连接到第三连杆构件的第一端，使得第二连杆构件和第三连杆构件能够相对于彼此旋转；以及第三连杆构件的第二端固定地连接到轭构件，所述轭构件被构造成使可移动壁构件轴向移动；其中在第一连杆构件的第一端与第三连杆构件的第二端具有恒定固定位置关系。第一连杆构件的第一端与第二端之间的距离可以小于第三连杆构件的第一端与第二端之间的距离。任选地，第一连杆构件的第一端与第二端之间的距离可以小于第二连杆构件的第一端与第二端之间的距离，而第二连杆构件的第一端与第二端之间的距离小于第三连杆构件的第一端与第二端之间的距离。当可移动壁构件处于关闭位置时，关于第一连杆构件与第二连杆构件之间的枢转连接部对着第一连杆构件和第二连杆构件的肘节角可以在以下角度中的至少一个之间Oo与大约25ο之间；以及大约15ο和大约25ο之间。非线性联动装置可以被构造成使得当可移动壁构件的径向第一表面与壳体的面对壁之间的间距减小时由致动器的致动器的每单位转矩施加在可移动壁构件上的力增加。第三表面的表面面积可以被构造成使得在使用中由于作用在可移动壁构件上的气体压力而作用在可移动构件上的净力大致为零，或推动可移动壁构件的第一表面远离壳体的面对壁。第一气体区域可以包括涡轮机入口蜗壳，并且第三气体区域可以包括涡轮机出口通路。几何构造可变涡轮机还可以包括环形壁构件，所述环形壁构件具有径向内表面和径向外表面，径向内表面具有与涡轮机叶轮的外轮廓相对应的轮廓，径向外表面具有与第三表面的轮廓相对应的轮廓。根据本发明的第二方面，提供了一种根据本发明的第一方面所述的几何构造可变涡轮机的涡轮增压器。根据本发明的第三方面，提供了一种制造或设计根据本发明的第一方面所述的几何构造可变涡轮机或根据本发明的第二方面所述的涡轮增压器的方法，其中所述方法包括以下步骤计算第三表面的表面面积，使得在使用中由于作用在可移动壁构件上的气体压
7力而作用在可移动构件上的净力大致为零或推动可移动壁构件的第一表面远离壳体的面对壁。制造或设计几何构造可变涡轮机的方法还可以包括以下步骤使第三表面形成有计算的所述表面面积。根据本发明的第四方面，提供了一种几何构造可变涡轮机，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；和位于所述涡轮机叶轮上游的气体流动控制通道，所述气体流动控制通道位于可移动壁构件的径向表面与壳体的面对壁之间， 可移动壁构件可在轴向方向上移动以改变气体流动控制通道的尺寸，几何构造可变涡轮机还包括气体流动控制机构，所述气体流动控制机构可操作以使可移动构件移动，从而控制流动通过所述气体流动控制通道的气体；气体流动控制机构包括用于致动器与可移动壁构件之间的连接的非线性联动装置。气体流动控制机构可以至少部分地位于所述壳体内。联动装置可以是四连杆机构。联动装置可以包括第一连杆构件、第二连杆构件和第三连杆构件；第一连杆构件的第一端固定地连接到致动器，而第一连杆构件的第二端枢转地连接到第二连杆构件的第一端，使得第一连杆构件和第二连杆构件能够相对于彼此旋转；第二连杆构件的第二端枢转地连接到第三连杆构件的第一端，使得第二连杆构件和第三连杆构件能够相对于彼此旋转；以及第三连杆构件的第二端固定地连接到轭构件，所述轭构件被构造成使可移动壁构件轴向移动；其中在第一连杆构件的第一端与第三连杆构件的第二端具有恒定固定位置关系。第一连杆构件的第一端与第二端之间的距离可以小于第三连杆构件的第一端与第二端之间的距离。第一连杆构件的第一端与第二端之间的距离可以小于第二连杆构件的第一端与第二端之间的距离，而第二连杆构件的第一端与第二端之间的距离可以小于第三连杆构件的第一端与第二端之间的距离。当可移动壁构件处于关闭位置时，关于第一连杆构件与第二连杆构件之间的枢转连接部对着第一连杆构件和第二连杆构件的肘节角可以在以下角度中的至少一个之间Oo与大约25ο之间；以及大约15ο和大约25ο之间。非线性联动装置可以被构造成使得当可移动壁构件的径向第一表面与壳体的面对壁之间的间距减小时由致动器的致动器的每单位转矩施加在可移动壁构件上的力增加。根据本发明的第五方面，提供了一种几何构造可变涡轮机，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；位于所述涡轮机叶轮上游的气体流动控制通道，所述气体流动控制通道至少部分地限定在可移动壁构件的径向表面与壳体的面对壁之间，可移动壁构件可在轴向方向上移动以改变气体流动控制通道的尺寸；和气体流动控制机构，所述气体流动控制机构可操作以使可移动构件移动，从而控制流动通过所述气体流动控制通道的气体；气体流动控制机构包括用于致动器与可移动壁构件之间的连接的非线性联动装置。联动装置可以是四连杆机构。气体流动控制机构可以至少部分地位于所述壳体内。
联动装置可以包括第一连杆构件、第二连杆构件和第三连杆构件；第一连杆构件的第一端固定地连接到致动器，而第一连杆构件的第二端枢转地连接到第二连杆构件的第一端，使得第一连杆构件和第二连杆构件能够相对于彼此旋转；第二连杆构件的第二端枢转地连接到第三连杆构件的第一端，使得第二连杆构件和第三连杆构件能够相对于彼此旋转；以及第三连杆构件的第二端固定地连接到轭构件，所述轭构件被构造成使可移动壁构件轴向移动；其中在第一连杆构件的第一端与第三连杆构件的第二端具有恒定固定位置关系。第一连杆构件的第一端与第二端之间的距离可以小于第三连杆构件的第一端与第二端之间的距离；以及任选地第一连杆构件的第一端与第二端之间的距离可以小于第二连杆构件的第一端与第二端之间的距离，而第二连杆构件的第一端与第二端之间的距离可以小于第三连杆构件的第一端与第二端之间的距离。当可移动壁构件处于关闭位置时，关于第一连杆构件与第二连杆构件之间的枢转连接部对着第一连杆构件和第二连杆构件的肘节角可以在以下角度中的至少一个之间Oo与大约25ο之间；以及大约15ο和大约25ο之间。非线性联动装置可以被构造成使得当可移动壁构件的径向第一表面与壳体的面对壁之间的间距减小时由致动器的致动器的每单位转矩施加在可移动壁构件上的力增加。
以下仅以示例的方式参照
本发明的具体实施例，其中图1显示涡轮增压器的横截面图；图2显示涡轮机的一部分的示意性横截面图；图3显示根据本发明的一个实施例的涡轮机的一部分的示意性横截面图；图4显示根据本发明的实施例的图3中所示的涡轮机的横截面图；图5显示图4中所示的涡轮机的立体图，其中为了清楚起见切掉了涡轮机的一部分；图6显示具有如图4和图5所示的涡轮机的涡轮增压器的立体图；图7显示图6中所示的涡轮增压器的侧视图，其中为了清楚起见，联动装置的连杆和枢轴被重点显示；图8显示图7中所示的联动装置的示意性视图；和图9显示通过图6和图7中所示的涡轮增压器的可移动壁构件施加在致动器上的负载的负载曲线图，和由形成图5-7中所示的涡轮机的一部分的致动器和联动装置施加在可移动壁构件上的理论负载的负载曲线图。
具体实施例方式参照图1，该图示出了已知的几何构造可变涡轮增压器，其中该涡轮增压器包括通过中心轴承套3相互连接的几何构造可变涡轮机壳体1和压缩机壳体2。涡轮增压器轴4 通过轴承套3从涡轮机壳体1延伸到压缩机壳体2。涡轮机叶轮5安装在轴4的一端上用于在涡轮机壳体1内旋转，而压缩机叶轮6安装在轴4的另一端上用于在压缩机壳体2内
9旋转。轴4在位于轴承套3中的轴承组件上绕涡轮增压器轴线如旋转。涡轮机壳体1限定入口蜗壳7，来自内燃机(未示出)的气体被输送到所述入口蜗壳。废气从入口蜗壳7经由环形入口通路9和涡轮机叶轮5流动到轴向出口通路8。入口通路9在一侧由包括环形罩12的可移动环形壁构件11的径向壁的表面10限定，而在相对侧由称作喷嘴环10的第二壁构件限定，其中所述第二壁构件形成面对环形罩12的入口通路9的壁。罩12在涡轮机壳体1中限定环形凹部13。喷嘴环10支撑沿圆周方向且等间距间隔开的入口叶片阵列14，所述入口叶片中的每一个都延伸横过入口通路9。叶片14被定向成使流经入口通路9的空气朝向涡轮机叶轮5的旋转方向被偏转。当环形罩12紧邻喷嘴环10时，叶片14突出穿过罩12中被适当构造而成的槽，而突出到凹部13中。环形壁构件11的位置由US 5，868，552中所公开那种致动器组件控制。致动器 (未示出)可操作以通过致动器输出轴(未示出)调节环形壁构件11的位置，所述致动器输出轴连接到轭状件15。轭状件15又接合支撑环形壁构件11的轴向延伸的致动杆16。 因此，通过适当地控制致动器(所述致动器例如可以为气动致动器或电致动器)，可以控制所述杆16的轴向位置并因此控制环形壁构件的轴向位置。涡轮机叶轮5的速度取决于通过环形入口通路9的气体的速度。对于流入到入口通路9中的固定质量流量的气体流动， 气体速度是入口通路9的宽度的函数，其中通过控制环形壁构件11的轴向位置可调节该宽度。对于流入到入口通路9中的固定质量流量的气体流动，入口通路9的宽度越窄，通过入口通路9的气体的速度越大。图1显示出环形入口通路9完全打开。可以通过使环形壁构件11的环形罩12朝向喷嘴环10移动而将入口通路9关闭到最小。当环形壁构件11的环形罩12与喷嘴环10之间的间隔最小(使得入口通路的宽度最小)时，环形壁构件11可以处于关闭位置。环形壁构件11具有轴向延伸的径向内环形凸缘17和外环形凸缘18，所述环形凸缘延伸到设置在涡轮机壳体1中的环形空腔19内。内密封环20和外密封环21被设置成分别相对于环形空腔19的内环形表面和外环形表面密封环形壁构件11，同时允许环形壁构件11在环形空腔19内滑动。内密封环20被支撑在形成在空腔19的径向内环形表面中的环形沟槽中并被支承在环形壁构件11的内环形凸缘17上。外密封环20被支撑在形成在空腔19的径向外环形表面中的环形沟槽中并支承在环形壁构件11的外环形凸缘18上。从入口蜗壳7流动到出口通路8的气体在涡轮机叶轮5上通过，因此将转矩施加到轴4以驱动压缩机叶轮6。压缩机叶轮6在压缩机壳体2内的旋转对存在于空气入口 22 中的周围空气进行加压并将加压空气输送到空气出口蜗壳23，所述空气从所述空气出口蜗壳被供应给内燃机(未示出)。图2显示涡轮机的一部分的示意性横截面图。与图1所示的涡轮增压器的涡轮机相同，图2中所示的涡轮机具有限定在可移动环形壁构件Ila的环形罩12与环状喷嘴环 10之间的入口通路9 (也被称为气流控制通道)。可移动环形壁构件Ila的结构不同于图 1中所示的可移动环形壁构件11的结构，如随后进一步详细所述那样。入口通路9位于安装到涡轮轴(未示出)的涡轮机叶轮5的上游。环形壁构件Ila和涡轮机叶轮5安装在涡轮机壳体(未示出)内。涡轮轴由位于中心轴承套中包括适当的润滑系统的轴颈和止推轴承(在图中未示出，但是位于图中的涡轮机叶轮5的左侧)支撑。喷嘴环10支撑沿圆周方向间隔开的入口叶片14的阵列，所述入口叶片中的每一个都延伸横过入口通路9。叶片14 被定向成使流动通过入口通路9的空气朝向涡轮机叶轮5的旋转方向偏转。当环形罩接近喷嘴环10时，叶片14突出穿过罩12中被适当构造而成的槽(如图中所示)。环形壁M与涡轮机叶轮5的轴线同轴，并且所述环形壁的至少一部分位于涡轮机叶轮5与可移动壁构件Ila之间。环形壁M具有端部Ma，所述端部与涡轮机叶轮5相邻并包括具有与涡轮机叶轮5的外轮廓相对应的轮廓的表面。由于环形壁M的端部2 的表面的轮廓与涡轮机叶轮5的外轮廓匹配，涡轮机叶轮5与环形壁M之间的间隙被最小化。 最小化涡轮机叶轮5与环形壁M之间的间隙有助于防止由于空气从涡轮机叶轮5上游的入口通路9泄露到涡轮机叶轮5下游的出口通路8 (且不对涡轮机叶轮5的旋转做贡献) 而可能造成的涡轮机的任何效率损失。环形壁M安装在涡轮机壳体(未示出)内。在一些实施例中，环形壁M可以与涡轮机壳体成一体或形成所述涡轮机壳体的一部分。环形可移动壁构件Ila具有大致E形横截面。可移动壁构件Ila安装在涡轮机壳体(未示出)内，使得可移动壁构件Ila的主体25基本上平行于涡轮机叶轮5的旋转轴线 (在该实施例中，平行于环形壁24)定位。环形凸缘以及第一和第二臂^5b、26c从主体25 径向向外延伸。与第一和第二臂^a、26b相比，更靠近涡轮机叶轮5和喷嘴环10的凸缘 26a构成或形成罩12。第一和第二臂26b和26c形成相对于凸缘26a从主体16的相对端延伸的一对臂。第一和第二臂^5b、26c可以机械连接到联动装置以便使可移动壁构件Ila 相对于喷嘴环10移动。一对环形密封件27a和27b彼此轴向移位并位于环形壁M与可移动构件Ila之间。环形密封件27a和27b每一个都被支撑在环形壁M的径向外表面中的环形沟槽(未示出)内。环状密封件27a和27b在环形壁15与可移动构件Ila之间形成大致气密的密封。入口蜗壳7位于入口通路9和可移动构件Ila的上游。入口蜗壳7与可移动构件 Ila的多个表面(所述表面可以包括表面的多个部分)气流连通。这些表面包括可移动构件Ila的凸缘^a的面向后侧(即，远离喷嘴环10面向)表面观；可移动构件Ila的凸缘 26a的面向前侧(即，面向喷嘴环10)表面的第一部分四；径向向外面向并作为可移动构件 Ila的主体25的一部分的圆周表面30和31 ；在密封件27b的上游(即，在与入口蜗壳7相同的气体区域中)并作为可移动构件Ila的主体25的径向向内面向的圆周表面32 ；可移动构件Ila的第一臂^b的面向前侧表面33a和面向后侧表面33b ；可移动构件Ila的第二臂^c的面向前侧表面3 和面向后侧表面34b ；以及在可移动构件Ila的端部处与第一臂^a所位于的端部相对的面向后侧表面35。提供给入口蜗壳7的气体(所述入口蜗壳与上述所有表面流动连通)处于相对较高的压力(称为第一压力)。与入口蜗壳7流动连通(并因此被暴露于第一压力的气体下)并在入口通路9内位于叶片14的上游的所有以上表面可以说是位于第一气体区域中。第一气体区域内任意位置处的气体与第一气体区域内任意其它位置处的气体成流动连通。当气体通过入口通路9并与叶片14相互作用时，气体的压力减小。因此，可移动构件Ila的凸缘^a的面向前侧表面的靠近叶片14的一部分被暴露在与入口蜗壳7的第一压力相比被减小的压力下。所述被减小的压力被称为第二压力。当气体移动通过入口通路9时，一旦气体已经通过叶片14，气体的压力被再次减小(即，在气体通过叶片14时的气体的压力大于当气体已经通过叶片14 一次的气体的压力)。接着，可移动构件Ila的凸缘^a的面向前侧表面的部分37被暴露至与凸缘^a的靠近叶片14的部分36受到的第二压力相比被减小的压力。相对于第二压力所述被减小的该压力称为第三压力。一旦气体已经通过入口通路9，气体在涡轮机叶轮上通过并进入到出口通路8中。 当气体通过(或邻近)涡轮机叶轮5时，气体压力从第三压力下降到出口通路8中的压力。 出口通路8中的压力可以为大气压力。当气体从入口通路9的处于第三压力的部分通过 (或邻近)涡轮机叶轮5达到出口通路8时的气体压力称为第四压力。当气体从入口通路 9的第三压力部分通过到达出口通路时，气体压力不是恒定的(即，当气体朝向出口通路8 时气体压力降低)。这表示术语“第四压力”用于涵盖入口通路9的第四压力部分与出口通路8的压力之间存在的压力的范围。出口通路8的压力可以被称为第五压力。将要认识的是第一压力大于第二压力，第二压力大于第三压力，第三压力大于第四压力，而第四压力大于第五压力。可以看到的是可移动构件Ila的主体25的径向面向内的圆周表面38与处于第四压力下的气体流动连通。可移动构件Ila的表面38由环状密封件27a限定(即，表面38 位于环状密封件27a的上游(在图中的左侧)。表面38可以说是在第二气体区域中，所述第二气体区域位于在入口通路9的下游且在出口通路8的上游，并且包括涡轮机叶轮的至少一部分。第二气体内区域内的气体将处于第四压力下。第二气体区域中的任意位置处的气体与第二气体区域中的任意其它位置处的气体流动连通。出口通路8可以说是位于第三气体区域中。第三气体区域包括出口通路8并且位于涡轮机叶轮5的下游。第三气体区域内的气体将处于第五压力下。第三气体区域中的任意位置处的气体与第三气体区域中的任意其它位置处的气体流动连通。第一、第二和第三气体区域可以不交叠。在图2中，由朝向右侧向下倾斜的对角线阴影填充的表面可以说是在第一气体部分中并被暴露于第一压力下的气体。由水平线阴影填充的表面36被暴露于第二压力下的气体，而由向上倾斜的对角线阴影填充的表面37被暴露于第三压力下的气体。如果一个表面被暴露至压力下，则压力将力施加在垂直于该表面的表面上。接着， 这些表面所暴露于其下的各种压力将力施加在这些表面中的每一个上。如前所述，可移动构件Ila的表面中的一些大致是径向的，而所述表面中的一些大致是周向的。因为可移动构件Ila安装在涡轮机壳体内使得可移动构件可以轴向移动，因此施加在可移动构件Ila 的径向表面/表面部分中的一个上的任何力将推动可移动构件11a，使得罩12朝向喷嘴环 10移动(从而使入口通路9变窄)，或者推动可移动构件Ila使得罩12远离喷嘴环10移动(从而加宽入口通路9)。而任何施加在圆周表面上的力则不会推动可移动构件Ila轴向移动，并因此对于本发明的目的来说可以忽略。在图2中所示的可移动构件Ila的情况下，受到推动可移动构件Ila(因此推动罩 12)远离喷嘴环10的力的表面(远离是由于压力施加在所述表面上)是可移动构件Ila 的凸缘26a的表面部分四、36和37 ；可移动构件Ila的第一臂2 的表面33a ；以及可移动构件Ila的第二臂^c的表面34a。可移动构件Ila的受到推动可移动构件Ila的罩12朝向喷嘴环10的力的表面部分(由于压力施加在所述表面部分上)是可移动构件Ila的凸缘的表面28 ；可移动
12构件Ila的第一臂^b的表面33b ；第二臂^c的表面34b ；以及可移动构件Ila的与凸缘 26a相对的端部处的表面部分35。为了确定施加在可移动构件1 Ia上的净轴向力，必须对作用在径向表面中的每一个上的分力进行求和。受到推动可移动壁构件Ila远离喷嘴环10的力的表面或表面部分可以说是与受到推动可移动壁构件Ila朝向喷嘴环10的力的表面相对。当确定由于施加在两个相对表面上的力而产生的可移动壁构件Ila上的净轴向力时，要从施加在相对表面中的一个上的力减去施加在另一个相对表面上的力。由于表面33a的表面面积与表面33b的表面面积相同，并且由于表面33a和表面 33b是暴露于相同压力的相对表面，因此由于施加在表面33a和3 中的每一个上的力而产生的可移动壁构件Ila上的净轴向力总和基本上为零。为此，表面33a和33b由十字标记， 这是因为施加在表面33a和33b中的一个上的力(由于表面所暴露至的压力)基本上“抵消”施加在另一个上的力(即，作用在表面中的每一个上的力对可移动构件Ila上的净轴向力的贡献可以基本上被忽略)。对于第二臂^c的表面3 和34b来说，也是这样。应该认识到的是如果表面33a和33b (或3 和34b)的表面面积不相同，则与较小表面相比，越大表面的33a和3 (或3 和34b)将具有施加在该表面上的更大力，因此由于施加在表面 33a和3 (或3 和34b)中的每一个上的力而最终施加在可移动壁构件Ila的净力的总和不会大致为零。施加在暴露于具体压力下的气体的表面上的力等于该表面所暴露至的压力与表面面积的乘积。可以看到的是可移动壁构件Ila的凸缘^a的表面观和表面部分35 (其位于可移动构件Ila的与凸缘26a相对的端部处)均暴露于第一压力下，即从入口蜗壳7 流出的气体的压力。表面观和表面部分35将力施加在可移动壁构件Ila上，从而朝向喷嘴环10推动可移动壁构件11a。可移动壁构件Ila的凸缘^a的表面部分四也被暴露于第一压力(即，从入口蜗壳7流动的气体的压力)。然而，施加在表面部分四上的力推动可移动壁构件Ila远离喷嘴环10。可移动壁构件Ila的凸缘^a的表面部分36和37分别被暴露于第二压力和第三压力。这些表面中的每一个上的压力产生也推动可移动壁构件Ila远离喷嘴环10的力。施加在表面28上的压力与该表面的表面面积的乘积和表面部分35上的压力与该表面部分的表面面积的乘积的总和，给出了施加在可移动壁构件Ila上推动可移动壁构件 Ila朝向喷嘴环10的合力。表面部分四、36和37中的每一个上的压力与这些表面部分的各表面面积的乘积的总和，给出了在可移动壁构件Ila上推动可移动壁构件Ila远离喷嘴环10的合力。在该示例中，施加在可移动壁构件Ila上推动可移动壁构件Ila朝向喷嘴环 10的合力大于施加在可移动壁构件Ila上推动可移动壁构件Ila远离喷嘴环10的合力。 这是因为例如与相对表面(在该示例中为表面观和3 上的第一压力相比，施加在表面部分36和37上的压力分别是较小的第二压力和第三压力。因为施加在可移动壁构件Ila上推动可移动壁构件Ila朝向喷嘴环10的合力大于施加在可移动壁构件Ila上推动可移动壁构件Ila远离喷嘴环10的合力，因此施加在可移动壁构件Ila上的净力推动可移动壁构件(由此推动罩12)朝向喷嘴环10。在一些应用中可移动壁构件lla(由此罩12)受到用于推动可移动壁构件Ila朝向喷嘴环10的净力可能是不利的。例如，这意味着需要较大的致动器(所述致动器可以通过第一和第二臂26b、26c连接到可移动壁构件Ila)来克服可移动构件Ila上的力。较大的致动器可能会更加昂贵，因此导致具有这种结构的涡轮增压器的成本增加。较大的致动器会占据更多的空间，因此增加涡轮机的尺寸。这在其中涡轮机占据的空间必须被保持到最小的那些应用中是不利的。此外，在一些实施例中，当可移动壁构件Ila处于罩12非常接近喷嘴环10时的位置(即，当入口通路9几乎关闭时)，可移动壁构件Ila上推动该可移动壁构件朝向喷嘴环10的净力可能相对较大。在这种情况下，可能难以准确地控制可移动壁构件的位置。可能也难以防止或避免入口的无意关闭。此外，例如，如果入口的压力或通过入口的压力随时间改变(例如，由于从与涡轮机连接的发动机的一个或多个排气歧管进气)，则压力和力不平衡可能会导致可移动构件的颤抖、颤动或振荡。这可能会导致在这种条件下的涡轮机的运行低效。当比较图2中所示的涡轮机与图1中所示的涡轮增压器的涡轮机时，可以看到两个涡轮机的结构之间的不同。在图1所示的涡轮增压器的涡轮机中，如前所述，罩由可移动壁构件11支撑。可移动壁构件11从可移动壁构件11侧的轴承套通过推杆16来致动。相比较，图2中所示的涡轮机的可移动壁构件Ila从涡轮机侧通过可移动壁构件Ila的臂26b 和26c来致动。S卩，联动装置(经由其而致动可移动壁构件Ila)至少部分地位于涡轮机壳体内而不是位于轴承套内。此外，图2中所示的涡轮机的可移动壁构件Ila位于涡轮机壳体(不是轴承套)内，并且可移动壁构件Ila被致动，使得罩12朝向轴承套移动，从而使入口通路9的宽度变窄。将可移动壁构件Ila(和可移动壁构件Ila被致动所需经由的联动装置的至少一部分)定位在涡轮机壳体内(而不是定位在轴承套内)在一些应用中是有利的，这是因为这可以降低轴承套的复杂性以及使涡轮增压器(或其它涡轮机)的至少一部分的尺寸减小，其中涡轮机形成所述涡轮增压器的一部分。图3至图8显示根据本发明的一个实施例的涡轮机，所述涡轮机旨在消除或减轻关于公知涡轮机的上述问题中的至少一个或另一个问题。另外，根据图3至图8中所示的本发明的实施例的涡轮机旨在提供一种可选的涡轮机。图3显示根据本发明的一个实施例的涡轮机的一部分的示意性横截面图。本发明的实施例中与图2中所示的涡轮机的特征相同的特征由相同的附图标记表示。图3-8中所示的涡轮机包括环形可移动壁构件lib。可移动壁构件lib具有主体25a。在主体25a的最靠近涡轮机叶轮5的第一端处具有环形罩部分39，所述环形罩部分具有大致U形横截面。 U形罩部分39的第一侧连接到主体25a，而U形罩部分39的第二侧形成可移动壁构件lib 的凸缘^a。凸缘26a包括环形罩12。从主体2 径向向外延伸的第一和第二轴向间隔开的臂26b和26c设置在主体25a的另一端处，在与罩部分39相对的端部处。涡轮机具有面对罩12的喷嘴环10。入口通路9限定在喷嘴环10与罩12之间。 叶片14从喷嘴环10大致轴向延伸横过入口通路9。叶片14通过适当定位和成形的孔口 (未示出)被容纳在罩12中。可移动壁构件lib安装在涡轮机内，使得该可移动壁构件可以相对于喷嘴环10轴向移动，从而改变入口通路9的尺寸。可移动壁构件lib安装到环形壁40，所述环形壁沿径向方向位于可移动壁构件lib的内侧。两个环状密封件27a和27b 提供可移动壁构件lib与环形壁40之间的密封，使得在密封件27a、27b的位置处基本上没有气体可以通过可移动壁构件lib与环形壁40之间。密封件由环形壁40中的环形沟槽 (未示出)支撑。
环形壁40可以连接到涡轮机壳体(未示出)或可以与所述涡轮机壳体成一体。环形壁40被成形为使得环形壁40的径向内表面40a的轮廓(其位于涡轮机叶轮5邻近处) 与涡轮机叶轮5的外轮廓相对应。如前所述，这有助于最小化可能从入口通路9到出口 8 在涡轮机叶轮5周围出现的任何气体泄漏。环形壁40的径向外表面40b具有与可移动构件lib的轮廓相对应的轮廓。这确保U形罩部分39可以被环形壁40容纳，而让可移动壁构件lib能够轴向移动。如相对于图2中所示的涡轮机所述，由入口蜗壳7供应给喷嘴叶片上游的第一气体区域的气体的压力为第一压力。在入口通路内靠近叶片的气体的压力是第二压力。在入口通路内在入口叶片下游的气体的压力是第三压力。在入口通路的下游且在排出通道上游的气体的压力是第四压力，而出口通路在的气体的压力为第五压力。应认识到，第一压力大于第二压力，第二压力大于第三压力，第三压力大于第四压力，而第四压力大于第五压力。与图2中所示的可移动壁构件Ila相比，由于可移动壁构件lib的U形罩部分39， 图3的可移动壁构件lib具有两个额外的径向表面。这些额外表面是径向表面41和径向表面42，其中径向表面41面对喷嘴环10 (即面向前侧)并与入口蜗壳7的相对较高压力的气体(即，第一压力下的气体)流动连通，而径向表面42远离喷嘴环面向(即，面向后侧) 并位于可移动壁构件lib的径向最内侧。表面42与涡轮机的位于入口通路9的下游且在出口 8的上游的一部分流动连通。接着，表面42与处于第四压力下的气体流动连通。如前所述，第四压力是比入口通路的下游部分的第三压力低但是大于第五压力(第五压力是出口通路8中的气体的压力)的压力。如前所述，为了确定施加在可移动壁构件lib上的净力，必须考虑每一个表面所暴露的压力和合力。如前所述，具有相同表面面积并暴露于相同压力的相对表面将受到互相抵消的相反的力(即，集合效果是基本上没有将力施加在可移动构件lib上)。在这种情况下，第一臂26b的相对表面33a和33b导致轴向力抵消。第二臂^c的相对表面3 和 34b导致轴向力抵消。最终，表面41和相对表面部分43 (其为凸缘^a的面向后侧表面28 的一部分)导致轴向力抵消。再次，为了清楚起见，结果是轴向力抵消的区域由十字标记。 因为由这些表面部分施加在可移动壁构件lib上的净力基本上为零，因此可以忽略所述表面部分对施加在可移动壁构件lib上的力的集体贡献。接着，对作用在可移动构件lib上以推动可移动壁构件lib和罩12远离喷嘴环(从而增加入口通路9的宽度)的力做贡献的表面部分是表面部分四、36和37。对推动可移动壁构件lib由此推动罩12朝向喷嘴环10 (从而减小入口通路9的宽度)的力做贡献的表面是表面42、表面部分35和可移动壁构件lib的凸缘沈的面向后侧表面的一部分44。通过从第一臂^a的整个面向后侧表面28的面积减去表面41的面积来限定表面部分44。可以通过对表面42的表面面积与第四压力的乘积、表面部分35的表面面积与第一压力的乘积及表面部分44的表面面积与第一压力的乘积进行求和，来确定作用为推动可移动构件lib朝向喷嘴环10的力。可以通过对表面部分四的表面面积与第一压力的乘积、表面部分36的表面面积与第二压力的乘积以及表面部分37的表面面积与第三压力的乘积进行求和，来确定作用为推动可移动壁构件lib远离喷嘴环的相反力。表面42的表面面积使得作用于表面42、表面部分35和表面部分44的力(所述力推动可移动壁构件lib 朝向喷嘴环10)小于作用于表面部分四、表面部分36和表面部分37的力(所述力推动可移动壁构件lib远离喷嘴环10)。因此，可移动壁构件lib上的净力在推动可移动壁构件 lib远离喷嘴环10的方向上。可选地，在其它实施例中，表面42的面积可以使得用于推动可移动构件lib朝向喷嘴环10的力基本上等于用于推动可移动构件lib远离喷嘴环10的力。在那些实施例中，作用于可移动壁构件lib上的净轴向力基本上为零，由此可移动壁构件可以说是被平衡。作用于可移动壁构件lib上以推动可移动壁构件lib远离喷嘴环10的力的大小， 可以明显小于推动图2中所示的可移动壁构件Ila朝向喷嘴环10的力的大小。在一些实施例中，在壁构件lib上可能基本上没有净力。这可以意味着可以使用较小、不昂贵与/和不复杂的致动器来致动可移动壁构件。此外，致动器可以对可移动壁构件lib的定位进行更多的控制。与诸如液压致动器或气动致动器的致动器不同，能够使用较小(以及较少动力)的致动器意味着可以能够使用电子致动器来致动可移动构件lib。电子致动器往往较便宜，并且易于与形成发动机的一部分的其它电子系统成一体。表面42可以认为是与可移动构件lib的第一臂^a的表面部分四、36和37中的任一个相对的表面。这是因为由于表面42所暴露的压力而施加在表面42上的力将在与由于表面部分四、36和37中的任一个(由于所暴露的压力而)施加在表面部分四、36和37 中的任一个上的力相反的轴向方向上推动可移动壁构件lib。换句话说，或另外地，表面42 面向与表面部分四、36和37不同的方向。可移动壁构件1 Ib也被描述为具有两个大致管状部分45和46，其中所述管状部分具有不同的半径。将要认识的是图3仅显示了涡轮机的横截面的上半部。在所示的实施例中，管状部分为大致环形并与涡轮机叶轮5的旋转轴线同轴。可移动构件lib的主体25a 由具有较大半径的管状部分45形成。可移动构件lib的主体25 (由管状部分45形成)通过限定了表面42的大致径向地连接部连接到管状部分46 (管状部分46具有小于管状部分 45的半径)的第一端。表面42为大致环形。圆筒46的第二端连接到罩12。在本发明的一些实施例中，对于管形构件45的半径来说期望的是管状部分45 (由此主体2 的径向位置基本上与叶片14的径向位置相对应。在本发明的一些实施例中，管状部分45的半径大于叶片14中的至少一个的径向最内侧的点的半径，且小于叶片14中的至少一个的径向最外侧的点的半径。将要认识的是在本发明的一些实施例中，连接部并非一定要是径向的，只要连接部连接第一和第二大致管状部分即可。根据本发明的涡轮机可以具有第一气体区域，所述第一气体区域包括入口通路9 的在叶片14和入口蜗壳7的上游的部分。因此，可移动构件lib的凸缘^a的面向前侧表面和面向后侧表面的至少一部分(即，分别为表面部分四和44)位于第一气体区域中。 在这种情况下，第一气体区域的所有部分内的气体的压力可以为第一压力。表面41、33a、 33b、34a、34b和表面部分35也位于第一气体区域中。可选地，涡轮机可以具有包括入口通路9和入口蜗壳7的第一气体区域。因此，可移动构件lib的凸缘的面向前侧表面和面向后侧表面均位于第一气体区域中(即，表面部分四、36、37和表面观位于第一气体区域中)。在这种情况下，第一气体区域内特定位置处的气体的压力可以为第一压力、第二压力或第三压力。在这种情况下，表面41、33a、3;3b、3^、34b和表面部分35也位于第一气体区域中。在这两种情况下，第一气体区域的一部分位于入口通路9的上游。此外，在这两种情况下，第一气体区域包括入口通路9的至少一部分(在第二情况下，第一气体区域包括所有入口通路9)。第二气体区域从入口通路9的下游延伸到出口通路8。在这种情况下，第二气体区域内的气体的压力可以为第四压力。在一些情况下，第二气体区域可以从入口通路9的在叶片14的下游的部分延伸到出口通路8。在这种情况下，第二气体区域内的特定位置处的气体的压力可以为第三压力或第二压力。第三气体区域包括出口 8。第一、第二和第三气体区域可以不交迭，并且可以限定涡轮机的不同区域。表面42是第二或第三气体区域的一部分。在所示的本发明的实施例中，表面42位于第二气体区域中。气体区域为连续容积，且气体区域内任意位置处的气体与气体区域内任意其它位置处的气体流动连通。限定气体区域的一部分的表面为该气体区域的一部分。在本发明的所述实施例中，推动可移动壁构件lib轴向移动的表面(或表面部分) (所述表面具有(由于气体压力)施加在该表面上的力)大致是径向的。但也不必一定要是这种情况。表面可以相对于涡轮机轴线以任意适当的角度倾斜和/或可以是不规则，只要气体压力可以施加在该表面(或表面部分)上，并且具有在轴向方向上作用的分量并因此可以推动可移动壁构件以沿着轴线在一个方向或另一个方向上移动。在本发明所示的实施例中，表面42与处于第四压力下的气体(也称为第二气体区域中的气体)流动连通。如在图4中最清楚地所示，表面42被设置成通过在壁40与可移动壁构件lib之间延伸的连接通路47与处于中间压力下的气体流动连通。在所示的实施例中，表面42没有并且不能与出口通路8流动连通(即，表面42没有且不能形成第三气体区域的一部分)。同样地，在所示的实施例中，表面42没有且不能与入口蜗壳7流动连通 (即，表面42没有且不能形成第一气体区域的一部分)。图5-7显示用于使可移动壁构件lib移动的致动联动装置。致动联动装置包括旋转式致动器48、连杆连接器49、第一联杆50、第二联杆51和轭构件52。轭构件52固定在单独形成的轴5 上，所述轴容纳在涡轮机壳体M的壁中的轴颈轴承内。轴5 被安装， 使得轴5 具有垂直于涡轮机轴线的旋转轴线。轭构件52可以与轴一起旋转并限定在涡轮机轴线的相对侧远离轴5 延伸的两个间隔开的臂53、53a。轭构件52的每一个臂53、 53a的端部具有延伸到滑块讨、5如中的销，所述滑块又容纳在可移动壁构件lib的第一臂 26b与第二臂26c之间。轭构件52的每一个臂53、53a的销枢转地将每一个臂连接到相应的滑块讨、5乜。轭构件52的轴5 通过涡轮机壳体55中的孔口(未示出)穿过涡轮机壳体，使得轴52a的端部52b位于涡轮机壳体外。轴52a的端部52b固定到第二联杆51的第一端部。第二联杆51的第二端枢转地连接到第一联杆50的第一端。第一联杆50与第二联杆 51之间的枢转连接允许所述第一联杆与所述第二联杆之间的相对旋转。第一联杆50的第二端枢转地连接到连杆连接器49的第一端，再次使得可以在第一联杆50与连杆连接器49 之间进行相对旋转。连杆连接器49的第二端连接到致动器48的心轴。致动器48通过安装板56固定到涡轮机壳体M。致动器的心轴48穿过安装板56中的孔口 57。图8显示相对于可移动构件lib的联动装置的示意图。可以看到的是轭构件52 穿过涡轮机壳体45的点形成固定点58，所述固定点具有相对于致动器48的心轴穿过固定板56的固定点59的固定位置。点58与59之间的固定位置关系由虚线60表示。
17
如果致动器48被通电使得致动器的心轴如图8所示沿顺时针方向旋转，则这将使连杆连接器49(其固定地连接到致动器心轴)也沿顺时针方向绕致动器心轴的旋转轴线旋转。连杆连接器49与第一联杆50之间的枢转连接(其使所述连杆连接器和所述第一联杆能够在图7和图8中所示的图的平面中进行相对旋转)意味着连杆连接器49绕致动器的心轴的旋转轴线的旋转将被转换成第一联杆50朝向右侧的大致直线移动，如图8中所示。 第一联杆50与第二联杆51之间的枢转连接(其允许第一联杆50和第二联杆51之间在图 7和8中所示的图的平面中进行相对旋转)意味着第一联杆50如图8所示朝向右侧的大致直线移动被转换成第二联杆51绕固定枢转点58 (及由此固定地连接到第二联杆51的轭构件52)的顺时针方向旋转(或枢转)。轭构件52关于轭构件52的轴的轴线绕轭构件52 (其枢转地连接到涡轮机壳体的固定枢转点58)的轴枢转。这使轭构件52的臂上的销描绘圆的一段弧，从而又使轭构件52 的每一个臂的滑块(图8中未示出)轴向移动并在可移动壁构件lib的径向臂26b和26c 之间限定的通道内垂直滑动。在这种情况下，轭构件52绕固定枢转点58在图8的顺时针方向上的旋转使可移动壁构件1 Ib朝向图中的左侧移动。这可以与可移动壁构件1 Ib的朝向喷嘴环(未示出)的移动，即，在使涡轮机的入口通路的宽度变窄的方向上的移动，相对应。容纳在可移动壁构件lib的第一臂26b与第二臂26c之间并枢转地连接到轭构件52的滑块(图8中未示出)，能够将轭构件52绕固定枢转点58的旋转转换成可移动壁构件lib 的直线轴向移动(即，平行于涡轮机叶轮(图8中未示出)的旋转轴线)。应该认识到，以相反的方式，致动器心轴沿逆时针方向的旋转使可移动壁构件1 Ib朝向右侧(如图8所示) 进行直线轴向移动。该移动可以与可移动壁构件lib远离涡轮机的喷嘴环(未示出)的移动相对应，并因此可增大涡轮机的入口通路的宽度。上述联动装置可以称为四连杆机构或为四连杆机构。四连杆机构的前三个 “杆”(连杆构件)是连杆连接器49、第一联杆50和第二联杆51。第四联杆是具有固定位置关系的枢转点58与59之间的象征性连杆(由虚线60表示)。在所示的本发明的实施例中，连杆连接器49的第一端部与第二端部之间的距离小于第一联杆50的第一端部与第二端部之间的距离。此外，第一联杆50的第一端部与第二端部之间的距离小于第二联杆51的第一端部与第二端部之间的距离。形成象征性第四联杆60的枢转点58与59之间的距离小于第二联杆51的第一端部与第二端部之间的距离， 但大于第一联杆50的第一端部与第二端部之间的距离。将要认识的是可以使用任意适当结构(例如，联动装置的四个“杆”的长度)的四连杆机构。使用四连杆机构使可移动壁构件lib移动(与将轭构件直接连接到致动器相反) 将改变从可移动壁构件lib传递给致动器48的负载(并且相反地改变由致动器施加在可移动壁构件lib上的力)。如前所述，由于作用在可移动壁构件的被暴露给气体的表面的气体压力，可能存在作用在可移动壁构件1 Ib上的净力，并且该力将推动可移动壁构件1 Ib远离喷嘴环(即，朝向图8所述的右侧)。在该方向上推动可移动壁构件lib将使致动器48 受到逆时针方向(如图8中所示)转动力或转矩。四连杆机构通过将可移动壁构件lib上的一些力(或负载)(否则所述力或负载作为转矩施加在致动器上)转换成轴承负载来改变由可移动壁构件lib施加在致动器上的力，所述轴承负载则由固定枢转点48a、48b并因此由涡轮机壳体和安装板(与致动器本身相对)承受。本发明的四连杆机构可以减小可移
18动壁构件lib施加在致动器48上的力(即，减小由于施加在可移动壁构件lib上的力而造成的在致动器48上的负载)。为此，可以使用较小动力(由此不昂贵、较小和/或较轻)的致动器。四连杆机构不仅影响通过可移动壁构件lib施加到致动器的力，而且还影响致动器可以通过联动装置施加到可移动壁构件lib的力。图9显示力(L)与喷嘴间隙(NG)(即， 涡轮机的喷嘴环与罩之间的距离)的曲线图。由61所示的虚线显示了通过直接连接到轭构件的致动器(即，没有四连杆机构)施加的作为喷嘴间隙的函数的力。可以看出的是致动器经由轭构件施加在可移动壁构件上的力不管喷管间隙如何都基本上恒定。这在致动可移动壁构件所需的力作为可移动壁构件的位置的函数而变化的情况下是不利的。例如，当入口通路的宽度最小时，致动可移动壁构件所需的力可以最大。如果致动可移动壁构件所需的力大于能够使致动器位于可移动壁构件的任意位置处(例如，当入口通路的宽度最小时)的力，则将需要较大的致动器。因此期望的是使用联动装置以增大致动器的施力能力， 使得可以使用更小、更便宜或不复杂的致动器。曲线62显示当致动器和可移动壁构件通过前述四连杆机构连接时由致动器施加在可移动壁构件上的理论力。在这种情况下，致动器被假设为能够提供恒定转矩。曲线62 显示当喷嘴间隙基本上为零时由致动器施加在可移动壁构件上的力的大小是最大值。由致动器施加在可移动壁构件上的力的大小则随着喷嘴间隙的增加而减小。这种特性被称为非线性的，其中通过所述特性，由致动器施加在可移动壁构件上的力(每单位致动器转矩)作为喷嘴间隙的函数而变化(由此作为可移动构件的位置的函数而变化)。因此，将致动器连接到可移动壁构件的联动装置(在这种情况下为四连杆机构)被称为非线性联动装置。例如，不同于上述的其它这种联动装置也是可以的。四连杆机构增加可以由致动器施加到可移动壁构件的力的大小(每单位致动器转矩)。增大由致动器施加的每单位转矩施加到可移动壁构件的力的大小，将有助于使用较小动力致动器将给定力施加在可移动壁构件上。较小动力的致动器是有益的，这是因为所述致动器较便宜，尺寸较小，并且较轻。接着，能够使用较小动力和/或较便宜的致动器可以使得包括这种致动器的涡轮机的尺寸和重量减小或成本降低。曲线图上的曲线63显示具有四连杆机构装置的涡轮机的致动器上的测量负载。 可以看出的是曲线63的轮廓非常类似于连接到致动器的理论四连杆机构的由曲线62显示的非线性响应的轮廓。应该注意的是优选的是在任意给定喷嘴间隙处通过四连杆机构由可移动壁构件施加在致动器上的负载的大小小于致动器通过四连杆机构能够施加在可移动壁构件上的力的大小。这使得致动器能够通过联动装置在任意位置处施加充分的转矩以克服由于可移动壁构件lib上的力在致动器上产生的负载，从而影响可移动壁构件lib的移动。作为喷嘴间隙的函数的致动器可以施加到可移动壁构件的力的非线性范围至少部分取决于与连杆连接器49与第一联杆50之间的肘节角。可以在图8中最清楚地看到肘节角，并且肘节角为角度64，所述角度关于连杆连接器49与第一联杆50之间的枢转连接部对着连杆连接器49与第一联杆50之间。通常，对于此，肘节角64越大，对于致动器的每单位转矩则越小的力将通过四连杆机构被传递给可移动壁构件lib。肘节角64根据可移动壁构件lib的位置而变化。例如，当可移动壁构件lib朝向图8中所示的右侧移动时，肘节角将增加。已经发现优选的是当可移动壁构件lib处于其关闭位置时肘节角在Oo与大约 25ο之间。在本发明的一些实施例中，在使用中的可移动壁构件lib的任意给定位置处，肘节角可以在Oo与大约25ο之间。在本发明的又一个优选的实施例中，当可移动壁构件lib 处于其关闭位置时肘节角在大约15ο与关于25ο之间。还优选的是当可移动壁构件lib远离喷嘴环(即，在使涡轮机的入口通路的宽度增加的方向上)移动时，肘节角64增加。这是因为通常更大的肘节角将使致动器能够将更小的力施加在可移动构件lib上。因此，在一些实施例中，在当壁构件最靠近喷嘴环时需要通过致动器和联动装置将最大力施加在可移动壁构件上的情况下(因此当喷嘴减小时致动器和联动装置上所需的力减小)，则有利的是当喷嘴间隙增加时肘节角增大。以此方式，由致动器和联动装置施加在可移动壁构件上的力(其至少部分取决于肘节角)，可以大致与当可移动构件移动以改变喷嘴间隙时致动可移动构件所需的变化(非线性)的力相匹配。虽然已经显示四连杆机构作为从致动器获得非线性响应的装置(即，在通过联动装置由致动器施加在可移动壁构件上的力作为可移动壁构件的位置的函数而变化的情况下)，但是可以使用任意适当的装置以产生来自致动器的非线性响应。优选的是当涡轮机入口通路的宽度最小时，致动器通过联动装置施加在可移动壁构件上的力最大。这是因为在一些实施例中，当入口通路的宽度最小时通过可移动壁构件经由联动装置施加在致动器上的负载最大。因此，当入口通路的宽度最小时，需要致动器通过联动装置将最大的力施加在可移动壁构件上，使得由致动器施加在可移动构件上的力足以克服致动器上的负载，而使可移动壁构件移动。同样优选的是，通过非线性联动装置由致动器施加在可移动壁构件上的力的轮廓类似于由可移动壁构件通过联动装置施加在致动器上的负载的轮廓的形状和大小。在不背离如权利要求中限定的本发明的保护范围的情况下可以对上述示例性设计进行多种修改和改变。此外，虽然所述的几何构造可变涡轮机形成几何构造可变涡轮增压器的一部分， 但是将要认识的是不必一定是这种情况。例如，几何构造可变涡轮机可以连接到将机械动力传递给飞轮或动力生成装置的曲轴和/或齿轮。虽然已经在附图和上述说明中详细地显示和说明了本发明，但是其被认为是示例性的而非在性质上进行约束，且要理解的是仅显示和说明了优选实的施例，并且期望保护落入本发明的如权利要求中限定的保护范围内的所有改变和修改。应该理解的是虽然在以上说明中使用的诸如优选的、优选地或更优选地的单词表明如此描述的特征可以是更加期望的，尽管如此可以不是必需的，并且可以在本发明的保护范围内设计没有该特征的实施例，且该保护范围由下述权利要求限定。在阅读权利要求时，注意的是当这里使用的诸如 “一” “一个”、“至少一个”或“至少一部分”的单词时，除非在权利要求中相反地明确指出， 上述单词的目的不是将权利要求限制到只有一项。当使用措辞“至少一部分”和/或“一部分”时，除非相反地明确指出，所述特征可以包括一部分和/或整个特征。
权利要求
1.一种几何构造可变涡轮机，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；和位于所述涡轮机叶轮上游的气体流动控制通道，所述气体流动控制通道至少部分地限定在可移动壁构件的径向第一表面与所述壳体的面对壁之间，所述可移动壁构件还包括与所述第一表面相对的第二表面和第三表面，所述可移动壁构件能够在轴向方向上移动以改变所述气体流动控制通道的尺寸；所述涡轮机具有第一气体区域、第二气体区域和第三气体区域，其中所述第一气体区域的一部分位于所述气体流动控制通道的上游，所述第一气体区域至少包括所述气体流动控制通道的一部分，所述第二气体区域位于所述气体流动控制通道的下游并包括所述涡轮机叶轮，所述第三气体区域位于所述涡轮机叶轮的下游，其中所述第一气体区域包括所述第一表面和所述第二表面，而所述第二气体区域或所述第三气体区域包括所述第三表面。
2.根据权利要求1所述的几何构造可变涡轮机，其中，所述第二气体区域包括所述第三表面，并且其中在使用中所述第二气体区域中的压力在所述第一气体区域和所述第三气体区域中的压力之间。
3.根据前述权利要求中任一项所述的几何构造可变涡轮机，还包括气体流动控制叶片，所述气体流动控制叶片从所述壳体的面对壁至少部分地横过所述气体流动控制通道延伸；以及其中所述可移动壁构件包括罩板，所述罩板具有多个孔口，每一个孔口与气体流动控制叶片相对应并被构造成使得在使用中所述孔口能够容纳相应的所述气体流动控制叶片。
4.根据前述任一项权利要求所述的几何构造可变涡轮机，其中所述可移动壁构件包括第一大致管状部分、第二大致管状部分和臂，所述第一大致管状部分的半径大于所述第二大致管状部分的半径；其中连接部连接所述第一大致管状部分的第一端与所述第二大致管状部分的第一端；其中所述臂在所述第二大致管状构件的外侧从所述第二大致管状部分的第二端径向延伸；其中所述径向第一表面由所述臂限定，所述第二表面由所述臂限定；以及其中所述第三表面由所述连接部限定。
5.根据从属于权利要求3时的权利要求4所述的几何构造可变涡轮机，其中 所述第一大致管状部分的半径大于所述气体流动控制叶片中的至少一个的径向最内侧点的半径；以及所述第一大致管状部分的半径小于所述气体流动控制叶片中的至少一个的径向最外侧点的半径。
6.根据前述任一项权利要求所述的几何构造可变涡轮机， 其中所述第二气体区域包括第三表面；以及其中所述第二气体区域还包括连杆通路，所述连杆通路的第一端与所述涡轮机叶轮成气体流动连通，而所述连杆通路的第二端与所述第三表面成气体流动连通。
7.根据权利要求6所述的几何构造可变涡轮机，其中，所述连杆通路限定在所述可移动壁构件与所述壳体的固定环形壁部分之间。
8.根据前述任一项权利要求所述的几何构造可变涡轮机，还包括气体流动控制机构， 所述气体流动控制机构能够操作以使所述可移动构件移动，从而控制通过所述气体流动控制通道的气流；所述气体流动控制机构包括用于致动器与所述可移动壁构件之间的连接的非线性联动装置。
9.根据权利要求8所述的几何构造可变涡轮机，其中，所述气体流动控制机构至少部分地位于所述壳体内。
10.根据权利要求8或9所述的几何构造可变涡轮机，其中，所述联动装置是四连杆机构。
11.根据权利要求10所述的几何构造可变涡轮机，其中所述联动装置包括第一连杆构件、第二连杆构件和第三连杆构件；所述第一连杆构件的第一端固定地连接到所述致动器，而所述第一连杆构件的第二端枢转地连接到所述第二连杆构件的第一端，使得所述第一连杆构件和所述第二连杆构件能够相对于彼此旋转；所述第二连杆构件的第二端枢转地连接到所述第三连杆构件的第一端，使得所述第二连杆构件和所述第三连杆构件能够相对于彼此旋转；以及所述第三连杆构件的第二端固定地连接到轭构件，所述轭构件被构造成使所述可移动壁构件轴向移动，其中在所述第一连杆构件的第一端与所述第三连杆构件的第二端之间具有恒定的固定位置关系。
12.根据权利要求11所述的几何构造可变涡轮机，其中所述第一连杆构件的第一端与第二端之间的距离小于所述第三连杆构件的第一端与第二端之间的距离；以及任选地，所述第一连杆构件的第一端与第二端之间的距离小于所述第二连杆构件的第一端与第二端之间的距离，而所述第二连杆构件的第一端与第二端之间的距离小于所述第三连杆构件的第一端与第二端之间的距离。
13.根据权利要求11或12所述的几何构造可变涡轮机，其中，当所述可移动壁构件处于关闭位置时，所述第一连杆构件和所述第二连杆构件围绕所述第一连杆构件与所述第二连杆构件之间的枢转连接部所对着的肘节角在以下角度中的至少一个之间Oo与大约25ο之间；以及大约15ο和大约25ο之间。
14.根据权利要求8-13中任一项所述的几何构造可变涡轮机，其中，所述非线性联动装置被构造成使得随着所述可移动壁构件的径向第一表面与所述壳体的面对壁之间的间距的减小，由所述致动器的致动器的每单位转矩施加在所述可移动壁构件上的力增加。
15.根据前述任一项权利要求所述的几何构造可变涡轮机，其中，所述第三表面的表面面积构造成使得在使用中由于作用在所述可移动壁构件上的气体压力而作用在所述可移动构件上的净力大致为零，或推动所述可移动壁构件的第一表面远离所述壳体的面对壁。
16.根据前述任一项权利要求所述的几何构造可变涡轮机，其中，所述第一气体区域包括涡轮机入口蜗壳，并且其中所述第三气体区域包括涡轮机出口通路。
17.根据前述任一项权利要求所述的几何构造可变涡轮机，还包括环形壁构件，所述环形壁构件具有径向内表面和径向外表面，所述径向内表面具有与所述涡轮机叶轮的外轮廓相对应的轮廓，所述径向外表面具有与所述第三表面的轮廓相对应的轮廓。
18.—种包括根据前述任一项权利要求所述的几何构造可变涡轮机的涡轮增压器。
19.一种制造或设计根据权利要求1-17中任一项所述的几何构造可变涡轮机或根据权利要求18所述的涡轮增压器的方法，其中所述方法包括以下步骤计算所述第三表面的表面面积，使得在使用中由于作用在所述可移动壁构件上的气体压力而作用在所述可移动构件上的净力大致为零或推动所述可移动壁构件的第一表面远离所述壳体的面对壁。
20.根据权利要求19所述的制造或设计几何构造可变涡轮机的方法，还包括以下步骤使所述第三表面形成所述计算得出的所述表面面积。
全文摘要
本发明公开了一种几何构造可变涡轮机，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；和位于所述涡轮机叶轮上游的气体流动控制通道，所述气体流动控制通道至少部分地限定在可移动壁构件的径向第一表面与壳体的面对壁之间，可移动壁构件还包括与第一表面相对的第二表面和第三表面，可移动壁构件可在轴向方向上移动以改变气体流动控制通道的尺寸。涡轮机具有第一气体区域、第二气体区域和第三气体区域，其中所述第一气体区域的一部分位于气体流动控制通道的上游，第一气体区域至少包括气体流动控制通道的一部分，所述第二气体区域位于气体流动控制通道的下游并包括涡轮机叶轮，所述第三气体区域位于涡轮机叶轮的下游。第一气体区域包括第一表面和第二表面，而第二气体区域或第三气体区域包括第三表面。
文档编号F01D17/16GK102434230SQ20111028458
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月22日 优先权日2010年9月22日
发明者大卫·安德鲁·拉克, 斯蒂芬·爱德华·加勒特, 阿伦·塔米尔·塞尔万·维贾雅库马尔 申请人:康明斯有限公司