专利名称：具有叶片密封装置的涡轮增压器可变喷嘴组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有可变喷嘴涡轮的涡轮增压器，在所述涡轮中ー排活动叶片(vane)布置在涡轮喷嘴中以调节进入涡轮的排气流量。
背景技术：
排气驱动涡轮增压器是用于结合内燃机使用，并通过压缩向发动机空气入口传输的空气而在发动机内与燃料混合且燃烧进而增加发动机功率输出的设备。涡轮增压器包括安装在压缩机壳体中的轴的一端上的压缩机叶轮(compressor wheel)和安装在润轮壳体中的轴的另一端上的涡轮叶轮。典型地，所述涡轮壳体与所述压缩机壳体分开地形成，并且还存在连接在涡轮和压缩机壳体之间的另一中心壳体用于容纳轴的轴承。所述涡轮壳体限定围绕涡轮叶轮的大体上呈环形的室且接收来自发动机的排气。涡轮组件包括从所述室向涡轮叶轮引导的喷嘴。来自所述室的排气流通过喷嘴流向涡轮叶轮从而涡轮叶轮被排气驱动。涡轮因此从排气中抽取功率且驱动压缩机。所述压缩机通过压缩机壳体入口接收周围空气，所述空气被压缩机叶轮压缩并然后从所述壳体排向发动机空气入口。用涡轮增压器提升发动机性能的挑战之ー是在发动机的整个运行范围内达到期望的发动机功率输出值。已经发现，使用具有固定几何形状的涡轮增压器该目标经常不容易地达到，且因此可变几何涡轮增压器已经用于达成提供大于涡轮增压器提供的增压量之上的更大控制程度的目标。一种可变几何涡轮增压器是可变喷嘴涡轮增压器(VNT)，其包括在涡轮喷嘴中的一排可变叶片。所述叶片枢转地安装在喷嘴中且与能使叶片设定角度变化的装置相连。改变叶片的设定角度具有改变在涡轮喷嘴内的有效流动面积的效果，且因此流向涡轮叶轮的排气流量可以通过控制叶片位置被调节。在此方式下，涡轮功率输出被调节，其允许发动机功率输出被控制到ー个比通常具有固定几何形状的涡轮增压器的可能的更大范围。一种这样的可变喷嘴组件包括支承叶片排的大致环形的喷嘴环。所述叶片可旋转地安装到喷嘴环上且连接到可旋转驱动器环以致所述驱动器环的旋转使叶片转动来调节流入涡轮叶轮的排气流量。所述组件可以还包括插入件，所述插入件具有被涡轮壳体的孔收纳且密封的管状部分和通常从管状部分的一端径向地向外延伸的喷嘴部分，所述喷嘴部分与喷嘴环轴向地间隔以致所述叶片在所述喷嘴环和所述喷嘴部分之间延伸。所述插入件的喷嘴部分和喷嘴环可以刚性地彼此连接来保持插入件喷嘴部分和喷嘴环之间固定的轴向间距。上述的可变喷嘴组件是有效的，但是进一步改进需要探寻。
发明内容
特别地，潜在改进领域涉及叶片和由喷嘴环和插入件的喷嘴部分形成的喷嘴的壁之间的密封。典型的可变喷嘴组件构造成使得在叶片端部和喷嘴的邻壁之间存在间隙。大概不可能完全消除该间隙，这是因为叶片必须是可枢转的，然而减少此间隙的宽度可以改进涡轮性能，这是因为少量排气可以泄漏通过该间隙。这样所面临的挑战变成如何减少间隙的尺寸而不削弱叶片枢转的能力。本发明阐述上述需求和达到的优点，通过提供具有可变喷嘴组件涡轮增压器，所述涡轮增压器包括
压缩机壳体和安装在压缩机壳体中且连接到旋转轴上的压缩机叶轮，及涡轮壳体和安装在涡轮壳体中且连接到旋转轴上的涡轮叶轮，所述涡轮壳体限定出围绕涡轮叶轮的室，所述室用于接收来自发动机的排气，和通过喷嘴引导从所述室大致径向向涡轮叶轮内供应排气，所述涡轮壳体进一歩限定出轴向孔。与所述涡轮壳体独立地分开形成的插入件，所述插入件具有接纳到涡轮壳体轴向孔中的管状部分和连接到所述管状部分的一端且从其向外径向延伸的环形喷嘴部分。喷嘴环，其具有相対的第一面和第二面，所述喷嘴被限定在所述第二面和所述插入件的喷嘴部分之间，所述喷嘴环具有多个圆周地间隔分开的轴承孔，每个轴承孔轴向地
从第一面向第二面延伸。布置在喷嘴内的多个叶片和每个具有近端和远端，连接到所述近端的轴和接纳到喷嘴环的轴承孔内且在轴承孔内可旋转，所述叶片的远端临近所述插入件的喷嘴部分，所述叶片在关闭位置和开启位置之间是可旋转的；和与所述插入件独立地分开形成且被支承在所述插入件的喷嘴部分上的大致环形的叶片密封元件，所述叶片密封元件具有布置在叶片远端和插入件喷嘴部分之间的部分。其中，所述叶片密封元件的所述部分构造成接触所述叶片远端的引导和拖尾边缘部分以及当叶片在关闭位置时向叶片施加轴向负载趋于向喷嘴环推动叶片，然而当所述叶片在开启位置时，所述叶片密封元件的所述部分和所述叶片远端的前缘和后缘部分之间存在间隙。已经证明，当叶片接近关闭位置时，减小叶片间隙非常重要，因为在此操作条件下泄漏流占总流更多的百分比，和因此对涡轮效率具有更显著影响。当叶片在它们关闭位置时，本发明的可变喷嘴组件导致叶片间隙被减小或消除，在此间隙减小是最重要的。同吋，当叶片开启时，所述叶片可以自由枢转，这是因为所述叶片密封元件在此位置不与叶片端接触。在一个实施例中，喷嘴环和插入件的喷嘴部分通过多个间隔件彼此接触，和叶片密封元件包括所述垫片通过的孔。这对于叶片密封元件提供ー种抗旋转性能。在一个实施例中，所述叶片密封元件包括凸缘，该凸缘通常从叶片密封元件的外部径向边缘轴向地延伸，和所述凸缘与所述插入件的喷嘴部分的外部表面径向地接合。所述叶片密封元件可以包括通常轴向地从叶片密封元件的径向内部边缘轴向延伸的唇缘，和插入件可以包括槽，在所述槽内嵌入所述唇缘以相对于插入件而定位所述叶片密封元件。叶片密封元件可以是适应的(S卩，弾性地和恢复变形的)薄片金属零件，其可以向叶片的远端提供轻弹性负荷。叶片和叶片密封元件之间的接触设计成当叶片在开启位置时在叶片前缘和后缘提供正(非零)间隙。这使摩擦和叶片粘连的风险最小化。
因此已经总体上描述了本发明，现在參照附图，所述附图不一定按尺寸比例进行绘制，在所述附图中图1是根据本发明ー个实施例的具有可变喷嘴组件的涡轮增压器的横截面图；图2是根据本发明ー个实施例的可变喷嘴组件的分解图；图3是可变喷嘴组件的另一分解图；图4是可变喷嘴组件的横截面图；和图5是图4的显著放大部分。
具体实施例方式下面将參照附图在下文更充分地阐述本发明，图中示出了本发明的ー些而不是所有实施例。实际上，这些发明可以以许多不同的方式实施且不能解释为限制到在此所述的实施例；而是，这些实施例被提供以使这些公开可以满足可适用的法律要求。贯通全文相同的附图标记表示相同的元件。根据本发明的一个实施例的涡轮增压器100示在图1中。所述涡轮增压器包括涡轮，该涡轮包括涡轮壳体Iio和安装在涡轮壳体中且连接到可旋转的轴114以随其旋转的涡轮叶轮112。涡轮壳体限定出围绕涡轮叶轮用以接收排气的室116，且存在从所述室大致径向地向内引导至涡轮叶轮的喷嘴118。涡轮壳体还限定出轴向延伸的孔120，在通过涡轮叶轮之后通过该孔排气被排出。涡轮增压器进一歩包括压缩机，所述压缩机包括压缩机壳体130和安装在压缩机壳体中且连接至可旋转的轴114以随其旋转的压缩机叶轮132。中心壳体140连接在压缩机壳体130和涡轮壳体110之间。所述轴114通过中心壳体，其支承用于轴的轴承142.所述涡轮增压器进ー步包括可变喷嘴组件150，其包括插入件160，所述插入件具有被接收在涡轮壳体的孔120中的管状部分162内且具有大致从管状部分的一端径向地向外延伸的大致环形的喷嘴部分164。所述可变喷嘴组件150还包括与喷嘴部分164轴向地间隔开的大致环形的喷嘴环170，和相对喷嘴环圆周地间隔的一排叶片180可旋转地安装到喷嘴环上以致于所述叶片在设定角度上是可变的来调节流向涡轮叶轮的排气流量。所述喷嘴环170刚性地固定到喷嘴部分164上，例如通过刚性间隔件166(图2和图3)，所述刚性间隔件在这些部件之间延伸且保持它们之间的固定间隔。涡轮壳体110包括大致环形的凸缘111，其与中心壳体140的凸缘144相対。涡轮壳体凸缘111和中心壳体凸缘144具有相対的轴向对立表面，所述对立表面呈阶梯状以致存在径向外部的一对相对面，和径向内部的一对相对面。大致环形的保持环190的径向外部部分布置和夹在所述内部一对相对面之间。有回弹カ的密封环192布置且轴向地压缩在所述外部一对相对面之间。在图示实施例中，所述密封环192具有通常U形横截面且U面开ロ侧径向地向内定向。然而，其它结构的密封环也可以使用。所述保持环190的径向内部部分与所述喷嘴环170的轴向下游面表面接合且因此限制向其延伸，所述喷嘴环170可以在下游方向上(即，向图1的右边)轴向地移动。弹簧元件194，其在图示的实施例中还包括热罩，被布置在喷嘴环170的径向内部部分和中心壳体140的一部分之间。所述热罩194是由回弾力金属构造的薄片金属部件，且所述热罩具有非平坦结构以致当被压缩时所述热罩作为弹簧元件起作用。所述热罩大致呈环形且具有与喷嘴环170的轴向上游面表面接合的径向外部部分和与中心壳体140的轴向下游面表面接合的径向内部部分。所述热罩被轴向地压缩在这些表面之间。有回弹カ的径向可压缩的定位器环196布置在喷嘴环170径向内向表面和中心壳体140径向外向表面之间,且与内向和外向表面接合以使所述喷嘴环相对于中心壳体径向地定位。所述定位器环包括具有大致C形横截面的大致环形的本体，C形横截面限定出径向的外部支脚和径向的内部支脚，所述径向的外部支脚与所述喷嘴环170的径向内向表面接合且所述径向的内部支脚与中心壳体140的径向外向表面接合。參照图2和3，叶片180具有近端182和相对远端184。叶片的近端182刚性地固定到通常圆柱形状的轴杆186 (图4)。喷嘴环170包括轴承孔175 (图4)，该轴承孔径向地延伸通过喷嘴环170。叶片的轴杆186通过具有足够宽松配合从而允许所述轴杆绕它们的轴线旋转的轴承孔175，但是所述轴杆和孔之间的间隙是足够小以基本上使所述轴杆的旋转轴线的轴向取向固定。轴杆186具有从轴承孔175凸出到喷嘴环的第一面172之外的远端。叶片臂188刚性地连接到所述轴杆186的远端。所述叶片臂具有接合到靠近喷嘴环的第一面172布置的调和环210上的相对自由端。所述调和环210大致与喷嘴环共轴且可绕其轴线旋转，由相应的致动器(未示出)致动。调和环在ー个方向上的旋转引起叶片臂188在使叶片180向它们打开位置枢转的方向上枢转，调和环在另ー个方向的旋转使叶片向它们的关闭位置枢转。根据本发明，可变喷嘴组件150包括与插入件160独立地分开形成且被支承在插入件的喷嘴部分164上的大致环形的叶片密封元件220。如最佳视图5，叶片密封元件220具有布置在叶片180远端184和插入件喷嘴部分164之间的部分222。叶片密封元件的所述部分222配置成当叶片在关闭位置时与叶片远端184相接触。然而，当叶片在打开位置吋，叶片密封元件的所述部分222和叶片远端184之间存在间隙。如上述，喷嘴环170和插入件的喷嘴部分164通过多个间隔件166彼此连接。在一个实施例中，叶片密封元件220包括孔224(图2和3)，所述间隔件166穿过该孔。可选择地，如图2和3所示，间隔件166可以包括穿过孔224且延伸到在喷嘴部分164的开ロ167中的较小直径部分，在此它们被刚性固定，和与叶片密封元件220接触且保持其与喷嘴部分164接触的较大直径部分或肩部。所述间隔件因此提供用于叶片密封元件220的抗旋转特性且保持喷嘴环170和喷嘴部分164之间的间隔。在一个实施例中，叶片密封元件220可包括大致轴向地从叶片密封元件的径向外部边缘延伸的凸缘226。所述凸缘226与插入件的喷嘴部分164的径向外部表面接合。可选择地，叶片密封元件220可以包括大致轴向地从叶片密封元件的内部边缘延伸的唇缘(未示出)，和插入件160可以包括槽(未示出)，在所述槽中所述唇缘接合以致使叶片密封元件相对于插入件定位。叶片密封元件220可以是顺性的(即，弾性地和可弹性变形的)薄片金属部件，其可以在叶片远端184上面提供轻弹簧负荷。叶片和叶片密封元件之间的接触设计为当叶片在开启位置时(即当前缘和后缘在从叶片轴杆186的径向方向上最远时)在叶片前缘和后缘提供正(非零)间隙PC(图5)。靠近叶片轴杆186径向方向上所述间隙是零，且因此当叶片关闭时(其中前缘和后缘在到叶片轴杆的径向方向上最近吋)在前缘和后缘处所述间隙是零。本领域技术人员会想到在此阐述的本发明的许多修改变型和其它实施例，并且这些发明属于在前述的描述和相关附图中给出的教导的利益。因此，应当理解，本发明并不局限于所公开的具体实施例，并且修改和其它实施例g在被包括在所附权利要求书的范围内。虽然本文采用了特定的术语，它们是仅仅是用于通用的和描述性的意义，而不是为了限制的目的。
权利要求
1.一种具有可变喷嘴组件的涡轮增压器，包括压缩机壳体和安装在压缩机壳体中且连接到可旋转轴上的压缩机叶轮，和涡轮壳体和安装在涡轮壳体中且连接到可旋转轴上的涡轮叶轮，所述涡轮壳体限定出围绕涡轮叶轮的室，所述室用于接收来自发动机的排气，且通过喷嘴引导从所述室大致径向地向内供应排气至涡轮叶轮，所述涡轮壳体进一步限定出轴向孔；与涡轮壳体独立地分开形成的插入件，所述插入件具有容纳在涡轮壳体轴向孔中的管状部分和连接到管状部分一端且从其径向地向外延伸的环形喷嘴部分；具有相对的第一面和第二面的喷嘴环，所述喷嘴被限定在所述第二面和所述插入件的喷嘴部分之间，所述喷嘴环具有多个周向地间隔开的轴承孔，每个轴承孔从所述第一面向所述第二面轴向地延伸；布置在所述喷嘴内的多个叶片和每个叶片具有近端和远端，轴杆连接到所述近端且被接收在喷嘴环的轴承孔内且在轴承孔内可旋转，所述叶片的所述远端靠近所述插入件的喷嘴部分，所述叶片在关闭位置和开启位置之间是可旋转的；和与所述插入件独立地分开形成且被支承在所述插入件的喷嘴部分上的大致环形的叶片密封元件，所述叶片密封元件具有布置在叶片远端和插入件喷嘴部分之间的部分；其中所述叶片密封元件的所述部分配置成与所述叶片远端的前缘部分和后缘部分相接触且当所述叶片在关闭位置时在叶片上施加趋于向喷嘴环推动叶片的轴向负荷，同时当所述叶片在开启位置时在叶片密封元件的所述部分和所述叶片远端的前缘部分和后缘部分之间存在间隙。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述喷嘴环和所述插入件的喷嘴部分通过多个间隔件彼此连接，且所述叶片密封元件包括所述间隔件穿过其的孔。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述叶片密封元件包括凸缘，所述凸缘从所述叶片密封元件的径向外部边缘大致轴向地延伸，所述凸缘与所述插入件的喷嘴部分的径向外部表面接合。
4.根据权利要求3所述的涡轮增压器，其中所述喷嘴环和所述插入件的喷嘴部分通过多个间隔件彼此连接，且所述叶片密封元件包括所述间隔件穿过其的孔。
5.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述叶片密封元件包括从所述叶片密封元件的径向内部边缘大致轴向地延伸的唇缘，且所述插入件包括槽，在该槽内，所述唇缘接合以致于使叶片密封元件相对于所述插入件定位。
6.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述叶片密封元件包括顺性的薄片金属零件。
7.一种用于涡轮增压器的可变喷嘴组件，所述涡轮增压器包括限定出室的涡轮壳体和从所述室径向地向内引导至在涡轮壳体的轴向孔内的喷嘴，该可变喷嘴组件包括具有适于被接收在所述涡轮壳体轴向孔内的管状部分和连接到所述管状部分的一端且从其径向地向外延伸的环形喷嘴部分；具有相对的第一面和第二面的喷嘴环，喷嘴通道被限定在所述第二面和所述插入件的喷嘴部分之间，所述喷嘴环具有多个周向间隔的轴承孔，每个轴承孔从所述第一面向所述第二面轴向地延伸；布置在所述喷嘴通道内的多个叶片且每个叶片具有近端和远端，连接到所述近端且被接收在所述喷嘴环的轴承孔内的且在轴承孔中是可旋转的轴杆，所述叶片的所述远端靠近所述插入件的喷嘴部分，所述叶片在关闭位置和开启位置之间是可旋转的；和与所述插入件独立地分开形成且被支承在所述插入件的喷嘴部分上的大致环形的叶片密封元件，所述叶片密封元件具有布置在叶片远端和所述插入件的喷嘴部分之间的部分；其中所述叶片密封元件的所述部分配置成当叶片在关闭位置时通过叶片远端相接触， 同时当叶片在开启位置时在叶片密封元件的所述部分和叶片远端之间存在间隙。
8.根据权利要求7所述的可变喷嘴组件，其中所述喷嘴环和所述插入件的喷嘴部分通过多个间隔件彼此连接，且所述叶片密封元件包括所述间隔件穿过其的孔。
9.根据权利要求7所述的可变喷嘴组件，其中所述叶片密封元件包括凸缘，所述凸缘从叶片密封元件的径向外部边缘大致轴向地延伸，所述凸缘与所述插入件的喷嘴部分的径向外部表面接合。
全文摘要
本发明涉及具有叶片密封装置的涡轮增压器可变喷嘴组件。一种可变喷嘴涡轮增压器包括涡轮壳体和中心壳体，和大致环形的喷嘴环和一排可旋转地安装到喷嘴环上以使所述叶片可以绕它们的轴线枢转从而调节流向涡轮叶轮的排气流量的叶片。所述叶片在喷嘴环和由在涡轮壳体内的插入件形成的相对壁之间延伸。叶片密封元件被支承在所述插入件上，且具有布置在所述叶片远端和所述插入件之间的部分。所述叶片密封元件的所述部分配置成当叶片在关闭位置时通过叶片远端相接触，同时当叶片在开启位置时在叶片密封元件的所述部分和所述叶片的远端之间存在间隙。
文档编号F01D9/02GK103032106SQ20121046065
公开日2013年4月10日 申请日期2012年9月29日 优先权日2011年9月30日
发明者C·格罗夫斯, L·图森, P·戴维斯, P·巴泰勒 申请人:霍尼韦尔国际公司