可变几何涡轮的制造方法

可变几何涡轮的制造方法
【专利摘要】一种可变几何涡轮机，具有在空腔内部安装的可移动壁部的径向壁部的第一表面与涡轮机壳体的面对壁部之间所限定的环形入口通路。该径向壁部限定了与第一表面相对的第二表面。可移动壁部构件包括沿着轴向伸进空腔的环形凸缘，并且该环形凸缘支撑限定了相对的第三和第四表面的径向凸缘。该径向凸缘与空腔中的环形套简形成密封，以便在空腔内部限定一个包含了径向的第二和第三表面的第一区域，以及在空腔内部限定一个包含了径向的第四表面的第二区域。所述第一和第二区域与分别处于径向叶片通路的上游和下游的环形入口通路的区域是流体连通的。
【专利说明】可变几何涡轮机

【背景技术】
[0001] 本发明涉及一种可变几何涡轮机。
[0002] 众所周知，涡轮增压器是用于以高于大气压的压力（增压）向内燃机的吸入口供 给空气的设备。传统的涡轮增压器主要包括安装在涡轮机壳体内部的可旋转轴上的由废气 驱动的涡轮机叶轮。涡轮机叶轮的旋转会转动安装在压缩机壳体内部的轴的另一端的压缩 机叶轮。压缩机叶轮会将压缩空气输送至引擎进气歧管。传统上，涡轮增压器轴是由位于 连接在涡轮机与压缩机叶轮壳体之间的中心轴承壳体内部的轴颈轴承以及止推轴承所支 撑的，该等轴承还包括适当的润滑系统。
[0003] 常规涡轮增压器的涡轮级包括：涡轮机壳体，其限定了装有涡轮机叶轮的涡轮室； 在围绕涡轮室布置的面对面的径向延伸壁部之间所限定的环形入口通道；围绕入口通道布 置的入口；以及从涡轮室伸出的出口通道。通道和涡轮室相通，以使注入入口的加压废气通 过入口通道并经由涡轮室流到出口通道，并且旋转涡轮机叶轮。众所周知，通过在入口通道 中提供名为喷嘴叶片的叶片，可以使流经入口通道的气体转向至涡轮机叶轮的旋转方向， 由此提升涡轮机性能。
[0004] 这种涡轮机可以是固定或可变几何类型的。可变几何涡轮机与固定几何涡轮机的 不同之处在于：入口通道的尺寸可被改变，以便在一定的质量流率范围内优化气流速度，由 此可以依照不断变化的引擎需要来该改变涡轮机的功率输出。
[0005] 可变几何涡轮增压器中的喷嘴叶片布置可以采用不同的形式。在一种名为滑动 "喷嘴环"的类型中，叶片固定于在入口通道上滑动的可轴向移动壁部。所述可轴向移动壁 部朝着面向护罩板移动，以便闭合入口通路，在此过程中，叶片将会穿过挡板中的孔径。喷 嘴环相对于挡板的位置是可调节的，由此控制入口通路的宽度。例如，在流经涡轮机的气体 减少时，入口通路宽度同样可以减小，由此保持气体速度并且优化涡轮机输出。在替换布置 中，叶片从固定壁部延伸并通过在可轴向移动的挡板中提供的狭槽。
[0006] 可移动壁部有可能是喷嘴环或挡板，其通常被支撑在沿着与涡轮机的旋转轴平行 的方向延伸的杆上，并且是由一个致动器移动的，该致动器可以通过操作而在轴方向上位 移所述杆。所使用的致动器可以具有不同的类型，例如通常被安在壳体外部的气动致动器 或马达和齿轮传动装置。该致动器可以通过固定在单独形成的轴上的轭而被偶合到喷嘴环 或挡板，所述轴则被接纳在轴承壳体壁部中的轴颈轴承中。所述轭随着所述轴旋转，并且限 定了两个间隔开的臂部，其中所述臂部朝着离开处于涡轮机轴两端的轴的方向延伸，并与 支撑杆部分啮合。所述轭可以用任何适当的连接手段于操作时连接到支撑杆。在一个非限 制性示例中，所述轭的每一个臂部的末端都具有延伸到滑块中的连接销，所述滑块则继而 被收容于在相应支撑杆中限定的狭槽。在这个特定示例中，致动器的操作会导致所述轭和 轴围绕轴线樞转，由此，臂部的连接销会画出一个圆弧，并且继而促使该部件在支撑杆限定 的狭槽内部沿着轴向移动以及垂直滑动。由此，通过围绕所述轴来旋转所述轭，可以实现喷 嘴环或挡板的轴向移动。本发明某些方面的目标是提供用于将支撑杆安装到可变几何涡轮 机的喷嘴环或挡板的替换或改进手段。此外，本发明某些方面的另一个目标是提供用于将 组件连接到涡轮机壳体的替换或改进手段。
[0007] 在正常的引擎工作过程中，流经入口通路的气体会对可移动壁部的径向面部施加 压力，而这往往会迫使喷嘴环之类的可移动壁部远离入口通路的面对壁部，例如挡板，由此 打开入口通路。在引擎工作过程中的某些时间，如果通过移动可移动壁部来使其更接近入 口通路的面对壁部，并且由此减小入口通路的轴向宽度以及提升气流的速度，那么将会是 非常理想的。在热管理循环（也被称为热再生）过程中，引擎通常处于空闲状态，并且可移 动壁部被定位成非常接近于面对壁部，由此限定了一个涡轮机入口通路，该通路通常要比 正常的引擎工作过程中窄。由于这种收窄，通过入口通路的气体的速度将会显著增加，并且 由此具有很低的压力。结果，在气体冲击涡轮机之前，处于横跨入口通路的喷嘴叶片上游的 涡轮机前气体压力与处于喷嘴环下游的气体压力之间会存在很大的差异。
[0008] EP 0 654 587公开了一种可变几何涡轮机，其具有处于可移动喷嘴环中的压力平 衡孔径，以便允许喷嘴叶片上游处于较高的涡轮机前压力的气体进入喷嘴环后方的空腔。 这样一来，喷嘴环后方的空腔处于与作用于喷嘴环前端面的压力大体上相同但是始终要略 小一些的压力，由此确保通过流经涡轮机入口的气体来向喷嘴环施加一个很小的单向力。 然而已经发现，即使提供了 EP 0 654 587中公开的压力平衡孔，但是，由于排气阀的打开 和闭合操作会将排气脉冲释放到车辆引擎的排气歧管，并且由此会使涡轮机入口内部的压 力发生波动，因此，喷嘴环上的力仍旧会出现不理想的波动。为了解决这个问题，EP 1 888 881描述的是开发一种可移动喷嘴环，该喷嘴环限定了两个圆周阵列的压力平衡孔径；即 处于叶片通路内部的第一阵列以及处于第一阵列的上游或下游的第二阵列。虽然该装置缓 解了在最初的压力平衡孔的设计中观察到的一些问题，特别是其允许喷嘴环在一系列的引 擎转速上具有很低的平均力，但是近期已发现，由于传送至喷嘴环后方的空腔的压力取决 于喷嘴环的轴位置，因此，必须非常仔细地定位多个压力平衡孔径的阵列，并对其大小进行 仔细的调整。此外，在通过压力平衡孔来传送压力的过程中还会存在延迟，因此，在传送不 同引擎气缸所产生的压力脉冲的过程中会存在时滞，而这将会导致在喷嘴环上的不同位置 出现很大的压力波动或摆动。


【发明内容】

[0009] 本发明的目标是消除或缓解与使用了可移动壁部的可变几何涡轮机相关联的一 个或多个上述问题。
[0010] 根据本发明的第一个方面，所提供的是一种可变几何涡轮机，包括：
[0011] 安装在壳体内部围绕涡轮机轴旋转的涡轮机叶轮；以及
[0012] 在径向方向上朝着涡轮机叶轮向内延伸的环形入口通路；
[0013] 该环形入口通路是在被安装于壳体内部所提供的空腔中的可移动壁部构件的径 向延伸壁部的第一表面与壳体的面对壁部之间所限定的；
[0014] 可移动壁部构件在轴方向上是可移动的，由此改变环形入口通路的大小；
[0015] 入口导向叶片阵列横跨所述环形入口通路，以便限定一个径向叶片通路；
[0016] 可移动壁部构件的径向延伸壁部限定一个与第一表面相对的径向第二表面；
[0017] 可移动壁部构件还包括一个环形凸缘，该环形凸缘沿着轴向伸进空腔并且撑起了 一个径向延伸凸缘，所述径向延伸凸缘限定了相对的径向第三和第四表面；
[0018] 该径向延伸凸缘与在空腔中提供的环形套筒形成密封，由此在空腔内部限定了包 含径向的第二和第三表面的第一区域，以及在空腔内部限定了包含径向的第四表面的第二 区域；
[0019] 空腔内部的第一区域与处于径向叶片通路上游的环形入口通路的区域是流体连 通的；以及
[0020] 空腔内部的第二区域与处于径向叶片通路下游的环形入口通路的区域是流体连 通的。
[0021] 在使用过程中，借助于根据本发明的装置，可以使可移动壁部构件后方的压力保 持处于相对恒定的叶片通路上游的涡轮机前压力上。非常重要的是，这个压力不会像叶片 通路内部的压力那样随着入口通路尺寸的减小而急剧减小。这种处理是非常有利的，因为 与选择用于提供将压力从入口通路传输到可移动壁部构件后方的处理的压力平衡孔相比， 预测和"匹配"处于叶片通路上游的涡轮机前压力的处理要相对容易。此外，借助本发明 的装置，来自引擎的压力脉冲会在其到达涡轮机入口通路的同时到达可移动壁部后方的空 腔，因此，这些脉冲不会引起时滞，并且由此几乎是没有振动的。相应地，可移动壁部构件上 的仅有的压差是由径向延伸的"压力平衡"凸缘建立的，并且在越过可移动壁部构件传送压 力的过程中不会因为时滞而导致出现压力变化。因此，无论在哪一个所要的轴方向上都可 以更容易地预测可移动壁部构件上的平均力，并且重要的是可以保持该平均力。
[0022] 在使用过程中，作用于空腔内部的可移动壁部构件后方的压力处在位于叶片通路 上游的涡轮机前压力上，由于流经叶片通路的气体的压力将会减小，因此，该压力要高于入 口通路内部的压力。在缺少根据本发明的压力平衡装置的情况下，如果没有较强的致动器， 那么将会出现猛然关上可移动臂部的趋势。通过在空腔内部提供一个与可移动壁部构件的 径向延伸壁部的径向第二表面（即后端面）相对的径向表面，径向延伸的"压力平衡"凸缘 减小了这种趋势，由此允许使用强度较低的致动器，因此，所述致动器可以更小、更轻乃至 更廉价。
[0023] 由于可移动壁部构件的径向延伸壁部中处于叶片外径以外的部分的两侧的气体 压力是近似相等的，因此，相比于处在该直径上的径向延伸壁部后方的气体压力，叶片通路 中的压力是减小的，并且该压力产生的是趋于闭合可移动壁部构件的力。相应地，在一个优 选实施例中，"压力平衡"凸缘的直径不大于叶片通路的直径。也就是说，"压力平衡"凸缘 从轴向延伸凸缘开始沿径向延伸的范围优选是不大于从轴向延伸凸缘的径向内部表面到 横跨入口通路的叶片的外径的距离的。
[0024] 可移动壁部构件和/或壳体可以被调整成限定一条路径，供流向涡轮机的气体流 入可移动壁部构件后方的空腔。这样一来，气体可以围绕可移动壁部构件的径向外部边缘 流动，以便将较高的涡轮机前压力传送至可移动壁部构件的后方。作为替换，相对于壳体以 及可移动构件为了促使气体流进空腔所限定的一个或多个孔径来说，可移动壁部构件的外 部边缘可以是密封的。应该了解的是，如果在叶片通路上游的可移动壁部构件中限定了一 个或多个孔径，那么所述一个或多个孔径仍旧会向空腔传送较高的涡轮机前压力。
[0025] 通过将径向延伸凸缘布置成与空腔中提供的环形套筒形成密封，可以制止将较高 的涡轮机前压力传送到凸缘的相对径向表面，否则将会消除"压力平衡"凸缘提供的压力 平衡功能。
[0026] 在一个实施例中，允许较高的涡轮机前压力到达"压力平衡"凸缘的相对径向表 面的其他泄漏路径是不存在的。在一个替换的优选实施例中，泄漏路径被限定成允许第一 区域内部处于较高的涡轮机前压力的气体流入第二区域，以便增大第二区域内部的气体压 力，以及由此减小闭合可移动壁部构件所必需的力，否则这个力有可能会在第一与第二区 域之间的压差过大的时候变得过大。
[0027] 泄漏路径可以用任何适当的方式限定。套筒可以限定一个或多个孔径，以便允许 第一区域中的高压气体流到第二区域。所述套筒可以在某一个位置限定一个或多个孔径， 以使这些孔径仅仅在可移动壁部构件被闭合至很小的入口通路宽度的是才会"活跃"，例如 在可移动壁部构件与壳体的面对壁部之间的入口通路的轴向宽度小于其在完全开放、即可 移动壁部构件完全缩进空腔时的宽度的大约20%的时候。只有在可移动壁部构件被延伸成 致使入口通路的轴向宽度约为其在完全开放时的宽度的10 %的时候，一个或多个孔径才可 以是"活跃的"。这样一来，第一和第二区域是相互密封的，而涡轮机则是在入口通路的开放 度超出了大约10-20%的情况下工作的。然后，在将入口通路闭合成小于大约10-20%的开 放度时，这两个区域是流体连通的。一旦这两个区域相连，那么趋于将可移动壁部构件推进 空腔即开放入口通路的压力平衡力将会减小。
[0028] 为了减小该装置致使可移动壁部构件向着处于很低的入口通路宽度的入口通路 的面对壁部猛然关闭的可能性，空腔的第二区域与处于径向叶片通路下游的环形入口通路 区域是流体连通的。优选地，受到控制的漏流路径是在空腔内部第二区域与叶片通路下游 的通路区域之间所限定的。该受到控制的漏流路径优选是在环形凸缘与空腔壁部之间所限 定的。一种用于限定受控漏流路径的便利手段是借助于可移动壁部构件的轴向延伸凸缘与 空腔壁部之间的密封配置。优选地，该密封配置是沿着径向向内被定位在"压力平衡"凸缘 与套筒之间的密封部位的。穿过沿着径向的内部密封配置的漏流路径可以是用任何便利的 方式限定的。例如，该密封配置的径向范围可被选定成在该密封配置以及被其密封的组件 (轴向延伸凸缘或空腔壁部）之间限定一个预定径向间隙。作为替换或补充，在该密封配 置其面朝被其密封的组件的外表面上可以限定具有预定尺寸的凹槽或切去区段。作为另一 个示例，轴向延伸凸缘的径向内部表面可以限定一个或多个轴向延伸凹槽，这些凹槽延伸 至每一个密封配置的两边，以便建立穿过内部密封配置且可以供气体流过的很小的通路， 从而将位于叶片下游的压力较低的气体传送到"压力平衡"凸缘后方的第二区域。一个或 多个凹槽相对于涡轮机的纵轴而言可以是倾斜的，或者可以沿着螺旋或盘旋路径，由此，每 一个密封配置会在可移动壁部构件的轴向位移过程中擦过一个或多个凹槽的尖端，这样做 有助于保持统一可靠的密封性。在使用多个凹槽时，在整个凹槽集合中，相邻凹槽之间的轴 向间距可以大致相等，或者该轴向间距也可以依照相邻凹槽配对的不同而改变。如果凹槽 配对的轴向间距不等，那么可以改善涡轮机的一个或多个性能特征，例如高周疲劳。所述一 个或多个凹槽既可以沿着套筒轴向范围的一部分延伸，也可以在套筒的整个轴向范围上延 伸。由此，在可移动壁部构件的所有轴向位置上部可以仔细控制施加在"压力平衡"凸缘后 方的压力。
[0029] 在一个优选实施例中，套筒限定了一个或多个孔径，这些孔径的总的截面面积与 所限定的穿过可移动壁部构件的轴向延伸凸缘与空腔壁部之间的密封配置的漏流路径的 总的截面面积相似，或者小于所述截面面积。对于提供了穿过"压力平衡"凸缘与套筒之间 密封配置的泄漏路径的套筒中的孔径，以及限定了穿过轴向延伸凸缘和空腔壁部之间密封 配置的泄漏路径的结构来说，其尺寸应被选定成确保气体可以足够快地在不同的互连区域 之间流动，由此实现所要的压力平衡效果，以及潜在地减小涡轮机效能，有助于热再生。这 些尺寸应被选定成确保其不会在一定时段中被阻塞，例如被废气颗粒和燃料副产品的一般 积聚物所阻塞。最后，这些尺寸还应该被选定成确保处于第二区域即"压力平衡"凸缘后方 的容积内部的压力是在产生某个稳定范围的幅度以内，以使整个使用过程中驱使可移动壁 部构件打开和闭合的力大体上保持一致。
[0030] 应该理解的是，密封配置与"压力平衡"凸缘的组合依照可移动壁部构件的轴向位 置确定了三个压力变化的互连区域：可移动壁部构件后方的压力较高的区域；位于叶片通 路下游的压力较低的区域；以及位于"压力平衡"凸缘后方的容积中的压力中等但却不断变 化的区域，其中所述区域对可移动壁部构件的轴向位置是很敏感的。
[0031] 可移动壁部构件可以是限定了用于接纳叶片的孔径的挡板，其中所述叶片附着于 一个径向表面与壳体的面对壁部相对应的喷嘴环。作为替换，可移动壁部构件可以是支持 将叶片收容在具有与壳体的面对壁部相对应的径向表面的挡板所限定的孔径中的喷嘴环。 应该了解的是，无论由哪一个组件来限定壳体的面对壁部，该壳体的面对壁部本身既可以 固定于壳体，也可以是可移动的。换言之，在本发明中关于可移动壁部构件挡板的实施例 中，叶片由喷嘴环支撑，该喷嘴环既可以固定于壳体，也可以是可移动的。在本发明的可移 动壁部构件是支撑叶片的喷嘴环的实施例中，如果"压力平衡"凸缘存在于可移动喷嘴环之 上，则不必提供穿过喷嘴环径向表面的压力平衡孔径。在将面对壁部固定于壳体时，较为优 选的是借助锁紧螺丝连接来进行固定。在这种情况下，互补的锁紧螺纹可以由连接至面对 壁部的轴向延伸凸缘的外部圆周表面以及壳体的径向向内的面对表面或是固定于壳体的 环来限定。
[0032] 对于固定于壳体的面对壁部的径向内部区段来说，其表面的轮廓可以是基于涡轮 机叶轮的形状而被选择的，由此可以优化涡轮机叶轮在一些或所有工作条件下的性能。优 选地，该面对壁部的径向内部区段表面具有与涡轮机叶轮的径向外部轮廓相对应的轮廓。 通过将面对壁部的径向内部区段轮廓与涡轮机叶轮的外部轮廓相匹配，能够将涡轮机叶轮 与面对壁部的径向内部区段之间的间隙减至最小。通过将这个间隙减至最小，可以减小气 体从位于涡轮机叶轮上游的入口通路泄漏至位于涡轮机叶轮下游的涡轮机出口通路所导 致的无助于涡轮机叶轮旋转的涡轮机效率损失。
[0033] 在关于本发明第一个方面的一个优选实施例中，可移动壁部构件是环形的，并且 该涡轮机还包括：至少一个导向构件，所述可移动壁部构件和所述至少一个导向构件两者 之一限定了一个环形通道，用于接纳由可移动壁部构件和所述至少一个导向构件两者另一 所限定的互补结构，由此将环形可移动壁部构件安装至所述至少一个导向构件，以便通过 执行可移动壁部构件的轴向移动来改变环形入口通路的尺寸。
[0034] 该环形可移动壁部构件可以引入一个轴向延伸的安装凸缘和一个沿径向延伸的 安装凸缘，并且这些凸缘共同限定了环形通道。
[0035] 环形通道的中点在径向上与环形通道的内径和外径的距离相等（在这里将其称 为"中间直径"），所述中点可以位于与叶片通路相关的任何所要直径上。此外，该环形通道 可以延伸至任何所要的径向范围，也就是说，如果它可以适应由每一个导杆所限定的结构， 那么它可以具有任何所要的径向"深度"。该环形通道的中间直径既可以在叶片通路外径的 径向向外的方向上提供，也可以在叶片通路内径的径向向内的方向上提供，其既可以位于 叶片通路的内径或外径，也可以与叶片通路的内径或外径相邻。
[0036] 环形通道既可以是在叶片通路外径的径向向外的方向上提供的，也可以是在叶片 通路内径的径向向内的方向上提供的。
[0037] 作为替换，环形通道可以沿着径向方向位于叶片通路的内部，也就是说，环形通道 内径沿着叶片通路内径的径向向外的方向，而环形通道的内径则沿着径向且处于叶片通路 外径的内侧。
[0038] 作为另一个替换方案，环形通道在径向上可以与叶片通路重叠。在这种情况下，环 形通道可以在叶片通路内径的内侧沿着径向延伸，和/或环形通道可以在叶片通路外径的 外侧沿着径向延伸。
[0039] 引入环形可移动壁部构件的沿轴向延伸的安装凸缘可以是沿着径向的外部轴向 延伸环形凸缘，其在轴向上要短于沿着轴向伸进空腔的环形凸缘，并且支撑的是限定了第 三和第四表面的径向延伸凸缘。沿径向延伸的安装凸缘可以从沿着径向的外部轴向延伸环 形凸缘的轴向外侧端（也就是与叶片通路间距最远的凸缘端）开始沿着径向向内延伸，以 便限定用于接纳至少一个导向构件上的结构的环形通道。该结构可以由所述至少一个导向 构件的轴向内侧端（也就是最接近叶片通路的所述至少一个导向构件的末端）限定，和/ 或可以是具有与环形通道形状互补的形状的沿着圆周延伸的结构。该环形通道既可以在可 移动壁部构件圆周的一个或多个部分延伸，也可以在可移动壁部构件的整个圆周上延伸。 沿径向延伸的安装凸缘的内径可以位于叶片通路外径的径向外侧。在将至少一个导向构件 啮合到环形通道内部时，所述至少一个导向构件中的任一部分的最内直径可以位于叶片通 路的径向外侧。由此，在可移动壁部构件即为限定了用于在挡板移动过程中接纳叶片的叶 片槽的实施例中，在将想到构件安装于环形可移动壁部构件时，通过叶片槽而滑动接纳叶 片的处理不会被所述至少一个导向构件妨碍。图13A-14D描述了根据本发明第一方面的实 施例的挡板/致动器杆的具体实施例。作为替换，如果希望使用位于叶片通路外径的径向 内侧的一个或多个导向构件，那么可以为每个导向构件的终端区段配备一个轴向延伸的切 去区段，以便适应于将叶片滑动接收在叶片槽中。在以下的图19和20中显示了此类装置 的具体实施例，应该指出的是，图20的实施例不包含轴向较短的径向外侧凸缘，而是引入 了 一个长度与径向内侧凸缘相似的径向外侧凸缘。
[0040] 引入到环形可移动壁部构件的沿轴向延伸的安装凸缘可以是沿着径向的外部轴 向延伸环形凸缘，其与沿着轴向伸进空腔的环形凸缘具有相似的轴向长度，并且支撑的是 限定了第三和第四表面的径向延伸凸缘。
[0041] 在该装置的第一种形式中，沿径向延伸的安装凸缘从位于可移动壁部构件的径向 延伸壁部与沿轴向延伸的安装凸缘的轴向外侧端之间的沿轴向延伸的安装凸缘上的位置 开始沿着径向向内延伸，以使用于接纳所述至少一个导向构件上的结构的环形通道位于通 过沿着径向的外部轴向延伸凸缘的区段相连的可移动壁部构件的径向延伸壁部与沿径向 延伸的安装凸缘之间。在环形可移动壁部构件是限定了叶片槽的挡板的情况下，如果为所 述至少一个导向构件提供一个限定了在径向上与叶片通道重叠的轴向延伸间隙的切去区 段，以便适应于通过由挡板所限定的叶片槽来滑动接纳叶片，那么将会是非常理想的。在图 20中显示了这种类型的装置的一个具体实施例。
[0042] 在该装置的第二种形式中，沿径向延伸的安装凸缘从沿轴向延伸的安装凸缘的轴 向外侧端伸出，并且提供了另一个沿径向延伸的安装凸缘，其中该凸缘从位于沿轴向延伸 的安装凸缘的轴向外侧端上的沿径向延伸的安装凸缘与可移动壁部构件的径向延伸壁部 中间的沿轴向延伸的安装凸缘上的位置开始延伸，由此，环形通道介于这两个沿径向延伸 的安装凸缘与连接这些凸缘的沿轴向延伸的安装凸缘的区段之间。在该形式中，当环形可 移动壁部构件是限定了用于滑动接收叶片的叶片槽的挡板时，如果提供另一个沿径向延伸 的安装凸缘，并使该凸缘与环形壁部构件的径向延伸壁部的轴向外侧具有足够的距离，以 便通过在环形壁部构件的径向延伸壁部与导向构件的轴向内侧端之间提供足够的间距来 适应于通过由挡板所限定的叶片槽来滑动接收叶片，那么将会是非常理想的。在图21中显 示了此类装置的具体实施例。
[0043] 在另一个实施例中，沿轴向延伸的安装凸缘在可移动壁部构件外径的径向内侧的 直径上从可移动壁部构件开始沿轴向延伸，并且沿径向延伸的安装凸缘在沿轴向延伸的安 装凸缘的轴向外侧端沿着径向向外延伸。同样，环形通道既可以在可移动壁部构件的整个 圆周长度上延伸，也可以只在其一个或多个区段上延伸。沿轴向延伸的安装凸缘可以位于 叶片通路外径的径向外侧；当环形可移动壁部构件是限定了用于滑动接收叶片的叶片槽的 挡板时，由于这种处理可以确保至少一个导向构件不会阻碍叶片移动和通过挡板中的叶片 槽，因此，这种处理是非常优选的。图15A-16C描述了根据本发明第四个方面的实施例的挡 板/致动器杆的具体实施例。
[0044] 在用于将至少一个导向构件连接到可移动壁部构件的另一个优选实施例中，引入 到可移动壁部构件中的沿轴向延伸的安装凸缘与沿着径向的轴向延伸环形凸缘相连，该环 形凸缘在轴向上长于同样被引入该环形可移动壁部构件的沿着径向的外部轴向延伸凸缘。 沿径向延伸的安装凸缘可以从沿着径向的内部轴向延伸环形凸缘的轴向外侧端开始沿着 径向向内延伸，以便限定用于接纳至少一个导向构件上的结构的环形通道。
[0045] 在一个优选装置中，沿轴向延伸的安装凸缘从压力平衡凸缘的径向外端伸出，并 且该压力平衡凸缘即为限定了径向的第三和第四表面的径向延伸凸缘。沿径向延伸的安装 凸缘可以沿着径向向内延伸；作为替换，倒转的布置也是可以使用的。换言之，沿轴向延伸 的安装凸缘可以从压力平衡凸缘的径向内端开始沿着轴向延伸，并且沿径向延伸的安装凸 缘可以沿着径向向外延伸，由此可以将环形通道配置成接纳沿着径向向内延伸的结构，其 中该结构与结合前一种装置使用的沿着径向向外延伸的结构相反。应该了解的是，对于使 用与沿着径向的内部轴向延伸环形凸缘而不是沿着径向的外部轴向延伸凸缘相关联的组 件来限定环形通道的实施例来说，如果环形可移动壁部构件是限定了用于接纳叶片的叶片 狭槽的挡板，那么在该实施例中存在着凸缘和/或一个或多个导向构件的布置可能会对在 由挡板所限定的叶片狭槽中接纳所述叶片的处理产生阻碍的风险。在这种情况下，较为优 选的是使限定了环形通道的沿轴向和径向延伸的安装凸缘相隔足够远的距离，以便消除这 种风险。换言之，当挡板最接近壳体的面对壁部时，也就是当环形入口通路处于其最小尺寸 时，如果将限定环形通道的沿轴向和径向延伸的安装凸缘定位在比叶片从挡板的轴线外侧 端沿轴向伸出的范围更大的轴向距离上，那么将会是非常理想的。
[0046] 在一个替换的优选实施例中，所述至少一个导向构件可以优选地采用径向延伸的 凹口的形式来限定环形通道。所述可移动壁部构件可以限定一个沿径向延伸的安装凸缘， 以使其被接纳在至少一个导向构件限定的环形通道中，由此将可移动壁部构件安装于所述 至少一个导向构件。该可移动壁部构件还可以包括一个沿轴向延伸的安装凸缘，并且该凸 缘是从可移动壁部构件的径向壁部延伸至沿径向延伸的安装凸缘。可移动壁部构件中的沿 径向延伸的安装凸缘优选具有一个大小能被所述至少导向构件限定的环形通道所接纳的 轴向厚度。非常便利的是，所述沿径向延伸的安装凸缘是环形的，其既可以在沿轴向延伸的 安装凸缘的整个圆周上延伸，也可以只在其一个或多个区段上延伸。在沿着涡轮机轴查看 时，所述至少一个导向构件的径向延伸凹口可以具有一个弧曲截面，其中所述涡轮机轴具 有与接纳在凹口中的环形的沿径向延伸的安装凸缘的一个或多个区域的曲度互补的曲度。 由此，至少在初始装配组件的过程中，或者在被装配于涡轮机的整个使用过程中，所述环形 可移动壁部构件可以自由地围绕与至少一个导向构件相对的涡轮机轴线来进行旋转。与大 多数的常规装置相比，这种连接手段的复杂度明显较低，并且允许以任何所要的角度来将 至少一个导向构件安装于可移动壁部构件，然后，只要让这些组件进行相对于彼此的旋转， 即可调整该角度。此外，该处理允许在壳体内部安装可移动壁部构件/导向构件的子总成， 同时仍旧允许通过旋转可移动壁部构件来适应其他涡轮机组件的后续总成。另外，这种安 装装置可以适应于一个或多个导向构件与可移动壁部构件之间的不同热膨胀。
[0047] 如上所述，在现有技术的涡轮机中，可作为喷嘴环或挡板的可移动壁部通常被支 撑在沿着与涡轮机叶轮的旋转轴平行的方向延伸的杆上，并且是由致动器移动的，该致动 器可以通过操作而在轴方向上位移所述杆。如果能为可变几何涡轮机的喷嘴环或挡板提供 用于安装支撑杆的替换或改进的手段，那么将会是非常理想的。
[0048] 根据本发明的第二方面，所提供的是一种可变几何涡轮机，包括：
[0049] 安装在壳体内部以围绕涡轮机轴旋转的涡轮机叶轮；以及
[0050] 在径向方向上朝着涡轮机叶轮向内延伸的环形入口通路；
[0051] 该环形入口通路是在安装于壳体内部所提供的环形可移动壁部构件的径向延伸 壁部的第一表面与该壳体的面对壁部之间所限定的；
[0052] 入口导向叶片的阵列横跨该环形入口通路，由此限定一个径向叶片通路；
[0053] 所述环形可移动壁部构件被安装在至少一个导向构件上，该导向构件可以在与涡 轮机轴大体上平行的方向上平移，以便在轴向上移动环形可移动壁部构件，由此改变环形 入口通路的尺寸；
[0054] 其中环形可移动壁部构件和至少一个导向构件两者之一限定了一个环形通道，以 便接纳由该环形可移动壁部构件和至少一个导向构件两者另一所限定的互补结构，由此将 环形可移动壁部构件安装在所述至少一个导向构件上。
[0055] 在本发明第二方面的第一优选实施例中，环形可移动壁部构件引入了一个沿轴向 延伸的安装凸缘，以及一个沿径向延伸的安装凸缘，并且这些凸缘共同限定了环形通道。
[0056] 环形通道的中点在径向上与环形通道的内径和外径的距离相等（在这里将其称 为"中间直径"），所述中点可以位于与叶片通路相关的任何所要直径上。此外，该环形通道 可以延伸至任何所要的径向范围，也就是说，如果它可以适应由每一个导杆所限定的结构， 那么它可以具有任何所要的径向"深度"。该环形通道的中间直径既可以在叶片通路外径的 径向向外的方向上提供，也可以在叶片通路内径的径向向内的方向上提供，其既可以位于 叶片通路的内径或外径，也可以与叶片通路的内径或外径相邻。
[0057] 环形通道既可以是在叶片通路外径的径向向外的方向上提供的，也可以是在叶片 通路内径的径向向内的方向上提供的。
[0058] 作为替换，环形通道可以沿着径向方向位于叶片通路的内部，也就是说，环形通道 内径沿着叶片通路内径的径向向外的方向，而环形通道的内径则沿着径向且处于叶片通路 外径的内侧。
[0059] 作为另一个替换方案，环形通道在径向上可以与叶片通路重叠。在这种情况下，环 形通道可以在叶片通路内径的内侧沿着径向延伸，和/或环形通道可以在叶片通路外径的 外侧沿着径向延伸。
[0060] 引入到环形可移动壁部构件中的沿轴向延伸的安装凸缘可以是沿着径向的外部 轴向延伸环形凸缘，该凸缘在轴向上短于同样被引入该环形可移动壁部构件的沿着径向的 内部轴向延伸凸缘。沿径向延伸的安装凸缘可以从沿着径向的外部轴向延伸环形凸缘的轴 向外侧端（也就是与叶片通路间距最远的凸缘端）开始沿着径向向内延伸，以便限定用于 接纳至少一个导向构件上的结构的环形通道。该结构可以由所述至少一个导向构件的轴向 内侧端（也就是最接近叶片通路的至少一个导向构件的末端）限定，和/或可以是具有与 环形通道形状互补的形状的沿圆周延伸的结构。该环形通道既可以在环形可移动壁部构件 圆周的一个或多个部分延伸，也可以在环形可移动壁部构件的整个圆周上延伸。沿径向延 伸的安装凸缘的内径可以位于叶片通路外径的径向外侧。在将至少一个导向构件啮合在环 形通道内部时，所述至少一个导向构件中的任一部分的最内直径可以位于叶片通路的径向 外侧。因此，在环形可移动壁部构件即为限定了用于在挡板移动的过程中接纳叶片的叶片 槽的实施例中，在将至少一个导向构件安装于环形可移动壁部构件时，通过叶片槽滑动接 纳叶片的处理不会被所述至少一个导向构件妨碍。图13A-14D描述了根据本发明第二方面 的实施例的挡板/致动器杆的具体实施例。作为替换，如果希望使用位于叶片通路外径的 径向内侧的一个或多个导向构件，那么可以为每一个导向构件的终端区段配备一个轴向延 伸的切去区段，以便适于将叶片滑动接收在叶片槽中。在以下的图19和20中显示了此类 装置的具体实施例，应该指出的是，图20的实施例不包含轴向较短的径向外侧凸缘，而是 引入了一个长度与径向内侧凸缘相似的径向外侧凸缘。
[0061] 引入到环形可移动壁部构件中的沿轴向延伸的安装凸缘可以是沿着径向的外部 轴向延伸环形凸缘，该凸缘与同样被引入到环形可移动壁部构件中的沿着径向的内部轴向 延伸凸缘具有相似的轴长。
[0062] 在该装置的第一种形式中，沿径向延伸的环形凸缘从位于环形可移动壁部构件的 径向延伸壁部与沿着径向的轴向延伸环形凸缘的轴向外侧端之间的径向外侧凸缘上的位 置开始沿着径向向内延伸，以便将用于接纳所述至少一个导向构件的结构的环形通道定位 在通过沿着径向的外部轴向延伸凸缘的区段相连的环形可移动壁部构件的径向延伸壁部 与沿径向延伸的安装凸缘之间。在环形可移动壁部构件是限定了叶片槽的挡板的情况下， 如果为所述至少一个导向构件提供一个限定了在径向上与叶片通道重叠的轴向延伸间隙 的切去区段，以便适应于通过由挡板所限定的叶片槽来滑动接纳叶片，那么将会是非常理 想的。在图20中显示了这种类型的装置的一个具体实施例。
[0063] 在该装置的第二种形式中，沿径向延伸的安装凸缘从径向外侧边缘的轴向外侧端 伸出，并且提供了另一个从径向外侧凸缘上的位置开始延伸的沿径向延伸的安装凸缘，其 中该凸缘处于沿着径向的外部轴向延伸凸缘的轴向外侧端与环形可移动壁部构件的径向 延伸壁部的中间，以使环形通道位于两个沿径向延伸的安装凸缘与将其连接且沿着径向的 轴向延伸凸缘的区段之间。在这种形式中，当环形可移动壁部构件是限定了用于滑动接收 叶片的叶片槽的挡板时，如果提供另一个沿径向延伸的安装凸缘，并使该凸缘与环形壁部 构件的径向延伸壁部的轴向外侧具有足够的距离，以便通过在环形壁部构件的径向延伸壁 部与导向构件的轴向内侧端之间提供足够的间距来适应于通过由挡板所限定的叶片槽来 滑动接收叶片，那么将会是非常理想的。在图21中显示了此类装置的具体实施例。
[0064] 在另一个实施例中，沿轴向延伸的安装凸缘在位于环形可移动壁部构件外径的径 向内侧的直径上沿着轴向从环形可移动壁部构件伸出，并且沿径向延伸的安装凸缘在沿轴 向延伸的安装凸缘的轴向外侧端沿着径向向外延伸，由此共同限定了环形通道。同样，该环 形通道既可以在可移动壁部构件的整个圆周长度延伸，也可以只在其一个或多个区段上延 伸。沿轴向延伸的安装凸缘可以位于叶片通路外径的径向外侧；当环形可移动壁部构件是 限定了用于滑动接纳叶片的挡板时，这种布置是非常优选的，因为这样做确保了至少一个 导向构件不会阻碍叶片通过挡板中的叶片槽的移动。图15A-16C描述了根据本发明第二方 面的实施例的挡板/致动器杆的具体实施例。
[0065] 在用于将至少一个导向构件连接到环形可移动壁部构件的另一个优选实施例中， 引入到环形可移动壁部构件中的沿轴向延伸的安装凸缘与沿着径向的内部轴向延伸的环 形凸缘相连，其中该凸缘在轴向上长于同样被引入该环形可移动壁部构件的沿着径向的外 部轴向延伸凸缘。沿径向延伸的安装凸缘可以从沿着径向的内部轴向延伸环形凸缘的轴向 外侧端开始沿着径向向内延伸，以便限定用于接纳所述至少一个导向构件的结构的环形通 道。应该了解的是，对于环形通道是由与沿着径向的内部轴向延伸凸缘而不是沿着径向的 外部轴向延伸凸缘相关联的组件限定的实施例来说，如果环形可移动壁部构件是限定了叶 片狭槽的挡板，那么在该实施例中存在着用于安装凸缘和/或一个或多个导向构件的装置 有可能阻塞在由挡板所限定的叶片狭槽中接纳叶片的处理的风险。在这种情况下，较为优 选地是使限定了环形通道的沿轴向和径向延伸的安装凸缘在轴向上间隔足够的距离，以便 消除此类风险。换言之，当挡板最接近壳体的面对壁部时，也就是当环形入口通路处于其最 小尺寸时，如果将限定环形通道的沿轴向和径向延伸的安装凸缘定位在比叶片从挡板的轴 线外侧端沿轴向伸出的范围更大的轴向距离上，那么将会是非常理想的。
[0066] 在本发明第二方面的第二优选实施例中，所述至少一个导向构件优选采用了径向 延伸凹口的形式来限定环形通道。该环形可移动壁部构件可以限定一个沿径向延伸的安装 凸缘，以使其被接纳在至少一个导向构件限定的环形通道中，由此将环形可移动壁部构件 安装于所述至少一个导向构件。该环形可移动壁部构件还可以包括一个沿轴向延伸的安装 凸缘，并且该凸缘是从可移动壁部构件的径向壁部延伸到沿径向延伸的安装凸缘的。环形 可移动壁部构件中的沿径向延伸的安装凸缘优选具有一个大小能被所述至少一个导向构 件所限定的环形通道接纳的轴向厚度。非常便利的是，所述沿径向延伸的安装凸缘是环形 的，其既可以在沿轴向延伸的安装凸缘的整个圆周上延伸，也可以只在其一个或多个区段 上延伸。在沿着涡轮机轴查看时，所述至少一个导向构件的径向延伸凹口可以具有一个弧 曲截面，其中所述涡轮机轴具有与接纳在凹口中的环形的沿径向延伸的安装凸缘的一个或 多个区域的曲度互补的曲度。由此，至少在初始装配组件的过程中，或者在被装配于涡轮机 的整个使用过程中，所述环形可移动壁部构件可以自由地围绕与至少一个导向构件相对的 涡轮机轴线来进行旋转。与大多数的常规装置相比，这种连接手段的复杂度明显较低，并且 允许以任何所要的角度来将至少一个导向构件安装于可移动壁部构件，然后，只要让这些 组件进行相对于彼此的旋转，即可调整该角度。此外，该处理允许在壳体内部安装可移动壁 部构件/导向构件的子总成，同时仍旧允许通过旋转可移动壁部构件来适应其他涡轮机组 件的后续总成。另外，这种安装装置可以适应于一个或多个导向构件与可移动壁部构件之 间的不同热膨胀。
[0067] 可移动壁部构件可以是限定了用于接纳叶片的孔径的挡板，其中该叶片附着于一 个具有与壳体的面对壁部相对应的径向表面的喷嘴环。作为替换，可移动壁部构件可以是 支持将叶片收容在具有与壳体的面对壁部相对应的径向表面的挡板所限定的孔径中的喷 嘴环。应该了解的是，无论由哪一个组件来限定壳体的面对壁部，该壳体的面对壁部本身既 可以固定于壳体，也可以是可移动的。换言之，在本发明的关于可移动壁部构件挡板的实施 例中，叶片由喷嘴环支撑，该喷嘴环既可以固定于壳体，也可以是可移动的。面对壁部可以 借助锁紧螺丝连接而被固定于壳体。此外，互补的锁紧螺纹可以由连接至面对壁部的轴向 延伸凸缘的外部圆周表面以及壳体的径向向内的面对表面或是固定于壳体的环来限定。 [0068] 对固定于壳体的面对壁部的径向内部区段来说，其表面的轮廓可以是基于涡轮机 叶轮的形状而被选择的，由此可以优化涡轮机叶轮在一些或所有工作条件下的性能。优选 地，该面对壁部的径向内部区段表面具有与涡轮机叶轮的径向外部轮廓相对应的轮廓。通 过将面对壁部的径向内部区段轮廓与涡轮机叶轮的外部轮廓相匹配，能够将涡轮机叶轮与 面对壁部的径向内部区段之间的间隙减至最小。通过将这个间隙减至最小，可以减小气体 从位于涡轮机叶轮上游的入口通路泄漏至位于涡轮机叶轮下游的涡轮机出口通路所导致 的无助于涡轮机叶轮旋转的涡轮机效率损失。
[0069] 如上所述，如果提供用于组件连接到涡轮机壳体的替换或改进的手段，那么将会 是非常理想的。
[0070] 根据本发明的第三方面，所提供的是一种涡轮机，包括：
[0071] 安装在壳体内部的围绕涡轮机轴旋转的涡轮机叶轮；以及
[0072] 在径向方向上朝着涡轮机叶轮向内延伸的环形入口通路；
[0073] 环形入口通路是在壳体的第一和第二相对壁部之间所限定的；
[0074] 其中壳体的所述第一壁部由环形构件的径向壁部限定，所述环形构件进一步限定 了一个轴向延伸凸缘，该凸缘限定了一个螺纹，其与壳体壁部限定的互补螺纹或是连接至 壳体的中间件共同将环形构件固定于壳体。
[0075] 在一个优选实施例中，环形构件是借助锁紧螺丝连接固定于壳体的。互补螺纹可 以由环形构件的轴向延伸凸缘的外部圆周表面以及壳体的径向向内的表面或是连接至壳 体的中间件限定。在图3A和3B中显示了该装置的一个例示实施例。
[0076] 根据本发明的第四方面，所提供的是一种涡轮机，包括：
[0077] 安装在壳体内部的围绕涡轮机轴旋转的涡轮机叶轮；以及 [0078] 在径向方向上朝着涡轮机叶轮向内延伸的环形入口通路；
[0079] 该环形入口通路是在壳体的第一和第二相对壁部之间所限定的；
[0080] 其中壳体的所述第一壁部由环形构件的径向壁部限定，该环形构件被固定于壳体 的壁部或者与壳体相连的中间件，以便将环形构件固定于壳体。
[0081] 固定于壳体的环形构件的径向壁部可以限定一个或多个结构或"半剪切部"，其被 调整成与壳体区段或是环形构件所附着的中间件的区段限定的恰当结构进行协作。
[0082] 作为另一个示例，将环形构件固定到壳体的处理可以由一个或多个锁紧构件来实 现，例如扣环，其中该锁紧构件在轴向上覆盖环形构件的一个或多个区域，然后被固定于壳 体或是环形构件后方即轴向外侧的中间件。在图4中显示了该装置的一个例示实施例。 [0083] 在另一个实施例中，环形构件可被支撑在壳体限定的适当环形空腔中，并且通过 利用流经入口通路的气体的压力来保持环形构件处于空腔中的恰当位置，由此在涡轮机工 作过程中帮助将其固定于壳体。
[0084] 在另一个实施例中，作为盘簧之类的偏置构件产生的施加在环形构件上的力的结 果，可以保持环形构件靠在涡轮机壳体上，其中作为示例，所述偏置构件可以被控制在接纳 可移动壁部构件的空腔与接触环形构件的组件或是连接至环形构件的组件之间。在图5A 和5B中显示了依照该实施例的具体设计。
[0085] 以上限定的用于将环形构件保持于涡轮机壳体的一个或多个装置既可以单独使 用，也可以与其他的一个或多个装置结合使用，这其中包括在上文中结合本发明的第三个 方面描述的螺丝连接。
[0086] 对固定于壳体的环形构件的径向内部区段来说，其表面的轮廓可以是基于涡轮机 叶轮的形状而被选择的，由此可以优化涡轮机叶轮在一些或所有工作条件下的性能。优选 地，该环形构件的径向内部区段表面具有与涡轮机叶轮的径向外部轮廓相对应的轮廓。通 过将环形构件的径向内部区段轮廓与涡轮机叶轮的外部轮廓相匹配，可以将涡轮机叶轮与 环形构件的径向内部区段之间的间隙减至最小。通过将这个间隙减至最小，可以减小气体 从位于涡轮机叶轮上游的入口通路泄漏至位于涡轮机叶轮下游的涡轮机出口通路所导致 的无助于涡轮机叶轮旋转的涡轮机效率损失。
[0087] 在一个优选实施例中，第二壁部是安装在壳体内部所提供的空腔中的可移动壁部 构件的径向延伸壁部。所述可移动壁部构件可以在轴向上移动，以便改变环形入口通路的 尺寸，和/或所述可移动壁部构件被可旋转地安装在壳体内部所提供的空腔中，以便能够 围绕涡轮机轴进行旋转，由此允许相对于第一壁部来旋转对齐以可旋转的方式安装的壁部 构件。
[0088] 在这里可以提供一个跨越环形入口通路入口的导向叶片阵列，以便限定一个径向 叶片通路。第二壁部可以是限定了用于接纳叶片的孔径的挡板的一部分，其中所述叶片附 着在与固定于壳体的环形构件相对应的喷嘴环上。作为替换，第二壁部可以是支持将叶片 收容在与固定于壳体的环形构件相对应的挡板所限定的孔径中的喷嘴环的一部分。无论第 二壁部由哪一个组件限定，例如限定叶片槽的挡板或是支撑叶片阵列的喷嘴环，较为优选 的都是将第二壁部可旋转地安装在壳体的空腔内部，以便可以调整其相对于第一壁部的角 度位置，由此确保所述叶片能够正确地被与之对应的狭槽接纳，并且由此避免在涡轮机的 操作过程中出现不理想的磨损或堵塞。
[0089] 优选地，根据本发明第三和/或第四方面的涡轮机是可变几何涡轮机。
[0090] 根据本发明的第五方面，所提供的是一种包含了根据本发明第一、第二、第三和第 四方面的可变几何涡轮机的涡轮增压器。

【专利附图】

【附图说明】
[0091] 现在将参考附图来举例描述本发明的具体实施例，其中：
[0092] 图1显示的是涡轮增压器的剖视图；
[0093] 图2显示的是根据本发明第一和第二方面的涡轮机的一部分的示意性剖视图；
[0094] 图3A和3B显示的是根据本发明第三方面的被配置成用锁紧螺丝连接固定于涡轮 机壳体的喷嘴环（在图3A中显示的是单独的喷嘴环，并且在图3B中显示的是安装在涡轮 机壳体中的喷嘴环）；
[0095] 图4显示的是关于图2所示的涡轮机的例示实施例的透视和剖视示意图，其中气 流通道是由套筒限定的；
[0096] 图5显示的是替换图4所示的实施例的例示实施例的透视和剖视示意图，其中气 流通路被套筒的更大直径区段所取代；
[0097] 图6A和6B显示的是限定了在根据本发明第一和第二方面的涡轮机中使用的气体 泄漏通路的挡板（在图6A中显示的是安装在涡轮机中的挡板，在图6B中显示的是单独的 挡板）；
[0098] 图7显示的是在根据本发明第一方面的涡轮机中使用的密封环的第一实施例；
[0099] 图8显示的是在根据本发明第一方面的涡轮机中使用的密封环的第二实施例； [0100] 图9显示的是在根据本发明第一和第二方面的涡轮机中使用的挡板，所述挡板具 有用于限定气体泄漏通道的放大直径区段；
[0101] 图10显示的是在根据本发明第一和第二方面的涡轮机中使用的挡板，所述挡板 具有限定了气体泄漏通路的锥形区段；
[0102] 图11显示的是根据本发明第一和第二方面的涡轮机的一部分的剖面示意图，其 中引入了根据优选实施例的挡板和挡板致动器杆总成；
[0103] 图12A和12B显示的是图11中描述的挡板的示意性透视图；
[0104] 图13A-13D显示的是在根据本发明第一和第二方面的优选实施例的涡轮机中使 用的挡板的不意图；
[0105] 图14A-14D显示的是与图13A-13D中显示的挡板一起使用的致动器杆的示意图；
[0106] 图15A-1?显示的是在根据本发明第一和第二方面的另一个优选实施例的涡轮 机中使用的挡板的另一个实施例的示意图；
[0107] 图16A-16C显示的是与图15A-15D的挡板一起使用的致动器杆的示意图；
[0108] 图17A和17B分别显示的是安装在根据本发明第一和第二方面的涡轮机内部的挡 板和致动器杆总成的另一个设计的剖视和透视示意图；
[0109] 图18显示的是安装在根据本发明第一和第二方面的涡轮机内部的挡板和致动器 杆总成的替换设计的示意性透视图；
[0110] 图19显示的是安装在根据本发明第一和第二方面的涡轮机内部的挡板和致动器 杆总成的另一个设计的示意性透视图；
[0111] 图20显示的是图19的挡板/致动器杆总成的修改形式；
[0112] 图21显示的是图19的挡板/致动器杆总成的替换修改形式；
[0113] 图22显示的是用于在根据本发明第一和第二方面的涡轮机中将喷嘴环固定于涡 轮机壳体的扣环的剖视透视示意图；
[0114] 图23A和23B显示的是用于在根据本发明第一和第二方面的涡轮机中将喷嘴环固 定于的涡轮机壳体的盘簧装置的剖视和透视示意图；
[0115] 图24是安装在根据本发明第一和第二方面的涡轮机内部的挡板和致动器总成的 另一个设计的示意性剖视图；以及
[0116] 图25是根据本发明第五方面且引入了图24所示的挡板和致动器杆总成的涡轮增 压器的部分剖视和透视示意图。

【具体实施方式】
[0117] 参考图1，该图示出的是已知的可变几何涡轮增压器，包括可变几何涡轮机壳体1 以及与之通过中心轴承壳体3互连的压缩机壳体2。涡轮增压器轴4从涡轮机壳体1通过 轴承壳体3延伸至压缩机壳体2。涡轮机叶轮5被安装在轴4的一端，以便在涡轮机壳体1 内部旋转，压缩机叶轮6则被安装在轴4的另一端，以便在压缩机壳体2内部旋转。所述轴 4在位于轴承壳体3的轴承总成上围绕涡轮增压器轴线4a旋转。
[0118] 涡轮机壳体1限定了一个进气蜗壳7,并且气体会从内燃机（未显示）传递到该进 气蜗壳。废气从进气蜗壳7经由环形入口通路9和涡轮机叶轮5流到轴向出口通路8。所 述入口通路9的一端由包含环形挡板12的可移动环形壁部构件11的径向壁部表面限定， 另一端则由形成了面对环形挡板12的入口通路9的壁部的第二壁部构件限定，该构件也被 称为喷嘴环10。挡板12在环形壁部构件11中限定了一个环形凹口 13。
[0119] 喷嘴环10支撑以相等间隔排列在圆周上的入口叶片14的阵列，其中每一个入口 叶片都横跨入口通路9。这些叶片14被定向成将流经入口通路9的气体偏转至涡轮机叶 轮5的旋转方向。当环形挡板12接近喷嘴环10时，这些叶片14会通过挡板12中的适当 配置的狭槽伸进凹口 13。
[0120] 环形壁部构件11的位置由US 5, 868, 552所公开的类型的致动器总成控制。致动 器（未显示）可通过操作而经由联结至轭15的致动器输出轴（未显示）来调整环形壁部 构件11的位置。所述轭15继而啮合支撑环形壁部构件11的轴向延伸致动杆16。相应地， 通过恰当控制该致动器（作为示例，它可以是气动、水动或电动的），可以控制杆16的轴向 位置，并且由此可以控制环形壁部构件11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。对于流入入口通路9的气体定量流动来说，气体速度取决于 入口通路9的宽度，该宽度则可以通过控制环形壁部构件11的轴向位置来调节。对于进入 入口通路9的气体定量流动来说，在直至叶片14阻塞通道9的位置之前，入口通道9的宽 度越窄，气体流经入口通路9的速度越高。图1显示的是完全开放的环形入口通路9。通过 朝着喷嘴环10移动环形壁部构件11的环形挡板12,可以将入口通路9闭合至最小。在环 形壁部构件11的环形挡板12与喷嘴环10之前的间隔最小（以使入口通路的宽度达到最 小）时，环形壁部构件11可被称为处于闭合位置。
[0121] 环形壁部构件11具有沿着轴向延伸的径向内部和外部环形凸缘17和18,并且这 些凸缘伸进在涡轮机壳体1中提供的环形空腔19。通过提供内部和外部密封环20和21， 可以分别相对于环形空腔19的内部和外部环形表面来密封环形壁部构件11，同时还允许 环形壁部构件11滑到环形空腔19的内部。该内部密封环20被支撑在一个环形槽的内部， 并且靠在环形壁部构件11的环形凸缘17上，其中所述环形槽是在空腔19的径向内部环形 表面中形成的。外部密封环20被支撑在一个环形槽的内部，并且靠在环形壁部构件11的 外部环形凸缘18上，其中所述环形槽是在空腔19中沿着径向的外部环形表面上形成的。
[0122] 从进气蜗壳7流到出口通路8的气体经过涡轮机叶轮5,由此会向轴4施加一个 转矩来驱动压缩机叶轮6。在压缩机壳体2的内部，压缩机叶轮6的旋转会对进气口 22中 的环境空气加压，并且会将加压空气传送到排气蜗壳23,以及从排气蜗壳23馈送至内燃机 (未显示）。
[0123] 图2显示的是与图1中显示的涡轮机相类似的涡轮机的一部分的示意性剖视图， 但其引入了根据本发明的压力平衡装置。在这个具体实施例中，压力平衡装置与环形挡板 关联。在图2中显示且与图1显示的涡轮机组件对应的涡轮机组件将会采用相同的参考数 字，但是将会增大100。
[0124] 与图1 一样，在图2、3A和3B所示的布置中，喷嘴环110经由收容在空腔IOlb中 的中间环IOla固定于涡轮机壳体101，其中空腔IOlb由壳体101限定。应该了解的是，在 替换实施例中，中间环IOla是可以被省略，并且所需要的螺纹是由壳体101中沿着径向向 内的表面限定的。喷嘴环110撑起在圆周上间隔排列的入口叶片114,其中每一个叶片都横 跨入口通路109。在本实施例中，喷嘴环110是用锁紧螺丝连接固定于涡轮机壳体101，并 且该锁紧螺丝连接是由喷嘴环110中沿着轴向延伸的凸缘IlOc的外部圆周表面IlOb限定 的，然而如下文中更详细描述的那样，任何便利的手段都是可以使用的。
[0125] 再次参考图2,叶片114被定向成将沿着箭头X的方向通过入口通路109的气流偏 转到涡轮机叶轮（在图2中未显示）的旋转方向。当环形挡板112接近喷嘴环110时，叶 片114会通过适当配置的狭槽（未显示）伸进挡板112。
[0126] 在图2所示的实施例中，挡板112包括与图1显示的常规挡板12相类似的沿着径 向的内部和外部轴向延伸环形凸缘117、118,然而，在图2显示的实施例中，外部环形凸缘 118要短于形成图1所示的常规装置一部分的外部环形凸缘18。此外，环形缘边124从外 部环形凸缘118的外侧端沿着径向向内延伸，由此限定了一个沿着挡板112的整个圆周延 伸的连续环形通道，以便收纳由一对致动器杆（未显示）的内侧端限定的沿圆周延伸的结 构。这样一来，在初始装配过程和使用过程中，致动器杆会在径向和圆周方向上保持自由浮 动。由此提供了一种用于将致动器杆连接到挡板112的方式，相比于大多数的常规装置，这 种方式的复杂度明显相对较低。此外，这样做还允许在任何所要角度位置上装配致动器杆 和挡板112,然后，只要以彼此相对的方式旋转挡板112和/或致动器杆，即可对角度进行调 整。另外，这样做还允许在轴承壳体103内部安装挡板112/致动器杆子总成，同时仍旧允 许通过旋转挡板112来适应喷嘴环110的后续总成以及需要与由挡板112限定的狭槽精确 对齐的叶片114。在装配过程中，如果允许挡板112相对于喷嘴环110旋转，那么将会极大 地方便用于精确装配和对齐这两个组件的处理。此外，通过以这种方式将致动器杆连接到 挡板112,以便允许在涡轮增压器的整个使用过程中进行相对的径向和圆周位移，可以提供 一种将这两个组件连接在一起的简单和创新的方式，由此可以适应致动器杆与挡板112之 间的不均匀热膨胀。应该了解的是，向内延伸的环形缘边124应该伸至足够远，以便限定一 条足以将一个或多个致动器杆的端部牢固地固定于其上的环形通道，然而该环形通道在径 向方向上不能延伸至阻塞挡板112限定的叶片槽，或者导致一个或多个致动器杆阻塞叶片 槽。因此，该环形通道应该是在叶片槽外径的外部、也就是在其径向外侧限定的，并且由此 是在叶片114的阵列限定的叶片通道外部限定的。
[0127] 以下将会更详细地描述关于不同挡板/致动器杆总成的具体实施例。应该理解的 是，关于挡板/致动器杆总成的任一实施例都可以与所描述的不同压力平衡装置和/或用 于在壳体中安装喷嘴环的装置的任一实施例结合使用。此外还应该了解，对于在这里被描 述成与挡板相连的致动器杆总成来说，其每一个实施例都可以在喷嘴环相对于壳体可移动 的装置中用于控制喷嘴环的移动，其中所述装置包括但不局限于挡板与壳体相对固定的装 置。
[0128] 再次参考图2,在内部环形凸缘117的外侧端有一个径向延伸凸缘125,该凸缘限 定了一个用于接纳环形分割密封环127的环形槽126。密封环127的尺寸被调整成与从轴 承壳体103沿着轴向伸进环形槽113的圆柱形套筒128相接触，以便对密封环127与圆柱 形套筒128之间的流体流动提供约束。套筒128限定了一对很小的圆形孔径129,这些孔径 在与朝着涡轮机轴（未显示）半径倾斜的方向上贯穿套筒128的径向厚度。任何数量的孔 径129都是可以使用的，并且每个孔径都可以具有任何所要的大小和形状。此外，孔径129 可以在任何所要的方向上贯穿套筒128的径向厚度，例如图2所示的线性，或者是非线性或 径向。另外，每个孔径的截面在其长度方向上既可以是恒定的，也可以是变化的，例如在从 套筒的径向外部表面到套筒的径向内表面的方向上逐渐从大变小，反之亦然。如下文中更 详细说明的那样，孔径129被限定成定义了一个泄漏路径，其中该泄漏路径会在某些工作 条件下，也就是在挡板112的某些轴向位置上经过密封环127。在图4和5中显示了该装置 的两个不同的具体实施例，为了清楚起见，这些附图为相似的部件使用了与图2相同的参 考数字。在图4中，套筒128限定的是贯穿套筒128的径向厚度的一系列孔径129,以便在 挡板112朝着闭合位置移动、也就是在图4中从左向右移动的时候，流体性地连接区域A4 和A5。在图5中，套筒128的孔径129被内径增大的套筒128的区段160取代。由此，在挡 板112朝着闭合位置（在图5中同样是从左向右）移动时，密封环127会从与套筒128的 密封区段161形成密封，移动至在密封环127与套筒128的区段160之间限定一个径向间 隙，并且由此流体性地连接区域A4和A5。
[0129] 再次参考图2,在轴承壳体103的内部环形凸缘117与轴向延伸壁部131之间提 供了另一个分割密封环130,该密封环部分限定了环形凹口 113,并且挡板112被安装在该 凹口的内部。在图2所示的实施例中，壁部131限定了一个用于接纳密封环130的环形槽 132,由此，挡板112的内部环形凸缘117会在挡板112进行轴向位移的过程中超过密封环 130的径向外部边缘。在一个替换装置中，内部环形凸缘117可以限定一个用于接纳密封 环130的环形槽，由此，密封环130的径向内边缘会在挡板112进行轴向位移的过程中超过 轴承壳体103的壁部131。该密封配置被配置成限定了一个能以任何便利方式实现的穿过 密封环130的漏流路径，并且在下文中将对其原因进行更详细说明。作为示例，通过选择密 封环130的径向范围，可以在密封环130与内部环形凸缘117之间限定一个预定的径向间 隙。作为替换或补充，密封环130可以限定具有预定尺寸的凹槽或切去区段。另举一例，内 部环形凸缘117的表面可以限定一个或多个延伸至密封环130的两侧的轴向延伸凹槽。这 些凹槽相对于涡轮机的纵轴可以是偏斜的，或者可以沿着螺线或螺旋路径，由此在挡板112 执行轴向位移的过程中保持统一可靠的密封性。在图6A-10中显示了具体的例示实施例。 在图6A和6B中，内部环形凸缘117的径向内部表面限定了多个沿着轴向延伸的凹槽162。 然而应该了解，替换的实施例也可以酌情引入单个的沿着轴向延伸的凹槽。图7和8示出 的是密封环130的替换实施例，这些实施例对图2显示的常规的分割密封环的形式进行了 修改，由此分别引入了沿着圆周延伸且具有所要形式的间断点（discontinuities) 163和 164,这些间断点连同内部环形凸缘117 -起限定了具有特定配置的径向间隙，以便通过建 立具有特定特性的流体流动路径来控制流体从区域A5流动到A3的方式。在图9中显示了 另一个替换实施例，在该实施例中，挡板112的内部环形凸缘117限定了一个区域165,其中 该区域的直径大于内部环形凸缘117的轴向内侧和外侧端，并且由此限定了一个经过密封 环130的流体漏流路径。图10显示的是另一个选项，其中内部环形凸缘117的内径从其邻 近轴承壳体的一端开始朝着其邻近于与入口通路109最为接近的涡轮机壳体的一端线性 增大。应该了解的是，这些实施例描述的仅是可用以建立经过密封环130的流体漏流路径 的一些方式。
[0130] 在图2中可以看出，挡板112和轴承壳体103被布置成限定了一个可供流向涡轮 机的气体流入挡板112后方的环形凹口 113的路径。由此，这些气体可以围绕相对较短的 外部环形凸缘118流动，以便将相对较高的涡轮机前压力传送到挡板112的后方。在替换 装置中，如图11、12A和12B所示，挡板112可以引入一个相对较长的外部环形凸缘118,相 对于轴承壳体103,该环形凸缘可以用密封环166以及叶片通道外径上游的挡板112所限定 的多个孔径167密封，由此促使处于涡轮机前压力的气流流入环形凹口 113。
[0131] 参考图13A-13D，其显示的是与上文中结合图2描述的挡板112相类似的挡板的优 选实施例。在图13A-13D的挡板中，与图2的挡板112部件相似的组件将会采用相同的参 考数字，但是在该数字上会加上100。
[0132] 图13A显示的挡板212限定了一个叶片槽239的环形阵列，其被配置成滑动接纳 以上参考图2描述的叶片114。在图13B中显示了关于图13A中的环状区段"A"的更详细 视图。
[0133] 图13C是挡板212的示意性剖视图，图13D显示的是图13C中的环状区段"B"的 更详细视图。如图13C所示，挡板212引入了一个沿着轴向延伸的径向内侧凸缘217以及 在轴向上相对较短的径向外侧凸缘218。在径向内侧凸缘217的外侧端限定了一个沿着径 向延伸的凸缘225,并且该凸缘形成了由本发明的第一方面提供的压力平衡装置的一部分。 沿着径向向内延伸的缘边224依附在较短的径向外侧凸缘218的外侧端。径向外侧凸缘 218和向内延伸的缘边224则连同挡板212的径向壁部235 -起限定了一个沿着环形挡板 212的整个圆周长度方向延伸的环形通道240。在图13D中详细地显示了这个布置。此外， 在图13D中显示的是引入了一对沿着径向向外延伸的凸缘237、238的压力平衡凸缘225的 更多细节，其中这些凸缘共同限定了一个用于容纳环形密封环（未显示）的环形槽226。环 形通道240的配置被设计成容纳由图14A-14D所示的致动器杆限定的沿圆周延伸的结构。
[0134] 如图14A所示，致动器242的内侧端241在致动器244的主体与终端结构或"足 部"245之间限定了一个间隙243,其中该足部的外径大于致动器杆242的主体244的外径。 间隙243的尺寸被调整成适合收容挡板212的向内延伸缘边224,由此可以将致动器杆242 的足部245收容在环形通道240的内部。在图14C和14D中可以看出，足部245包含了一 个大致扁平的径向内部边缘246以及相对的径向外部边缘247,其中该外部边缘限定了一 个与环形通道240的半径相对应的半径弧。由此，在将足部245收容于环形通道240时，可 以在沿着环形通道240的圆周长度的圆周方向上滑动致动器杆242。当然也应该了解，这种 相对运动可以通过将杆242保持在适当位置以及通过相对于固定杆242旋转环形挡板212 来实现。由此，在这两个配件的初始装配过程中可以精密地控制每个杆242相对于挡板212 的精确角度位置。如上所述，在将挡板212与带有叶片的相对喷嘴环装配在一起并且所述 叶片必须与挡板212中对应的叶片槽239精确对齐时，这种处理是特别重要的。
[0135] 应该了解的是，环形通道240不必沿着环形挡板212的整个圆周延伸。外侧凸缘 218和向内延伸的缘边224有可能只在挡板212中不到100%的圆周上延伸，由此限定了一 个或多个更短的的弧曲环形通道，这些环形通道扩展至其在每个致动器杆242所要安装的 角度位置。每个弧曲区段的长度既可以是相同的，也可以与别的区段相差一个角度位置。此 夕卜，每个弧曲区段的弧曲长度可以延伸至任何角度范围，然而优选是延伸至一个至少与两 个相邻叶片狭槽239之间的角度相同的范围。
[0136] 再次参考图13D，可以看出，在挡板212中，向内延伸的缘边224的内径在径向上处 于叶片槽239外径的外侧。由此可以确定，在将致动器杆242的足部245啮合在环形通道 240的内部时，致动器杆242中任一部分的最靠里的直径都处于径向外侧，也就是在比叶片 槽239的外径更大的直径上，由此，叶片114限定的叶片通道被布置成收容在叶片槽239的 内部。这样一来，在被固定于挡板212时，将叶片114滑动接纳在叶片槽239内部的处理不 会受到一个或多个致动器杆242阻碍。
[0137] 如下文更详细描述的那样，压力平衡凸缘225允许在众多常规的移动挡板/喷嘴 环涡轮机中使用更小的致动器杆242。应该了解的是，这样做还具有允许使用半径减小的致 动器杆的益处，由此进一步将每个致动器杆242的任何部分覆盖在叶片槽239上的可能性 减至最小。
[0138] 转到图15A-15D，该图显示的是挡板312的替换布置（与图13相比，相同的组件同 样采用的是相同的参考数字，但在所述数字上增加了 100)。挡板312再次限定了一个叶片 槽339的环形阵列，用于在将叶片固定于图2所示的涡轮机的时候滑动接纳叶片114。在图 15B中显示了图15A所示的环形区段"A"的更详细视图。
[0139] 图15C和15D显示的是挡板312的示意性剖视图。除了用于容纳致动器杆的足部 的环形通道布置之外，挡板312的基本结构与图13A-13D所示的挡板212的基本结构相似。 在图15A-1?所示的实施例中，挡板312的径向延伸壁部335延伸至某个外径。该外径的 径向内侧由轴向延伸凸缘348限定。为了能将叶片114滑动收容在叶片槽339中，轴向延 伸凸缘348处于叶片槽339的外径的径向外侧。在轴向延伸凸缘348的外侧端限定了一个 沿着径向向外延伸的缘边349,这个沿着径向向外延伸的缘边延伸到一个比挡板312的径 向延伸壁部335的外侧端直径更小的直径。缘边349、凸缘348以及径向延伸壁部335共同 限定了一个沿着环形挡板312的整个圆周长度延伸的环形通道350。同样，如上所述，通过 选择凸缘和缘边的组合，可以定义一个或多个在相较于环形挡板312的整个圆周偏小的弧 长上延伸的环形通道350。环形通道350被配置成收容由图16A-16C所示类型的致动器杆 342限定的互补结构。
[0140] 参考图16A-16C，致动器杆342包括主体区段344,其中该主体区段与处于其内侧 端341的放大结构345 -起限定了一个间隙343。间隙343的尺寸被调整成适合容纳挡板 312的径向延伸缘边349。由此，致动器杆342的结构或"足部"345可被啮合在挡板312的 环形通道350的内部。考虑到凸缘和缘边在挡板312中的排列与在图13所示的挡板212中 相反，因此，现在穿过轴向延伸凸缘348的表面的是足部345的径向内部边缘347,而不是足 部345的径向外部边缘346。由此，足部345的径向内部边缘347具有与轴向延伸凸缘348 限定的环形通道350基本相似的弧曲半径轮廓。在图16C所示的特定实施例中，致动器杆 342的径向外侧边缘346同样拥有弧曲形状，然而应该了解，这种情况并不是必需的，例如， 在这里也可以改为使用平直边缘。通过为径向内边缘347和致动器杆342提供与轴向延伸 凸缘348相似或相同的曲线轮廓，可以允许沿着环形通道350在圆周方向上滑动致动器杆 342的足部345,由此，每个致动器杆342可以采用与挡板312相对的任何角度位置。当然， 该处理也可以通过保持每个致动器杆342处于恰当位置以及旋转挡板312来实现，反之亦 然。如上所述，如果允许将一个或多个杆342安装于挡板312,同时在初始仍旧允许一个或 多个杆342与挡板312进行相对旋转，那么将能够轻松确定每个杆342相对于挡板312的 精确角度位置，同时仍旧允许精确地将挡板312限定的叶片槽339与叶片114的环形阵列 相对齐。
[0141] 图17A和17B显示的是用于将致动器杆442连接到挡板412的另一个替换布置 (与图2相比，相似的组件同样采用的是相同的参考数字，但在数字上会增加300)。如图 17A和17B所示，挡板412的内部环形凸缘417限定了一个从压力平衡凸缘425的径向外端 沿着轴向延伸至轴承壳体403的缘边470。唇部471从缘边470的轴承壳体端沿着径向向 内延伸，以便限定一个被配置成接纳从致动器杆442的最靠近入口通路409的一端开始沿 着径向向外延伸的凸缘473。此外，倒转的布置同样是可以使用的。也就是说，缘边470可 以从压力平衡凸缘425的径向内端开始沿着轴向延伸，并且唇部471可以沿着径向向外延 伸，以便将环形间隙472配置成接纳具有沿着径向向内延伸的形式的凸缘473。
[0142] 图18显示的是将致动器杆542连接到挡板512的另一个布置（与图2相比，相似 的组件再次采用了相同的参考数字，但在数字上增加了 400)。在该布置中，挡板512限定了 一个相对较短并且沿着轴向延伸的径向外侧凸缘，该凸缘采用的形式是围绕挡板512的径 向外部圆周的缘边575,并且该凸缘伸入径向延伸凸缘576。凸缘576的轴向厚度能被致动 器杆542的终端部分578限定的径向延伸凹口 577容纳，其中凹口 577在沿着涡轮机轴看 到的截面中限定了一个弧曲路径。
[0143] 在图19中，所显示的是用于将致动器杆642连接到挡板612的另一个布置（与图 2相比，相似的组件采用的是相同的参考数字，但在数字上增加了 500)。在图19的布置中， 致动器杆642位于挡板612的外部轴向凸缘618的径向内侧。由此，为了确保在挡板612的 后方能有足够空间，以便通过挡板612限定的叶片通路接纳叶片614,致动器杆642中紧靠 在挡板612之后的部分680具有比致动器杆642中远离挡板612的部分681更大的直径。 在该布置中，挡板612限定了一个较短的径向外侧凸缘618。凸缘682从外侧凸缘618的轴 承壳体端沿着径向向内延伸。挡板612的径向壁部635、外侧凸缘618以及向内延伸凸缘 682共同限定了一个圆周槽683,其中该圆周槽的尺寸被调整成容纳致动器杆642的终端部 分685限定的沿着径向向外延伸的指状物684。致动器杆642的终端部分685还限定了一 个朝向指状物684的轴承壳体侧的圆周凹口 686,其中该圆周凹口的尺寸被调整成容纳向 内延伸的凸缘682的尖端687。
[0144] 图20限定的是与图19所示相似的用于将致动器杆742连接到挡板712的布置， 但其存在以下区别（与图2相比，相似的组件再次采用了相同的参考数字，但在数字上增加 了 600)。在图20的布置中，挡板712限定了一个外侧凸缘718,并且其轴长大于在图19的 装置中使用的外侧凸缘618的轴长。由此，向内延伸凸缘782依附在沿着外侧凸缘718的 轴长方向的中间位置，而不是如图19所示的布置那样依附在外侧凸缘618的轴承壳体端。 由于图20的布置中的致动器杆742仍旧处于挡板712的外侧凸缘718的径向内侧，因此， 致动器杆742再次包含了一个直径增大的部分780,并且由此限定一个位于挡板712的径向 壁部735后方的空间，以便适于在叶片714通过挡板712的径向壁部735限定的叶片通道 的时候滑动接纳该叶片。
[0145] 图21所示的布置（与图2相比，相似的组件再次采用了相同的参考数字，但是在 数字上增加了 700)在很多方面与图20所示的布置相似，但是在图21的布置中，凸缘882是 从挡板812的外侧凸缘818上的位置开始沿着径向向内延伸的，其中与图20显示的布置相 t匕，凸缘882进一步深入轴承壳体，也就是更加远离涡轮机通路809。由此，第二凸缘890沿 着径向向内延伸，其径向延伸程度与凸缘882的径向延伸程度相似，但其是从外侧凸缘818 的轴承壳体端伸出的。这样一来，这两个凸缘882、890结合外侧凸缘818的插入区段共同 限定了一个圆周通道891，以便容纳由致动器杆842的终端部分885限定的沿着径向向外延 伸的指状物884。与图19显示的布置一样，致动器杆842的终端部分885还限定了一个朝 向指状物884的轴承壳体侧的圆周凹口 886,其尺寸被调整成收纳向内延伸凸缘882的尖端 887。
[0146] 现在将对图2所示的引入了本发明的压力平衡装置的涡轮机的操作进行描述。
[0147] 应该了解的是，如果将表面暴露于处在某个压力之下的气体，那么该压力会导致 在与该表面垂直的表面上施加一个力。施加在该表面上的力等于接触该表面的气体的压力 与所述气体所接触的表面面积的乘积。挡板112的一些表面大致上是径向的，其他表面则 是圆周的。由于将挡板112安装在轴承壳体内部来使其进行轴向移动，因此，施加在挡板的 某个径向表面上的力要么会将挡板112推向喷嘴环110,并且由此窄化入口通路109,要么 会推动挡板112远离喷嘴环110,并且由此扩大入口通路109。施加在挡板112的圆周表面 上的力不会推动挡板112在任一方向上沿轴向运动，因此，对于以下关于本发明优选实施 例的描述来说，这种力是可以忽略的。
[0148] 为了确定施加于挡板112的净轴向力，有必要将作用于每个径向表面的分力相 力口。受到推动挡板112远离喷嘴环110的力的表面被描述成是与受到将挡板112推向喷嘴 环110的力的表面"相对"，反之亦然。为了确定由施加在两个相对径向表面上的力在挡板 112上产生的净轴向力，可以从施加在一个相对径向表面上的力中减去施加在另一个相对 径向表面上的力。
[0149] 压力较高的废气会从引擎排气歧管沿着箭头X的方向经由入口通路109流到涡轮 机。入口通路109内部的气体在冲击共同限定了区域A2中的叶片通道的叶片114之前会 首先流经区域A1。在气体流经区域A2时，其速度将会增大，由此导致其压力减小，这样一 来，与区域A2或Al中的气体相比，区域A3中的加速气体具有较低的压力。挡板112和轴 承壳体103的布置能使一些从引擎进入涡轮机且压力最高的气体越过挡板112并进入环形 凹口 113内部的区域A4。处于轴承壳体103的挡板112、套筒128以及壁部131之间的密 封环127U30的位置限定了位于径向延伸凸缘125后方的另一个区域A5。
[0150] 参考图2,入口通路109是在喷嘴环110的径向表面133 (在这里也被称为喷嘴环 110的"前端面"133)与挡板118的径向壁部135的相对径向表面134(在这里也被称为挡 板112的"前端面"134)之间所限定的。如上所述，通过提供沿着轴向通过入口通路109的 叶片114,可以在入口通路109内部确定三个具有不同压力的不同区域：Al ;A2和A3。由此， 喷嘴环110和挡板112的相对前端面133、134在这三个区域Al、A2和A3中分别会遭遇到 不同的压力。在区域Al中，前端面133U34的区域遭遇的是趋于将挡板112推回环形凹口 113并且由此开放入口通路109的最大压力。在区域A2,前端面133U34的区域将会遭遇 到较低的压力，并且在区域A3中，前端面区域将会遭遇到最小的压力。
[0151] 挡板112中的径向壁部135的径向表面136面向环形凹口 113(在这里也被称为 挡板112的"后端面"136)，并且位于区域A4。由于处于入口通路109上游的最高压力的气 体可以流入区域A4,因此，挡板112的后端面136的整个径向范围与位于叶片通路上游的 挡板112的前端面134、也就是位于区域Al的挡板112的前端面区域，遭遇的是相同的气 体压力。由于流经入口通路109区域A2和A3的气体的压力低于区域Al和A4中的气体压 力，因此，与挡板112的前端面134相比，处于叶片通路中及叶片通路下游的挡板112的后 端面136的区域会遭遇到较高的气体压力。由此，如果没有即将说明的本发明的压力平衡 装置，那么，当处于叶片通路内部和叶片通路下游的挡板112两端的压差达到最大时，在入 口通路109宽度很小的位置作用于挡板112的径向壁部135的力往往会猛然关上挡板112。
[0152] 为了补偿这种挡板112关闭入口通路109的趋势，特别是在喷嘴环110和挡板112 的相对前端面133U34之间的间距很小的时候，可以提供沿着径向延伸的凸缘125(在这 里也被称为压力平衡凸缘125)。凸缘125限定了两个相对的径向延伸表面：第一径向延伸 "前端面"137和第二径向延伸"后端面"138。在图2所示的实施例中，压力平衡凸缘125的 前端面137延伸至与叶片通路外径相对应的直径。然而这一点并非在所有应用中都是必需 的。压力平衡凸缘125延伸的直径是以在考虑了特定应用中使用的叶片通路喉口面积的情 况下所需要的压力平衡等级为基础选择的。
[0153] 环形槽126是由围绕压力平衡凸缘125的外部圆周边缘限定的，由此，在被收纳于 环形槽126时，环形密封环127在轴向上位于压力平衡凸缘125的前端面与后端面137、138 之间。在这种情况下，压力平衡凸缘125的前端面137处于在使用中包含压力较高的气体 的区域A4,并且压力平衡凸缘125的后端面138位于区域A5,由于所述区域A5与区域A3 是流体连通的，因此，该区域在使用过程中包含的是压力较低的气体。
[0154] 如上所述，密封环127靠在圆柱形套筒128上。经过密封环127的漏流路径由套 筒128中的一对很小的孔径129提供，其中当挡板112在入口通路109上延伸并超出预定 距离（例如超过大约一半的长度）时，该孔径将会"活跃"，以便将高压气体从区域A4沿着 箭头Y的方向传送到区域A5。孔径129可在套筒128中提供，以便在挡板112的任何所要 轴向位置活跃。由此，在其他应用中，较为恰当的是将孔径129定位成使其只在入口通路 109关闭至很小的轴向宽度时活跃。这样一来，在涡轮机工作且入口通路相对开放时，区域 A4和A5是相互密封的，然而在将入口通路闭合至较窄的宽度时，区域A4和A5是流体性连 接的。一旦流体性地连接这两个区域A4和A5,则区域A5中的气体压力将会增大，由此将会 增大气体施加于压力平衡凸缘125的后端面138的力。结果，由压力平衡凸缘125产生的 趋于将挡板112推入环形凹口 113、也就是开放入口通路109的平衡力将会减小，从而减小 挡板112在入口通路109闭合至相对较小的开口时被猛然关上的趋势。
[0155] 如上所述，密封环130以及相关联的组件被布置成限定了一个穿过密封环130的 漏流路径，以便确保压力平衡凸缘125后方的区域即区域A5以及叶片通路下游的入口通路 109的区域即区域A3之间的流体连通。在图2所示的实施例中，轴承壳体103的壁部131 限定了一个用于收容密封环130的132圆周槽，该密封环130的径向范围被选定成在挡板 112的密封环130与内部环形凸缘117之间限定一个预定径向间隙，所述径向间隙在挡板 112的所有轴向位置都是"活跃的"，也就是允许流体流动。在这两个密封环127U30上限定 的漏流路径的截面面积应被控制，以便确保压力平衡装置的正常运作。在图2所示的实施 例中，通过轴承壳体壁部131与挡板112之间的径向内部密封环130的漏流路径的截面面 积约为通过挡板112与套筒128之间的径向外部密封环127的漏流路径的截面面积的1-2 倍。应该了解的是，一旦考虑了如上所述的不同因素并且确定了挡板致动器的转矩判据，则 本领域技术人员可以对这两个区域的确切比值进行选择，以便适应于具体的应用。
[0156] 换句话说，为了将挡板112上的负载减至最小，以便提供如上所述的压力平衡特 征，可以的话应该通过趋于将挡板112推向喷嘴环110即闭合通路109的力来平衡趋于将 挡板112推向轴承壳体103即开放通路109的力。在叶片114的径向外侧，由于挡板112 在该区域中的两侧的压力都是相同的，因此，作用于挡板112的净力为零。在叶片114的径 向内侧，趋于将挡板112移向轴承壳体103的力是由作用于压力平衡凸缘125中的后端面 138的区域Dl的力平衡的。剩余因素是在区域A2中作用于叶片通路中的挡板112的前端 面134的开启力F d4，以及作用于压力平衡凸缘125的后端面138和相关联的密封处127的 闭合力Fd2。为了在挡板112上实现零净力，这两个力的大小应该是相同的。
[0157] CFD分析表明，假设PD4 = Pd2是非常合理的。因此，关于零净力的理想方案可以由 相应表面面积来限定，即D4的表面面积（减去叶片孔洞）=D2的表面面积。
[0158] 如果叶片是在环形阵列中提供的，那么挡板112的径向壁部135的前端面134的 面积D4是：

【权利要求】
1. 一种可变几何涡轮机，包括： 安装在壳体内部的围绕涡轮机轴旋转的涡轮机叶轮；以及 在径向方向上朝着涡轮机叶轮向内延伸的环形入口通路； 该环形入口通路是在被安装于壳体内部所提供的空腔中的可移动壁部构件的径向延 伸壁部的第一表面与壳体的面对壁部之间所限定的； 可移动壁部构件在轴方向上是可移动的，由此改变环形入口通路的大小； 入口导向叶片阵列横跨所述环形入口通路，以便限定一个径向叶片通路； 可移动壁部构件的径向延伸壁部限定了一个与第一表面相对的径向第二表面； 可移动壁部构件还包括一个环形凸缘，该环形凸缘沿着轴向伸进空腔并且撑起了一个 径向延伸凸缘，所述径向延伸凸缘限定了相对的径向第三和第四表面； 该径向延伸凸缘与在空腔中提供的环形套筒形成密封，由此在空腔内部限定了包含 径向的第二和第三表面的第一区域，以及在空腔内部限定了包含径向的第四表面的第二区 域； 空腔内部的第一区域与处于径向叶片通路上游的环形入口通路的区域是流体连通的； 以及 空腔内部的第二区域与处于径向叶片通路下游的环形入口通路的区域是流体连通的。
2. 根据权利要求1所述的可变几何涡轮机，其中径向延伸凸缘在空腔内部限定了一个 与可移动壁部构件的径向延伸壁部的径向第二表面相对的径向表面。
3. 根据权利要求1或2所述的可变几何涡轮机，其中径向延伸凸缘从环形凸缘开始沿 着径向延伸的范围不大于从环形凸缘的径向内部表面到横跨入口通路的叶片的外径的距 离。
4. 根据权利要求1、2或3所述的可变几何涡轮机，其中可移动壁部构件和/或壳体被 调整成限定了一条进入可移动壁部构件后方的空腔的气体流动路径。
5. 根据权利要求1、2或3所述的可变几何涡轮机，其中可移动壁部构件的径向外部 边缘相对于壳体是密封的，并且位于叶片通路上游的可移动壁部构件限定了一个或多个孔 径，以便限定进入空腔的气体流动路径。
6. 根据权利要求1-5中任一权利要求所述的可变几何涡轮机，其中环形套筒限定了一 条泄漏路径，以便在使用过程中允许处于第一区域内部的相对较高的涡轮机前压力的气体 流入第二区域，从而增大第二区域内部的气体压力。
7. 根据权利要求6所述的可变几何涡轮机，其中泄漏路径是由处于环形套筒上的位置 的一个或多个孔径所限定的，由此，其在使用过程中将会开放，以便在可移动壁部构件被定 位成致使可移动壁部构件与壳体的面对壁部之间的入口通路的轴向宽度大约小于其在可 移动壁部构件完全收回至空腔时的宽度的20 %的时候，允许气体流过。
8. 根据前述任一权利要求所述的可变几何涡轮机，其中空腔内部的第二区域与位于径 向叶片通路下游的环形入口通路区域之间的所述流体流通是由在环形凸缘与空腔壁部之 间所限定的气体流动路径促成的，并且可选地是由环形凸缘与空腔壁部之间的密封配置促 成的。
9. 根据从属于权利要求6或7的权利要求8所述的可变几何涡轮机，其中环形套筒所 限定的泄漏路径的总的截面面积与介于环形凸缘和空腔壁部之间的密封配置所限定的气 体流动路径的总的截面面积相似，或是小于该截面面积。
10. 根据权利要求8或9所述的可变几何涡轮机，其中该密封配置被定位在径向延伸凸 缘与环形套筒形成密封的位置的径向向内位置上。
11. 根据权利要求10所述的可变几何涡轮机，其中该密封配置限定了一个预定径向间 隙，以便在环形凸缘与空腔壁部之间提供所述气体流动路径。
12. 根据权利要求10或11所述的可变几何涡轮机，其中该密封配置在其面朝空腔壁部 的外部表面上限定了一个或多个预定尺寸的凹槽或切去区段，以便在环形凸缘与空腔壁部 之间提供所述气体流动路径。
13. 根据权利要求10、11或12所述的可变几何涡轮机，其中环形凸缘的径向内部表面 限定了一个或多个轴向延伸凹槽，这些凹槽延伸至密封配置的两侧，以便在环形凸缘与空 腔壁部之间提供所述气体流动路径。
14. 根据权利要求13所述的可变几何涡轮机，其中一个或多个凹槽相对于涡轮机的纵 轴是倾斜的，或者是沿着螺旋或盘旋路径的。
15. 根据权利要求13或14所述的可变几何涡轮机，其中所提供了多个凹槽，并且相邻 凹槽之间的轴向间距在所有凹槽上都是大体上相等的，或者会随着相邻凹槽配对的不同而 改变。
16. 根据权利要求15所述的可变几何涡轮机，其中一个或多个凹槽是在环形套筒轴向 范围的一部分上延伸的，或者是在环形套筒的整个轴向范围延伸的。
17. 根据前述任一权利要求所述的可变几何涡轮机，其中可移动壁部构件是限定了用 于接纳叶片的孔径的挡板，所述叶片附着于一个喷嘴环，并且该喷嘴环的径向表面对应于 壳体的面对壁部。
18. 根据权利要求1-16中任一权利要求所述的可变几何涡轮机，其中可移动壁部构件 是支撑起被接纳在由挡板所限定的孔径中的叶片的喷嘴环，其中该挡板的径向表面与壳体 的面对壁部相对应。
19. 根据前述任一权利要求所述的可变几何涡轮机，其中该面对壁部固定于壳体。
20. 根据权利要求19所述的可变几何涡轮机，其中该面对壁部是借助锁紧螺丝连接固 定于壳体的。
21. 根据权利要求20所述的可变几何涡轮机，其中互补的锁紧螺纹是由连接至面对壁 部的轴向延伸凸缘的外部圆周表面以及壳体的径向向内的面对表面或是固定于壳体的环 所限定的。
22. 根据前述任一权利要求所述的可变几何涡轮机，其中可移动壁部构件是环形的，并 且该涡轮机还包括：至少一个导向构件，所述可移动壁部构件和所述至少一个导向构件两 者之一限定一个环形通道，用于接纳由可移动壁部构件和所述至少一个导向构件的两者的 另一个所限定的互补结构，由此将环形可移动壁部构件安装至所述至少一个导向构件，以 便通过执行可移动壁部构件的轴向移动来改变环形入口通路的尺寸。
23. 根据权利要求22所述的可变几何涡轮机，其中可移动壁部构件引入了一个沿轴向 延伸的安装凸缘和一个沿径向延伸的安装凸缘，并且这些凸缘共同限定了环形通道。
24. 根据权利要求23所述的可变几何涡轮机，其中环形通道是在叶片通路外径的径向 向外的方向上提供的，或者是在叶片通路内径的径向向内的方向上提供的。
25. 根据权利要求23所述的可变几何涡轮机，其中环形通道沿着径向方向位于叶片通 路的内部或者在径向上与叶片通路重叠。
26. 根据权利要求23-25中任一权利要求所述的可变几何涡轮机，其中沿轴向延伸的 安装凸缘是沿着径向的外部轴向延伸环形凸缘，其在轴向上短于沿着轴向伸进空腔的环形 凸缘，并且支撑了限定了第三和第四表面的径向延伸凸缘。
27. 根据权利要求26所述的可变几何涡轮机，其中沿径向延伸的安装凸缘从沿着径向 的外部轴向延伸环形凸缘的轴向外侧端开始沿着径向向内延伸。
28. 根据权利要求23-27中任一权利要求所述的可变几何涡轮机，其中环形通道在可 移动壁部构件圆周的一个或多个部分延伸，或者在可移动壁部构件的整个圆周上延伸。
29. 根据权利要求23-28中任一权利要求所述的可变几何涡轮机，其中沿径向延伸的 安装凸缘的内径位于叶片通路外径的径向外侧。
30. 根据权利要求29所述的可变几何涡轮机，其中至少一个导向构件位于径向叶片通 路的径向外侧。
31. 根据权利要求29所述的可变几何涡轮机，其中至少一个导向构件位于径向叶片通 路外径的径向内侧。
32. 根据权利要求31所述的可变几何涡轮机，其中至少一个导向构件的终端区段配备 了轴向延伸的切去区段。
33. 根据权利要求23-25中任一权利要求所述的可变几何涡轮机，其中沿轴向延伸的 安装凸缘是沿着径向的外部轴向延伸环形凸缘，其与沿着轴向伸进空腔的环形凸缘具有相 似的轴向长度，并且支撑了限定了第三和第四表面的径向延伸凸缘。
34. 根据权利要求33所述的可变几何涡轮机，其中沿径向延伸的安装凸缘是从位于可 移动壁部构件的径向延伸壁部与沿轴向延伸的安装凸缘的轴向外侧端之间的沿轴向延伸 的安装凸缘上的位置开始沿着径向向内延伸。
35. 根据权利要求33或34所述的可变几何涡轮机，其中至少一个导向构件配备了用于 限定在径向上与叶片通道重叠的轴向延伸间隙的切去区段。
36. 根据权利要求33所述的可变几何涡轮机，其中沿径向延伸的安装凸缘从沿轴向延 伸的安装凸缘的轴向外侧端伸出，并且提供了另一个沿径向延伸的安装凸缘，其中所述另 一个沿径向延伸的安装凸缘从位于沿轴向延伸的安装凸缘的轴向外侧端上的沿径向延伸 的安装凸缘与可移动壁部构件的径向延伸壁部中间的沿轴向延伸的安装凸缘上的位置开 始延伸。
37. 根据权利要求26所述的可变几何涡轮机，其中沿轴向延伸的安装凸缘在可移动壁 部构件外径的径向内侧的直径上从可移动壁部构件开始沿轴向延伸，并且沿径向延伸的安 装凸缘在沿轴向延伸的安装凸缘的轴向外侧端沿着径向向外延伸。
38. 根据权利要求37所述的可变几何涡轮机，其中环形通道在可移动壁部构件的整个 圆周长度上延伸，或者在其一个或多个区段上延伸。
39. 根据权利要求37或38所述的可变几何涡轮机，其中沿轴向延伸的安装凸缘位于叶 片通路外径的径向外侧。
40. 根据权利要求23-25中任一权利要求所述的可变几何涡轮机，其中沿轴向延伸的 安装凸缘从径向延伸凸缘的径向外端伸出，所述径向延伸凸缘限定了径向的第三和第四表 面，并且沿径向延伸的安装凸缘是沿着径向向内延伸的。
41. 根据权利要求23-25中任一权利要求所述的可变几何涡轮机，其中沿轴向延伸的 安装凸缘从径向延伸凸缘的径向内端伸出，所述径向延伸凸缘限定了径向的第三和第四表 面，并且沿径向延伸的安装凸缘是沿着径向向外延伸的。
42. 根据权利要求22所述的可变几何涡轮机，其中至少一个导向构件结合了限定环形 通道的径向延伸凹口。
43. 根据权利要求42所述的可变几何涡轮机，其中可移动壁部构件限定了一个沿径向 延伸的安装凸缘，其轴向厚度的尺寸被调整成能被由至少一个导向构件所限定的环形通道 所接纳。
44. 一种涡轮增压器，包括根据前述任一权利要求的可变几何涡轮机。
【文档编号】F01D17/16GK104334836SQ201480001276
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2013年4月10日
【发明者】约翰·弗雷德里克·帕克, 西蒙·大卫·摩尔, 阿里·索菲娅 申请人:康明斯有限公司