具有用于径向定位可变喷嘴盒体的器件的可变喷嘴涡轮机的制作方法

本公开涉及具有可变喷嘴涡轮机的涡轮增压器，其中可动静叶（vane）被置于涡轮机的喷嘴中，用于调节流入涡轮机中的排气。

背景技术：

排气驱动的涡轮增压器是与内燃发动机结合使用的装置，用于通过压缩被递送到发动机的空气进气部以与燃料混合并在发动机中燃烧的空气来增加发动机的功率输出。涡轮增压器包含被安装在压缩机壳体中的轴的一个端部上的压缩机轮和被安装在涡轮机壳体中的轴的另一端部上的涡轮机轮。通常，涡轮机壳体与压缩机壳体分开形成，并且还存在被连接在涡轮机壳体和压缩机壳体之间的另一中心壳体，用于容纳轴的轴承。涡轮机壳体限定大体环形腔室，其围绕涡轮机轮并且其接收来自发动机的排气。涡轮机组件包括喷嘴，其从腔室通向涡轮机轮。排气从腔室通过喷嘴流至涡轮机轮并且涡轮机轮被排气驱动。涡轮机因此从排气抽取功率并且驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口接收环境空气并且空气被压缩机轮压缩且随后从壳体排放到发动机空气进气部。

使用涡轮增压器提高发动机性能中的一个挑战是贯穿发动机的整个操作范围实现发动机功率输出所期望的量。已经发现，这个目标通常不易于使用固定几何形状的涡轮增压器来获得，并且因此可变几何形状的涡轮增压器已经以下述目的被开发：提供对由涡轮增压器提供的提高的量的更大程度的控制。可变几何形状的涡轮增压器的一种类型是可变喷嘴涡轮增压器（vnt），其包括在涡轮机喷嘴中的可变静叶阵列。静叶被可枢转地安装在喷嘴中并且被连接到允许改变静叶的设定角度的机构。改变静叶的设定角度具有改变涡轮机喷嘴中的有效流动面积的效果，并且因此能够通过控制静叶位置来调节至涡轮机轮的排气流。以此方式，涡轮机的功率输出能够被调节，这允许以比通常使用固定几何形状的涡轮增压器可能实现的更大程度地控制发动机功率输出。

可变静叶机构相对复杂并且因此在涡轮增压器的组装方面存在挑战。此外，所述机构被定位在涡轮机壳体和中心壳体之间，由于所述涡轮机壳体暴露于排气，因而其非常热，而中心壳体处于比涡轮机壳体低得多的温度。因此，由于提到的温度梯度，可变静叶机构经历高温和热应力。所有这些因素对于可变静叶机构的径向居中（从而其与涡轮机轮基本同心）提出了挑战。

技术实现要素：

本公开描述了上文提到的可变喷嘴涡轮机类型的涡轮增压器的实施例，其具有有利的定位器设置，用于相对于容纳涡轮增压器轴承的中心壳体径向定位喷嘴环。根据第一实施例，具有可变喷嘴涡轮机的涡轮增压器包括：

涡轮机，包含涡轮机壳体和涡轮机轮，所述涡轮机轮被安装在涡轮机壳体中且被连接到可旋转轴用于随其旋转，所述涡轮机壳体限定围绕涡轮机轮以用于接收排气的腔室和轴向延伸的孔，排气在通过涡轮机轮之后通过该孔被排放；和从腔室大体径向向内地通向涡轮机轮的喷嘴；

压缩机，包含压缩机壳体和压缩机轮，所述压缩机轮被安装在压缩机壳体中且被连接到所述可旋转轴用于随其旋转；

被连接在压缩机壳体和涡轮机壳体之间的中心壳体，且该中心壳体具有邻接涡轮机轮的鼻部分，限定大体径向面向外的第一表面和大体轴向面向涡轮机轮的第二表面；

大体环形喷嘴环，具有包含喷嘴的一个壁且与喷嘴的相对壁轴向间隔开的第一面以及绕喷嘴环周向间隔开且被置于喷嘴中的静叶阵列，所述静叶可旋转地安装到喷嘴环从而静叶设定角度可变，用于调节至涡轮机轮的排气流，邻接其内直径的喷嘴环限定与中心壳体的第一表面间隔开且相对的大体径向面向内的第三表面；和

被置于中心壳体的第一表面和喷嘴环的相对的第三表面之间的弹性可变形定位器，该定位器包含金属环，该金属环具有绕所述定位器的圆周重复多次的径向起伏波形形状。处于放松状态的定位器具有超过喷嘴环的第三表面的内直径的外直径，并且定位器以周向预加载状态被安装在喷嘴环的第三表面和中心壳体的第一表面之间。定位器用于相对于中心壳体径向定位喷嘴环并且即使在高温下也具有足够的弹性变形以便基本缓解定位器的塑性变形问题。

根据本文描述的第二实施例，弹性可变形定位器包含在径向-轴向平面中具有c形横截面的金属环，该c形横截面具有两个间隔开的腿部，每个腿部结合到中心腹板，并且具有与中心腹板相对的开口侧。环被定向成开口侧面向涡轮机的轴向方向，并且每个腿部限定影响定位器的径向刚度的多个周向间隔开的u形切口。

根据本文描述的第三实施例，弹性可变形定位器包含在径向-轴向平面中具有z形或s形横截面的金属环，该s形横截面具有两个间隔开的腿部，每个腿部结合到中心腹板，所述两个腿部径向间隔开并且在涡轮机的相反的大体轴向方向延伸。至少一个腿部限定影响定位器的径向刚度的多个周向间隔开的大体u形切口。

根据本文描述的第四实施例，定位器包含多个径向定向的周向间隔开的定位器销，其被稳固地附连在中心壳体中并且被接收在喷嘴环的径向内部部分中形成的径向槽中。销可以如由槽的侧壁和端壁所限制的那样在槽内运动。定位器销周向且轴向地约束喷嘴环，但是允许由于喷嘴环和中心壳体之间的差异的热膨胀而导致的有限程度的相对径向运动。

附图说明

已经概括地描述了本公开，现在将参考（多个）附图，所述（多个）附图不必要成比例绘制，并且其中：

图1是不包括本发明特征的涡轮增压器的轴向横截面视图；

图1a是图1的一部分，其被放大以便示出在喷嘴环和中心壳体之间的定位器环；

图1b是图1a的进一步放大部分；

图2是根据本发明第一实施例的涡轮增压器的部分组件的透视图；

图3是根据本发明第二实施例的涡轮增压器的部分组件的透视图；

图3a是图3的一部分，示出了定位器环；

图4是根据本发明第三实施例的涡轮增压器的不完整的轴向横截面视图；

图5a是根据本发明第四实施例的涡轮增压器的部分组件的透视图，包括具有定位器销的中心壳体；

图5b是根据第四实施例的涡轮增压器的另外的部分组件的透视图，包括具有用于接收定位器销的槽的喷嘴环；以及

图5c是根据本发明第四实施例的涡轮增压器的不完整的轴向横截面图。

具体实施方式

现在将参考上述附图更加详细地描述本公开，其示出了本公开涉及（多个）发明的一些但不是全部的实施例。这些发明可以以各种形式被实施，包括本文没有明确描述的形式，并且不应该被解释为限制于本文描述的具体示例性实施例。在下文的描述中，贯穿始终类似附图标记指代类似元件。

本发明涉及包括可变喷嘴涡轮机（vnt）的涡轮增压器，其中可变喷嘴包含被安装在喷嘴环上的可枢转静叶的阵列。图1、图1a和图1b示出了本发明涉及的但缺少本发明特征的通用类型的vnt涡轮增压器10。涡轮增压器包括被安装在可旋转轴18的一个端部上且被置于压缩机壳体16内的压缩机轮或叶轮14。轴被支撑在轴承19内，轴承19被安装在涡轮增压器的中心壳体20内。轴18由涡轮机轮22旋转，该涡轮机轮22被安装在轴18的离开压缩机轮的另一端部上，从而旋转地驱动压缩机轮，该压缩机轮将通过压缩机入口吸入的空气压缩并将压缩空气递送到内燃发动机（未示出）的进气部，用于提高发动机的性能。

涡轮增压器也包括装纳涡轮机轮22的涡轮机壳体24。涡轮机壳体限定大体环形腔室26，该环形腔室26围绕涡轮机轮并且其接收来自内燃发动机的用于驱动涡轮机轮的排气。排气从腔室26被大体径向向内引导通过涡轮机喷嘴28至涡轮机轮22。当排气流动通过在涡轮机轮的动叶（blade）30之间的通道时，气体膨胀成较低压力，并且从轮排放的气体通过涡轮机壳体内的大体轴向的孔32离开涡轮机壳体。

涡轮机喷嘴28是可变喷嘴，用于改变通过喷嘴的横截面流动面积和流动方向，以便调节进入涡轮机轮的流。喷嘴包括绕喷嘴周向间隔开的多个静叶34。每个静叶被附连到销36，该销36穿过相对于涡轮机轮22同轴安装的大体环形喷嘴环38内的孔口。每个销36可绕其轴线旋转，用于旋转所附接的静叶。喷嘴环38形成喷嘴28的流动通道的一个壁。每个销36具有被附连到销的端部的静叶臂40，该静叶臂40从喷嘴环38向外突出并且由大体环形的协调环42（也称为致动器环）接合，该协调环42可绕其轴线旋转并且与喷嘴环38同轴。致动器（未示出）被连接到协调环42，用于使其绕其轴线旋转。当协调环被旋转时，静叶臂40被旋转从而导致销36绕其轴线旋转，从而旋转静叶34，以便改变通过喷嘴28的横截面流动面积和流动方向。

在涡轮增压器10中，可变静叶机构以盒体（cartridge）50的形式被提供，该盒体50可作为单元安装到涡轮增压器中和从涡轮增压器移除。盒体50包含喷嘴环38、静叶34、销36、静叶臂40和协调环42。盒体进一步包含插入件52，其具有被密封地接收在涡轮机壳体的孔32的一部分32a中的管状部分54和从管状部分54的一个端部大体径向向外延伸的喷嘴部分56，喷嘴部分56与喷嘴环38轴向间隔开，使得静叶34在喷嘴环38和喷嘴部分56之间延伸。涡轮机壳体的孔部分32a具有超过孔32的剩余部分的半径的半径。管状部分54的径向外表面具有一个或更多个轴向间隔开的周向沟槽58，如图1中所示，密封环59被保持在每个周向沟槽58中，用于密封地接合孔部分32a的内表面。有利地，插入件的管状部分54的外直径稍稍小于孔部分32a的内直径，使得在其间限定小间隙，并且因此仅（多个）密封环接触孔部分32a的内表面。此外，在孔部分32a的端部处在喷嘴部分56和涡轮机壳体的相邻端部之间存在间隙60。以此方式，插入件52从涡轮机壳体24机械分离且热分离。

多个间隔件被连接在喷嘴环38和插入件52的喷嘴部分56之间，用于将喷嘴环固定到插入件并且维持在喷嘴环38和喷嘴部分56之间的期望的轴向间距。有利地，间隔件由具有良好的高温机械性能和相对低的热传导性的材料形成，例如不锈钢（例如，310级不锈钢）等，使得喷嘴环38和插入件52彼此有效地热分离。

可变静叶盒体50还包含大体环形支撑环64（其在所示实施例中与涡轮机壳体24整体形成，不过替代性地其能够是单独的部件且当涡轮机壳体24和中心壳体20被螺栓连接在一起时，该单独的部件的径向外周边被捕获在涡轮机壳体24和中心壳体20之间）。支撑环64的径向内周边接合喷嘴环38的面向插入件52的表面。在支撑环64和喷嘴环38之间的接合优选地沿着喷嘴环的完整的360度圆周，以便基本密封在支撑环和喷嘴环之间的接口。支撑环64也辅助间隔件相对于在朝着插入件52的方向的轴向运动约束喷嘴环。有利地，支撑环64具有面向喷嘴环38的径向外表面的径向内表面，并且支撑环表面在直径上稍大于喷嘴环表面，使得在这些表面之间存在径向间隙。该间隙适应喷嘴环表面相对于相对的支撑环表面的径向位移，例如可能通过差热增长（differentialthermalgrowth）或其他原因产生的位移。

盒体50进一步包含定位器环80，当盒体被安装到中心壳体上时，该定位器环80被捕获地保持在喷嘴环38和中心壳体20之间。定位器环80具有c形横截面并且具有径向内表面，该径向内表面接合中心壳体20的径向面向外的表面，以便建立在中心壳体和定位器环之间的基本同心性。定位器环80的径向外表面接合喷嘴环38的径向面向内的定位表面39（图1a），以便将喷嘴环径向定位成与定位器环且因此与中心壳体基本同心。以此方式，建立了喷嘴环38相对于中心壳体（且因此相对于涡轮机轮22）的同心性。因此，只要插入件52与喷嘴环38基本同心，则不论涡轮机壳体24如何，由插入件52限定的涡轮机流动路径轮廓将与涡轮机轮基本同心。

涡轮增压器10进一步包括由耐高温板材金属形成的遮罩弹簧（shroudspring）90。遮罩弹簧在其径向内侧处接触中心壳体的面向涡轮机轮22的轴向面向的表面，并且在其径向外侧处遮罩弹簧接触喷嘴环38的面向中心壳体的轴向面向的表面。遮罩弹簧被轴向压缩在中心壳体和喷嘴环之间并且用于在喷嘴环38上朝着插入件52（在图1和图1a和1b中朝向右侧）施加轴向力。遮罩弹簧也用作在涡轮机和中心壳体之间的热屏障。

根据现有技术具有由c形定位器环80定位的可变喷嘴盒体50的涡轮增压器10已经被证明为是有利的构造，但是仍寻求进一步的改进。具体地，对于用于喷嘴环38的定位器寻求改进。c形定位器环80的一个缺点是其在预加载力下会趋于经历大的塑性变形，所述预加载力在中心壳体和喷嘴环之间被施加在其上，所述塑性变形会被其所暴露到的高温排气加重。本发明寻求减少或者消除定位器环的塑性变形，以及提供其他优点。

在此方面，图2中描绘本发明的第一实施例。在图2中示出的用于涡轮增压器的部分组件基本类似于之前描述的现有技术的涡轮增压器的对应组件，具有组装有可变喷嘴盒体50的中心壳体20。盒体包括插入件52，其被间隔件62连接到喷嘴环38，该喷嘴环38支撑以之前描述的方式被旋转协调环42致动的多个可枢转静叶34。在该实施例中，喷嘴环38相对于中心壳体20被弹性可变形定位器100定位。定位器100包含金属环，该金属环具有绕定位器的圆周重复多次的径向起伏波形形状。处于放松状态的定位器具有超过喷嘴环的表面39的内直径的外直径。定位器以周向预加载状态被安装在喷嘴环的表面39和中心壳体的相对的表面之间，并且用于相对于中心壳体径向定位喷嘴环。在一个实施例中，定位器包含金属条，其具有两个相对的端部并且被形成为在所述两个相对的端部之间具有间隙的环，即开口环。定位器环100的径向波限定在径向预加载下的环的径向刚度，所述径向预加载在喷嘴环和中心壳体之间被施加在其上。

在图3和图3a中描绘了本发明的第二实施例。在第二实施例中的弹性可变形定位器包含金属环120，其在径向-轴向平面中具有c形横截面。c形横截面具有两个间隔开的腿部122和124，每个腿部结合到中心腹板126，并具有与中心腹板相对的开口侧。定位器被定向成开口侧面向涡轮机的轴向方向，如图3中所示。腿部122接触喷嘴环的径向内表面并且另一腿部124接触中心壳体20的径向面向外的表面，以便相对于中心壳体径向定位喷嘴环。腿部122限定多个周向间隔开的u形切口123，并且另一腿部124类似地限定多个周向间隔开的u形切口125。切口123、125影响定位器的径向刚度。此外，u形切口允许从定位器环120的一侧至另一侧（即从最接近协调环42的一侧至最接近遮罩弹簧90的一侧）（为了比较参见图1a和图1b）的排气压力连通，以便均衡相对侧上的压力。

如图1a和图1b的现有技术设计中没有切口，定位器环80用作这两个区域之间的密封件，并且因此在协调环42所处的空腔中存在的相对较高的压力不被连通到定位器环80的另一侧（图1a和1b中的右侧）。因为在遮罩弹簧的涡轮机轮侧上的压力相对高，这导致跨越遮罩弹簧90的压力差。该压力差与遮罩弹簧的弹簧力相反地作用并且因此减小朝着插入件52被施加在喷嘴环38上的偏置力。

然而，根据图3和图3a的本发明的第二实施例，定位器环120允许跨越其的压力连通，因此在协调环所处的空腔中的较高压力被施加在遮罩弹簧上，以便促使其轴向抵靠喷嘴环38，从而增加在遮罩弹簧和喷嘴环之间的预加载力。这导致更好地固定vnt盒体50。

图4中示出了本发明的第三实施例。在第三实施例中的弹性可变形定位器包含金属环140，其在径向-轴向平面中具有s形或z形横截面。s形横截面具有两个间隔开的腿部142和144，每个腿部结合到中心腹板146，所述两个腿部径向间隔开并且在涡轮机的相反的大体轴向方向延伸。腿部142接触喷嘴环38的径向面向内的表面39并且另一腿部144接触中心壳体20的径向面向外的表面，以便相对于中心壳体径向定位喷嘴环。腿部142、144中的一个或每个能够包括如先前实施例中的周向间隔开的u形切口，以便允许如先前所述的跨越定位器环的压力连通。对于相同的径向预加载，具有s形横截面的定位器140预期比具有c形横截面的现有技术定位器80具有更低的应力。因此，对于两个设计，预加载力能够是相同的，但是对于s形横截面设计而言，定位器的塑性变形风险较低。

在图5a-图5c中示出了本发明的第四实施例。图5a示出中心壳体20，其中稳固地附连了多个（在该具体所示实施例中是三个，尽管数量可以不是三个）径向定向的周向间隔开的定位器销160。定位器销被接收在喷嘴环39的径向内部部分中形成的径向槽165（图5b和图5c）中。销可以如由槽的侧壁和端壁所限制的那样在槽内运动。定位器销周向且轴向地约束喷嘴环，但是允许由于喷嘴环和中心壳体之间的差异的热膨胀而导致的相对径向运动。定位器销的设计不易于以定位器环80趋于的方式经历塑性变形。

本领域技术人员基于本公开将意识到，在不背离本文描述的创造性构思的情况下能够做出本文描述的发明的修改和其他实施例。本文所用的特定术语用于说明性的目的而不是限制的目的。因此，本发明不限于公开的特定实施例，并且修改和其他实施例旨在被包括在所附权利要求的范围内。