用于涡轮增压器的喷嘴环组件及其与涡壳之间的密封结构的制作方法

本实用新型涉及可变喷嘴涡轮增压器密封装置，尤其涉及用于涡轮增压器的喷嘴环组件及其与涡壳之间的密封结构。

背景技术：

涡轮增压器是与内燃式发动机结合使用的装置，用于通过压缩输送到发动机进气口的空气以便与燃料混合并在发动机中燃烧来增大发动机的功率输出。涡轮增压器包括安装在压缩机壳体中压缩机叶轮和安装在涡轮机壳体中的涡轮。其中，涡轮机壳体与压缩机壳体分开地形成，并且还有另一个中间壳体连接在涡轮机壳体和压缩机壳体之间，用于轴承的安装。涡轮机壳体限定出包围涡轮的大致环形流道。涡轮机组件包括流道通到涡轮中的喷嘴。排气从流道通过该喷嘴流到涡轮，并驱动涡轮转动。涡轮机带动同轴连接的压缩机转动。空气经过压缩机叶轮被压缩，然后从壳体出口连接到到发动机进气口。

在利用涡轮增压器来助推发动机性能方面的一个挑战是在发动机的整个工作范围内实现期望大小的发动机功率输出。已经发现，利用固定喷嘴尺寸的涡轮增压器通常不容易达到该目的，因此在对涡轮增压器提供的助推量提供更大程度的控制这一目的的驱使下，已经研发出了可变喷嘴尺寸的涡轮增压器。一种类型的可变尺寸涡轮增压器是可变喷嘴涡轮增压器(VNT)，其包括涡轮机喷嘴中的一组可变叶片。这些叶片可转动地安装在喷嘴环中并连接于使得叶片角度能够改变的驱动机构。改变叶片的设定角度对改变涡轮机喷嘴中的有效流动面积具有影响，因此能够通过控制叶片相对位置来调节流向涡轮的排气流动。通过这种方式，能够调节涡轮的功率输出，这使得与利用固定喷嘴尺寸的涡轮增压器所通常能够实现的相比，能够在更大程度上控制发动机功率的输出。

一般地，可变叶片组件包括喷嘴环，该喷嘴环以可以旋转的方式支撑与喷嘴环的一个面临近的叶片。叶片具有延伸穿过喷嘴环中的安装孔的转动轴，并且叶片摇臂刚性地固定于该轴体的伸出超过喷嘴环的相反面的端部。因此，能够通过使叶片摇臂旋转而使叶片绕由所述转动轴限定的轴线旋转，从而改变叶片的设定角。

可变喷嘴环组件另一面由于零部件数量众多，并且加工精度要求极高，装配工艺复杂，产品的可靠性受到了严格考验，目前可变喷嘴技术在柴油机涡轮增压器上应用广泛，但是当面临温度更高的汽油机涡轮增压器时，目前的设计结构已无法保证产品的可靠性及一致性，同时，现有柴油机涡轮增压器上的可变喷嘴环也由于其复杂的工艺导致零部件成本居高不下。

本专利申请人已经通过申请一种摇臂与叶片一体生产，并在喷嘴环上设计装配凹槽解决了上述问题。但是可变喷嘴环深入涡壳内部的圆筒与涡壳壁面之间是存在间隙的，该间隙是不可避免的存在，通过在圆筒与涡壳之间增加一个或者多个密封活塞环，可以在一定程度上减小该间隙值，但是仍然不能完全消除该间隙值，故仍然存在间隙导致的漏气，该漏气量会降低涡轮的效率，在低工况叶片关闭时尤为明显，因此仍然需要进行改进。

现有技术中主要包括活塞环密封结构和弹性垫密封结构，其中活塞环密封结构在插入件圆筒与涡壳出气口配合的壁面设计一个或者两个凹槽，并增加两个相同数量的活塞环进行密封，采用活塞环密封有一定的效果，但是活塞环并不能完全消除间隙，所以还是会有一定的漏气量；而且机加工凹槽并且增加两道活塞环的成本相对会比较高；弹性垫密封结构是在插入件与涡壳之间增加一个V型或者U型的弹性垫，以达到降低漏气量的目的，但是由于单一的V型或U型弹性垫多为冲压所得，如果是V型弹性垫，则是线接触密封，如果是U型弹性垫，由于上下平面度和平行度很难进行保证(弹性垫冲压后有形状恢复的趋势)，故也多为线密封，所以单一的U型/V型弹性垫也会存在漏气的问题。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种涡轮增压器可变喷嘴插入件与涡壳之间的密封结构，以相对简单并有效的方式解决现有可变喷嘴环组件现在面临的以下问题：

1、密封不充分，存在漏气导致低速性能低的问题；

2、采用活塞环密封成本较高的问题；

3、采用活塞环密封装配工艺复杂的问题。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是开发一种新的密封结构，位于喷嘴环组件中插入件圆筒与涡壳之间，通过该密封结构实现间隙消除，避免漏气，提高低速时的涡轮做功效率，提高增压器的低速性能。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种带有可变喷嘴的涡轮增压器，该涡轮增压器涡端包括设置在涡壳内的涡轮，涡壳的环形流道接收来自发动机的废气，环形的可变喷嘴环组件设置在涡轮增压器流道与涡轮之间，将涡壳流道内的废气引导吹向涡轮，并且可以调整气流吹向涡轮的角度，从而调节涡轮的做功效率。涡轮带动同轴的压轮机对发动机进气压缩做功。

同时，本实用新型还公开了一种用于涡轮增压器的喷嘴环组件，该喷嘴环组件环形可变，包括叶片组件，喷嘴环，插入件，间隔套，同步环。

进一步的，叶片组件包括叶片，转动轴和摇臂；

进一步的，叶片组件数量与涡轮增压器机型匹配，叶片组件的数量可以根据不同的增压器机型进行匹配计算得到，一般可以是9个，也可以是11个，或者其它任意合适的数量。

进一步的，喷嘴环组件包含的不同叶片组件形状及尺寸相同，即同一个可变喷嘴环组件上所有叶片组件具有相同的形状及尺寸；

进一步的，叶片组件装配后首尾相连，叶片组件尾端与相邻叶片组件前段之间的开度用于控制通过的废气量及废气角度，也就是说，通过的废气量以及废气角度是通过前一个叶片组件尾段与后一个叶片组件的前端之间的开度进行控制；

进一步的，叶片组件采用一体制作生产，将叶片与摇臂、转动轴采用一体制作生产，主要是为了提高可变喷嘴环组件的稳定性能，简化工艺和降低成本。

进一步的，喷嘴环是可变喷嘴环组件的基础结构，喷嘴环在周向设计用于叶片安装的孔，孔轴向贯通，孔数量与叶片组件数量一致，孔直径略大于叶片组件中转动轴大径段的直径，为叶片提供旋转支撑；

进一步的，喷嘴环中孔轴线与喷嘴环轴线之间具有一个轴向贯通的，并且与所述孔相连接为一起的摇臂安装槽，所述摇臂安装槽包含两个平行臂面，所述臂面宽度略大于所述叶片组件中所述摇臂方向的臂面宽度，所述摇臂安装槽长度略小于所述叶片组件中所述摇臂的长度，以保证转动轴与安装孔同轴并且摇臂安装槽壁面与摇臂壁面平行时，叶片组件刚好可以穿过叶片安装孔与摇臂安装槽的贯通的空腔；

进一步的，插入件位于叶片组件与涡壳之间；

进一步的，插入件一端为圆盘形状，为所述叶片组件中的叶片提供密封及轴向保护，与所述叶片组件中所述叶片的上端面之间存在间隙，防止因高温膨胀导致叶片卡滞，所述插入件另一端为圆筒形状，所述圆筒形状的外径小于所述涡壳出口流道内径，从而保证该圆筒可以插入涡壳圆筒形的排气孔中。

进一步的，间隔套位于所述喷嘴环与所述插入件之间，主要作用是为插入件提供支撑，保证插入件与喷嘴环之间的间隙。

进一步的，同步环具有与所述叶片组件中摇臂末端配合的凹槽，所述凹槽数量与所述叶片组件数量一致，用于驱动叶片摇臂同步运动。

本实用新型还公开了一种用于涡轮增压器的喷嘴环组件与涡壳之间的密封结构，包括轴向密封段和径向密封段两部分；

进一步的，所述轴向密封段位于所述插入件与涡壳之间形成的轴向间隙位置；

进一步的，所述轴向密封段的环形最小直径大于所述插入件的最小内径，以防止对排气形成干扰；所述轴向密封段的轴向最大高度大于所述插入件与涡壳之间的间隙高度，在装配后轴向密封段必须有一定量的弹性压缩变形，保证在任何工况下都要有弹性压缩量的存在，从而可以始终保持密封作用；

进一步的，所述轴向密封段在装配后具有弹性压缩变形，所述轴向密封段形状为V型、U型，以工艺容易实现为前提；

进一步的，所述径向密封段与所述轴向密封段连接在一起，成直角拐角状，所述径向密封段位于所述插入件与涡壳形成的轴向间隙区域；

进一步的，所述径向密封段包含一个向直径扩大方向的弧形凸起，所述弧形凸起的最大外径略大于密封位置的涡壳的最小直径，从而保证在装配完成后，径向密封段也是出于弹性压缩状态，使径向密封段内侧壁面贴靠插入件圆筒外壁面，使径向密封段外侧壁面贴靠涡壳排气圆筒内壁面，从而达到对径向间隙进行密封目的；

进一步的，所述密封结构为基本环形；

进一步的，所述密封结构采用耐高温材质，保证材质在最高废气温度下也有一定的弹性。该弹性结构生产工艺简单，由于具备双重密封效果，可以采用冲压成形工艺进行生产，并且对于尺寸的公差要求并不是特别的严格，易于装配。

在涡轮增压器的喷嘴环组件与涡壳之间的密封结构设计上，还存在第二种结构体现，其中轴向密封段与前面的机构相同，其径向密封段进行更改，径向密封段也采用与轴向密封段相同的结构形状，该结构同样可以达到前一种方案可以达到的效果。

在密封结构的设计上，为保证达到预期的密封效果，可以包含但不限于上述两种结构，可以使两个弧形凸起的结合，可以是两个U型/V型的结合，也可以是两种不同形状的结合，以满足密封的前提下，工艺容易实现为选择前提。

本实用新型的技术方案上，针对涡轮增压器的喷嘴环组件与涡壳之间的密封结构设计，改变或修改密封结构的尺寸和轴向密封段、径向密封段的形状均可以实现本实用新型技术方案的效果。

在本实用新型技术方案中，密封结构包含的轴向密封段和径向密封段两部分，其中轴向密封段提供轴向间隙密封，径向密封段提供径向间隙密封，两部分成基本直接形状，安装于插入件圆筒与涡壳排气圆筒的拐角处；在密封结构的两部分中起关键作用的密封位置可以是U型，可以是V型，可以是弧形，但是都有相同的特征，参与密封的两端尺寸要大于间隙尺寸，保证在任何工况下密封结构都有弹性压缩状态，即密封结构始终充满间隙。

在本实用新型的较佳实施方式中，涡轮增压器的喷嘴环组件与涡壳之间的密封结构设计上，在轴向密封段设计中采用了U型设计，轴向密封段位于所述插入件与涡壳之间形成的轴向间隙位置，轴向密封段的环形最小直径略大于插入件的最小内径，防止了对排气形成干扰，轴向密封段的轴向最大高度大于所述插入件与涡壳之间的间隙高度，装配后，轴向密封段具有弹性压缩变形，保证在任何工况下弹性压缩量都存在，始终保持密封作用。径向密封段与轴向密封段连接在一起成直角拐角状，径向密封段位于插入件与涡壳形成的轴向间隙区域，径向密封段包含一个向直径扩大方向的弧形凸起，弧形凸起的最大外径略大于密封位置的涡壳的最小直径，从而保证在装配完成后，径向密封段也是出于弹性压缩状态，使径向密封段内侧壁面贴靠插入件圆筒外壁面，使径向密封段外侧壁面贴靠涡壳排气圆筒内壁面，从而达到对径向间隙进行密封目的。

在本实用新型的另一替代方案中，涡轮增压器的喷嘴环组件与涡壳之间的密封结构设计上，在轴向密封段设计中采用了U型设计，径向密封段也采用与轴向密封段相同的结构形状，同样具有较佳实施例中的密封效果。

本实用新型技术具有的有益效果如下：

1、该密封结构兼顾了轴向间隙密封和径向间隙密封，相比于现有活塞环密封方案和单一密封方案，密封效果更好；

2、相比于活塞环密封方案，该专利方案结构简单，无需对涡壳或插入件进行额外的加工处理，成本更低。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本实用新型的一个较佳实施例的可变喷嘴涡轮增压器涡端剖面示意图；

图2是本实用新型的一个较佳实施例的喷嘴环组件结构示意图；

图3是本实用新型的一个较佳实施例的叶片组件结构示意图；

图4是本实用新型的一个较佳实施例的密封结构装配位置剖面示意图；

图5是本实用新型的一个替代方案的可变喷嘴涡轮增压器涡端剖面示意图；

图6是本实用新型的一个替代方案的密封结构剖面示意图。

具体实施方式

如图1所示,具有可变喷嘴环组件的涡轮增压器涡端包括设置在涡壳2内的涡轮1，涡壳2的环形流道接受来自发动机的废气，环形的可变喷嘴环组件4设置在涡轮增压器流道与涡轮1之间，将涡壳流道内的废气引导吹向涡轮1，并且可以调整气流吹向涡轮1的角度，调节涡轮1的做功效率。涡轮1将带动同轴的压轮机对发动机进气压缩做功。密封结构3位于环形的可变喷嘴环组件4与涡壳2之间，可以有效降低泄漏量，并且工艺简单，成本较低。

如图2所示，较佳实施例的喷嘴环组件4主要包括插入件401、叶片组件402、间隔套403、喷嘴环404、同步环405等零部件。叶片组件402数量为11个，这 11个叶片组件具有相同的形状和尺寸，各叶片组件装配完成后首尾相连，通过前一个叶片组件尾端与后一个叶片组件的前端之间的开度控制通过的废气量及废气角度；喷嘴环404是喷嘴环组件4的基础结构，喷嘴环404在周向开设计了11个周向的轴向贯通的用于叶片安装的孔，孔的直径略大于叶片转动轴大径段的直径，为叶片提供旋转支撑，另外，在每个孔轴线与喷嘴环轴线之间都有一个轴向贯通的、并且与孔相连接为一起的摇臂安装槽，摇臂安装槽的两个壁面平行，并且两个壁面宽度略大于叶片摇臂同方向的两个壁面的宽度，并且摇臂安装槽的长度略小于叶片摇臂的长度，以保证转动轴与安装孔同轴并且摇臂安装槽壁面与摇臂壁面平行时，叶片组件402刚好可以穿过叶片安装孔与摇臂安装槽的贯通的空腔。插入件401 位于叶片与涡壳2之间，其中，一端圆盘部分为叶片提供密封及轴向保护，并且与叶片的上端面之间有一定的间隙，防止因高温膨胀导致叶片卡滞。插入件401另一端设计为圆筒状，圆筒外径小于涡壳出口流道内径，从而保证该圆筒可以插入涡壳圆筒形的排气孔中。间隔套403位于喷嘴环404与插入件401之间，主要作用是为插入件401提供支撑，保证插入件401与喷嘴环404之间的间隙。同步环405上具有11个凹槽，可以与叶片摇臂末端配合，用于驱动叶片摇臂同步运动。

如图3所示，较佳实施例的叶片组件402包括叶片4021、摇臂4022以及转动轴4023，叶片组件402整体采用一体制作生产，简化工艺，降低成本。

如图4所示，密封结构3为基本环形，具体位于插入件401与涡壳2之间，密封结构3分为两部分，轴向密封段301和径向密封段302。轴向密封段301恰好位于插入件401与涡壳2之间形成的轴向间隙位置，轴向密封段301的环形最小直径要大于插入件401的最小内径，以防止对排气形成干扰；轴向密封段301的轴向最大高度要略大于插入件401与涡壳2之间的间隙高度，在装配后轴向密封段301 必须有一定量的弹性压缩变形，并且要保证在任何工况下都要有弹性压缩量的存在，从而可以始终保持密封作用，轴向密封段301形状是U型。径向密封段302 与轴向密封段301连接在一起，成直角拐角状，径向密封段302位于插入件401 与涡壳2形成的轴向间隙区域，其中，径向密封段302含有一个向直径扩大方向的弧形凸起，该弧形凸起的最大外径略大于密封位置的涡壳的最小直径，从而保证在装配完成后，径向密封段302也是出于弹性压缩状态，使径向密封段302内侧壁面贴靠插入件401圆筒外壁面，使径向密封段302外侧壁面贴靠涡壳排气圆筒内壁面，从而达到对径向间隙进行密封目的。该弹性垫采用耐高温材质，保证材质在最高废气温度下也有一定的弹性。该弹性垫生产工艺简单，由于具备双重密封效果，采用冲压成形工艺进行生产，并且对于尺寸的公差要求并不是特别的严格，易于装配。

图5及图6是另一替代方案的可变喷嘴涡轮增压器涡端剖面示意图及密封结构剖面示意图，在密封结构设计上采用了另一种结构体现，其中轴向密封段与较佳实施例的结构相同，其径向密封段进行了更改设计，径向密封段也采用与轴向密封段相同的结构形状，该结构同样可以达到前一种方案可以达到的效果。

当然，在密封结构的设计上，包含但不限于上述两种结构，可以是两个弧形凸起的结合，可以是两个U型/V型的结合，也可以是两种不同形状的结合，以满足密封的前提下，工艺容易实现为选择前提，均具有良好的密封效果。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。