专利名称：用于废气涡轮机的密封式轴组件的制作方法
技术领域：
本文所公开的主体总体地涉及用于内燃机的涡轮机械，特别是涉及用于轴的密封 机构。
背景技术：
传统的涡轮增压器通常包括可控的特征，比如存在于高温环境(例如，可能超过 1000华氏度或538摄氏度)中的排放废气门或可变几何形状涡轮机。为了控制这些特征， 轴通常置于外壳的孔内，其中轴的一端暴露于高运行温度的环境下，而轴的另一端暴露于 低运行温度的环境下。此温差使轴在孔内的密封变得复杂。具体地，在轴的一侧暴露于废 气的情况下，废气的泄漏是通常发生的问题。本文所描述的各种示范性实施例可减少用于控制至少部分地存在高温环境下的 特征的控制部件(比如轴)周围的气体泄漏。
对本文所描述的各种方法、设备、系统和布置等以及等效方式的更完整理解可通 过参考结合附图得到描述的以下详细描述获得，其中图1是涡轮增压器和内燃机的示意图；图2是可变几何形状涡轮机组件的顶视图和横截面视图；图3是包括废气门的涡轮机外壳的侧视图和顶视图；图4是示范性密封轴组件的一系列视图；图5是应力参数和应力方程以及轴衬的一系列示意图；图6是示范性组件的横截面视图；以及图7是示范性组件的横截面视图。
具体实施例方式涡轮增压器经常用来增加内燃机的动力输出。参考图1，动力系统100包括内燃机 110和涡轮增压器120。内燃机110包括发动机缸体118，该缸体118容纳一个或多个可操 作地驱动轴112的燃烧室。进气口 114提供压缩进气到发动机缸体的流动路径，而排气口 116提供废气离开发动机缸体118的流动路径。涡轮增压器120用来从废气中抽取能量并 将能量提供给进气。如图1所示，涡轮增压器120包括空气入口 130、轴122、压缩机级124、涡轮机级 126和废气出口 134。这种涡轮增压器可包括一个或多个可变几何形状单元，该可变几何 形状单元可使用多个可调节叶片、可调节的扩散器截面、废气门(参见，例如图3的废气 门340)或其它特征以控制废气流(参见，例如图2的可变几何形状涡轮机组件200)或 控制进气流(例如，可变几何形状压缩器)。如此处所描述的，示范性涡轮增压器可包括 Honeywell 涡轮技术涡轮增压器的特征(例如，比如GTB1446VZ模型或其他模型的可变几何形状模型)。通常地，涡轮机级1 包括容纳在涡轮机外壳(参见，例如图3的涡轮机外壳326) 内的涡轮机轮(参见，例如图2的轮202)，并且压缩机级IM包括容纳在压缩机外壳内的压 缩机轮，其中，涡轮机外壳和压缩机外壳直接或间接地连接到中心外壳121。中心外壳121 通常容纳一个或多个可转动地支撑轴122的轴承，任选地，该轴122是多部件轴。图2示出了示范性组件200的俯视图，该组件200包括各种涡轮机级126部件、中 心外壳121、可变几何形状控制器250，该控制器250可操作地连接到发动机控制单元。也 示出了各种部件的横截面视图。在图2的示例中，组件200包括示范性密封轴270。如下面 更详细地描述，密封轴270将外控制臂262和内曲柄臂280互连。在可变几何形状涡轮机的此示例中，多个叶片210改变由涡轮机外壳204和环形 喷嘴环220限定的环形流动截面的几何形状。叶片210的环形布置、涡轮机外壳204和环 形喷嘴环220限定多个喷嘴，该喷嘴用于自至少部分地由涡轮机外壳204限定的蜗壳到涡 轮机轮202的废气通道。尽管该示例包括11片叶片，其它示例可包括不同数目的叶片，或 者如已经提及的，使用不同的机构来改变会聚流动截面(例如，向涡轮机轮径向地会聚)的 几何形状。每个叶片210支撑在轴222上，这就形成了用于该叶片的转动轴线。轴222固定 地连接到叶片210并自叶片210延伸。叶片转动轴线的纵向延伸在外壳204的大体上平坦 的表面和环形喷嘴环220之间。因此，叶片210绕它们各自的转动轴线是可枢转的，轴220 相对于其叶片是枢转，并且转动轴线大体上平行于涡轮机轮202的转动轴线。叶片210显示为具有细长的泪珠或楔形形状。叶片210的前缘被定向成向着上游， 迎着在环形流动截面中的废气流。各叶片210的后缘向着下游，并且轴222置于前缘和后 缘之间。叶片222的细节仅是示例性的，因为可以使用具有其他适合形状的叶片。各叶片210由其轴222连接到叶片臂224。轴222到其叶片臂224的连接是固定 的(例如，焊接、轨道式铆接等)，以致叶片210、叶片轴222以及叶片臂作为单元一起移动。 各叶片臂2M包括限定眼孔的扩大内端，该眼孔用于接收轴222。由此，臂2M连接到叶片 210的中间部分。各叶片臂2M包括将叶片臂的内端连接到其圆形外端球突的叶片臂轴。同度环230包括多个凹穴，其中每个凹穴容纳叶片臂的外端球突。凹穴允许外端 球突的一些运动(比如，转动)，但是也在一定程度上固定外端球突。至于组件200的不同部件之间的合作，在此示例中，喷嘴环220安装在涡轮机外壳 204和中心外壳121或中心外壳121的部件206之间，该部件206可能是背板。0-环或其 他的密封部件212、213可用来形成喷嘴环220和其他部件(例如，涡轮机外壳204和背板 206)之间的密封件。一旦同度环230绕其轴线旋转，就调节叶片210，该轴线通常与涡轮机轮202的转 动轴线重合。更具体地，由于叶片臂2M通过它们在凹穴内的可移动接合而可枢转地连接 到同度环，同度环230的旋转允许叶片210的转动位置被调节。通过调节叶片210的转动 位置，调整环形流动截面内的通道面积。例如，通过在使叶片220与涡轮机轮202的切线方 向对准的方向上移动叶片210而减小通道面积。反之，通过在使叶片210与涡轮机轮202 的径向方向对准的方向上移动叶片210而增加通道面积。通过叶片210的移动，改变流动 (例如，压力、速度、流率)。流动的改变，进而可影响涡轮机性能和发动机性能。因此，叶片210可调节成优化发动机性能。至于可变几何形状涡轮机的控制，在图2的示例中，叶片210被可操作地连接到同 度环230的曲柄机构控制。曲柄机构包括可操作地连接到控制单元的控制杆255、可操作地 连接到互连式密封轴270的控制臂沈0以及可操作地连接到密封轴270的曲柄臂观0。曲 柄臂280可操作地连接到同度环230。在图2的示例中，控制臂260平移而引起密封轴270 的运动，这就使曲柄臂280运动，从而引起同度环230和叶片210的转动。用来控制图2的可变几何形状涡轮机部件的控制器250可包括处理器和存储器， 其中，存储器存储在控制中使用的信息，以启动控制，提高诊断(例如，黑匣子)等。在图2 的示例中，控制器250包括致动器(例如，真空致动器、电子致动器、液压致动器等)，以移 动控制杆255，其中控制杆255的移动致使环形流动截面的几何形状变化(例如，通过叶片 210的移动)。控制器250任选地包括位置传感器以便于控制或确定叶片位置。例如，在叶 片位置不易由致动器推断出来的场合，位置传感器可用来检测控制部件的位置(例如，控 制杆255、控制臂沈0、密封轴270、曲柄臂观0、同度环230、叶片210等)，从而确定叶片位 置。在图2的横截面视图中，密封轴270显示为延伸在两种环境之间，其中一种环境比 另一种环境的操作温度高(即Tl > TO)。因而，在图2的装置的操作期间，密封轴270暴露 于温度梯度下。如本文所描述的，较高的温度环境指可与废气直接接触的废气环境，而较低 的温度环境指的是通常不与废气直接接触的大气或空气环境。图3示出了包括涡轮增压器中心外壳321和具有废气门380的涡轮机外壳3 的 示范性组件300。废气门380可操作地连接到密封轴370，该密封轴370在涡轮增压器操作 期间，暴露于具有温度Tl的废气环境下和具有温度TO的大气或空气环境下，其中Tl > TO。 密封轴370可操作地连接到控制臂360，该控制臂360可操作地连接到控制杆350。控制杆 355的致动致使废气门380相对于开口 340被定位，该开口 340提供到涡轮机轮空间345的 废气旁通通道。在图2和图3的示例中，已知废气在置于轴孔(延伸在废气环境和空气环境之间) 内的轴周围泄漏。对于传统的密封轴。单件式轴衬通常用来在置于轴孔内的轴周围产生密 封。随着轴直径减少，这种方法趋于变得效果更差。更小的直径具有操作优势，尤其是对于 最小化滞后现象(例如，需要在一个方向转动轴的力不同于在相反方向转动轴所需的力)。用于密封小直径轴的特殊问题涉及密封环(比如，活塞环)。具体地，随着环直径 的减少，弹性问题变得愈发成为问题。例如，所需的活塞环材料的弹性度可使为生产目的不 能使用活塞环。换句话说，通常用于构造活塞环的材料具有的弹性通常适于更大的直径。这 种材料通常不能为具有小直径的活塞环提供足够的弹性。图4示出了示范性密封轴组件470。组件470包括装配有密封部件490的轴471， 该部件490包括衬套492、轴衬494和任选的密封环496。轴471被连接到控制臂460和连 接的(例如，任选地一体成形的)曲柄臂480。在图4的示例中，轴471包括对立端472、478，以及在末端472、478之间设置的头 部473、密封环座部474、过渡部475和销部476。头部473具有外直径(Dh)，该 大于销部 476 (Dp)的外直径，而密封环座部的外直径(Ds)小于头部473的外直径，并大于销部476的 外直径(即Dh > Ds > Dp)。
密封部件490示出为具有不同的尺寸。衬套492包括外直径Dsq和内直径Dsi，轴 衬494包括外直径Dbq和内直径Dbi，密封环496包括外直径Dskq和内直径Dski。在组件470中，衬套492的内直径Dsi适当地匹配到销的外直径DP。密封环496 的内直径Dski适当地匹配到座部474的外直径Ds，轴衬494的内直径A适当地匹配到头部 473的外直径Dh，密封环496的外直径Dsiffl和衬套492的外直径DS()。此外，轴衬494的外直 径Dm适当地匹配到孔的内直径。如本文所述的，适当的匹配消除了间隙，其可还消除了温 度变化和材料属生(例如，弹性，蠕变等)。图5示出了包括自由直立缺口 “A”的示范性轴衬510。轴衬510具有轴向长度 “W”，径向厚度“t”、外自由直立直径“D”和杨氏模量‘ ”。当置于圆筒520周围时，轴衬510 由其自由直立形状变形。装配时产生的缺口标注为“B”，其大于自由直立缺口“A”。这就导 致所谓的“装配应力”。装配应力可有方程530估计，其取决于自由直立缺口 “A”和“拉伸” 缺口 “B”之间的差以及径向厚度“t”、自由直立外直径“D”、用于构造(例如，如处理过的) 的材料的杨氏模量“E”和常数“K”。装配应力可损害活塞环，尤其是在D/t的比率变小时。注意的是，比率D/t出现在 方程的分母中并被平方。因此，当D/t减少时(例如，对于小活塞环是典型的)，最大装配应 力增加。例如，对于传统的可变几何形状涡轮机组件，密封环可具有大约6毫米的直径“D”、 大约0. 8毫米至大约1毫米的径向厚度。在此示例中，D/t比率大约为6，并且最大的装配 应力是显著的。为了克服此类问题，示范性密封轴组件实现了依赖衬套和轴衬的多部件途径。再 次参考图4的组件470，衬套492设置在轴471的销部476上，然后轴衬494安装在衬套492 之上。衬套492可以是连续的圆筒，或者可以具有缺口(参见，例如图5的轴衬510)。当 轴衬494装配在轴471的宽头部473的周围时，相对于组件470的部件而言，它维持大的直 径。此外，由于它具有延伸贯穿轴471的有效长度的轴向长度，它具有“更多材料”以吸收 任何装配应力，并保持有效以将轴471密封在孔内(例如，考虑到小OD框架内的更大部件 以及任选地构造材料的更宽选择)。如本文所描述的，示范性密封轴组件可任选地使用不同于对于汽车活塞环米说所 依赖的构造材料(例如，不同于传统的钢活塞环材料)的一种或多种构造材料。示范性的 构造材料可具有小于传统密封环的杨氏模量，该传统密封环用于密封暴露于两种不同的环 境下(例如，废气环境和空气环境)的轴。示范性方法包括提供轴；任选地将密封环置于轴上；将衬套置于轴的销部之上； 将轴连接到臂；将轴衬置于衬套的至少一部分之上以形成密封轴组件；经由孔的一端将密 封轴组件插入孔内；并将另一个臂在孔的对立端连接到轴。在这种方法中，可在置放轴衬之 前或之后将轴连接到臂。如本文所描述的，轴衬可接触一个臂或两个臂。轴向尺寸可由一个臂的表面和另 一个臂的表面限定，其中，轴衬具有大约匹配该轴向尺寸的轴向长度。这种匹配可消除一个 或多个部件的热膨胀。例如，轴衬可具有对于最大温度先验确定的导热率和热膨胀。类似 的决定也可对轴以及任选地对具有目标孔的部件进行，该目标孔用于放置密封轴组件。。可 依赖这种计算以确定大气环境下的间隙。再进一步，衬套可设计成或从构造材料选择为具 有在涡轮增压器的运转期间确保足够密封的特性(例如，注意到衬套可被选择为具有特定的轴向膨胀或最小的轴向膨胀)。类似地，密封环，如果用作密封轴组件的一部分的话，可设 计成或从构造材料选择成具有在涡轮增压器的运转期间确保足够密封的特性。图6示出了置于部件606的孔607内的示范性密封轴组件670。密封轴组件670 包括轴671、衬套692、轴衬694和任选的密封环696。控制臂660在孔607的一端附近连接 到轴671，而曲柄臂680在孔607的对立端附近连接到轴。在该示例中，轴671的销部676暴露于废气环境下。这种方法减少了轴671与废 气环境直接接触的表面面积量。此外，这种方法将轴671的更多表面积与空气环境直接接 触。因此，可减少从废气到轴671的传热，同时可增加从轴671到空气中的传热。图7示出了置于部件706的孔707内的示范性密封轴组件。密封轴组件770包括 轴771、衬套792、轴衬794和任选的密封环796。控制臂760在孔707的一端附近连接到 轴671，而曲柄臂780在孔707的对立端附近连接到轴。在此示例中，轴771的轴向长度超 过轴衬796的轴向长度，而轴衬796的轴向长度超过衬套794的轴向长度。在图7的示例 中，密封环794坐落在轴771上，并且衬套792的轴向末端抵靠在密封环794上。一些间隙 可存在于(尤其是在大气环境下)轴771、密封环794和衬套792之间。此外，一些间隙可 存在于(尤其是在大气环境下)轴衬796和密封环794之间、轴衬796和衬套792之间，或 者在轴衬796和密封环794以及衬套792之间。在运行中，废气和其他热源(例如，摩擦) 增加温度和使密封轴组件770的各个部件膨胀。在膨胀状态下，示范性组件770意图在最 小化经由孔707的废气泄漏和最小化滞后量的同时允许了轴771的转动(例如，以移动曲 柄臂780)。本质上，在一个方向转动轴771所需的力的量应当大约等于在相反方向上转动 轴771所需的力的量。至于滞后量的最小化，该响应的一部分可能是由于相对于传统的孔 减小了孔707的直径以用于控制与涡轮增压器相关的废气侧部件(例如，可变几何形状、废 气门等)。如本文所描述的，示范性组件包括涡轮机(例如，用于涡轮增压器)的部件，该部 件包括延伸在部件的内废气侧和部件的外大气侧之间的孔；包括销部和头部的轴；置于轴 的销部上的衬套；轴衬，其置于衬套的至少一部分上和轴的头部的至少一部分上，其中，轴 衬使轴和衬套容纳在孔中。如本文所描述的，在涡轮增压器的运转期间，轴、衬套和轴衬限 制自部件的内废气侧到部件的外大气侧的废气流动。示范性密封轴组件可任选地包括置于轴的头部和衬套之间的环。这种环可包括缺 口。如本文所描述的，一个或多个部件可包括缺口。例如，轴衬可包括缺口，衬套可包括缺口等。如参考图6的示例所描述的那样，在示范性组件中，轴的自销部到头部的轴线可 在自部件的内废气侧到部件的外大气侧的方向上对准。这种对准可用来减少传递到销部的 传热。可备选地，例如如图7所示，轴的自销部到头部的轴线可在自部件的外大气侧到部件 的内废气侧的方向上对准。如本文所描述的，轴可任选地具有小于大约10毫米的直径。如本文所描述的，用于可变几何形状涡轮机的示范性底座包括延伸在部件的废气 侧和底座的大气侧之间的孔；配置成控制可变几何形状涡轮机的几何形状的轴，其中，轴包 括销部和头部；置于轴的销部上的衬套；轴衬，其置于衬套的至少一部分上和轴的头部的 至少一部分上，其中，轴衬使轴和衬套容纳在孔内。在包括该组件的涡轮增压器的运转期 间，轴、衬套和轴衬限制经由孔的废气的流动。这种组件可包括连接到轴的废气侧的曲柄臂，连接到轴的大气侧的控制臂，或同时包括所述曲柄臂和控制臂。这种组件可进一步包括 置于轴的头部和衬套之间的环。如本文所描述的，示范性方法可包括提供用于可变几何形状涡轮机的底座，该底 座包括延伸在部件的废气侧和底座的大气侧之间的孔；将衬套置于轴的销部上；将轴衬置 于衬套和轴的头部上；将轴衬、衬套和轴插入孔内；将曲柄臂连接到轴；并将控制臂连接到 轴(例如，移动控制臂以转动轴，从而移动曲柄臂)。这种方法可进一步包括在将衬套置 于轴的销部上之前，将环置于轴上。尽管一些示范性方法、装置、系统、布置等已经在附图中得到图示并在以前的具体 实施方式中得到描述，应当理解的是，所公开的示范性实施例不是限制性的，而是在不脱离 附加权利要求提出和限定的精神的情况下，能实现多种再布置、改型和替换。
权利要求
1.一种组件，包括涡轮增压器的部件，其包括延伸在该部件的内废气侧和该部件的外大气侧之间的孔； 包括销部和头部的轴； 置于该轴的销部上的衬套；轴衬，其置于该衬套的至少一部分上和该轴的头部的至少一部分上； 其中该轴衬使该轴和该衬套容纳在该孔中；以及其中在运转期间，轴、衬套和轴衬限制自该部件的内废气侧到该部件的外大气侧的废气流。
2.如权利要求1所述的组件，进一步包括置于轴的头部和衬套之间的环。
3.如权利要求2所述的组件，其中所述环包括缺口。
4.如权利要求1所述的组件，其中所述轴衬包括缺口。
5.如权利要求1所述的组件，其中所述衬套包括缺口。
6.如权利要求1所述的组件，进一步包括曲柄臂，所述曲柄臂连接到该轴。
7.如权利要求1所述的组件，进一步包括控制臂，所述控制臂连接到该轴。
8.如权利要求1所述的组件，其中所述轴包括配置成调节可变几何形状涡轮机的轴。
9.如权利要求1所述的组件，其中所述轴包括配置成调节废气门的轴。
10.如权利要求1所述的组件，其中所述轴的自销部到头部的轴线在自该部件的内废 气侧到该部件的外大气侧的方向上对准。
11.如权利要求10所述的组件，其中所述轴的对准减少了传递到销部的传热。
12.如权利要求1所述的组件，其中所述轴的自销部到头部的轴线在自该部件的外大 气侧到该部件的内废气侧的方向上对准。
13.如权利要求1所述的组件，其中所述轴包括小于大约10毫米的直径。
14.一种用于可变几何形状涡轮机的底座，包括 延伸在部件的废气侧和该底座的大气侧之间的孔；配置成控制可变几何形状涡轮机的几何形状的轴，其中，所述轴包括销部和头部； 置于该轴的销部上的衬套；以及轴衬，其置于该衬套的至少一部分上和该轴的头部的至少一部分上，其中，所述轴衬使 该轴和该衬套容纳在该孔中；并且其中，在运转期间，轴、衬套和轴衬限制经由该孔的废气 流。
15.如权利要求14所述的底座，进一步包括连接到该轴的废气侧的曲柄臂。
16.如权利要求14所述的底座，进一步包括连接到该轴的大气侧的控制臂。
17.如权利要求14所述的底座，进一步包括置于该轴的头部和该衬套之间的环。
全文摘要
本发明涉及用于废气涡轮机的密封式轴组件。一种示范性组件，包括涡轮增压器的部件，该部件包括延伸在部件的内废气侧和部件的外周围侧之间的孔；包括销部和头部的轴；置于轴的销部上方的衬套；以及轴衬，其置于衬套的至少一部分上之上和轴的头部的至少一部分之上。在包括这种组件的涡轮增压器的运转期间，轴、衬套和轴衬限制自部件的内废气侧到部件的外周围侧的废气流量。同时也公开了各种其他的示范性装置、组件、方法等。
文档编号F02B37/12GK102052099SQ20101060062
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月9日 优先权日2009年11月10日
发明者A·格拉尔, G·迪厄多内, J·卡斯坦, L·图森 申请人:霍尼韦尔国际公司