专利名称：带有叶片密封环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机的涡轮增压器，在该涡轮机中，可移动叶片的阵列被设置在该涡轮机的喷嘴内，用以调整进入该涡轮机的废气流。
背景技术：
废气驱动的涡轮增压器是ー种与内燃发动机联合使用用于通过压缩被输送到发动机的空气进气ロ而与燃料混合并在发动机内燃烧的空气而提高发动机功率输出的装置。涡轮增压器包括压缩机轮和涡轮机轮，压缩机轮在压缩机壳体内安装到轴的一端上，而涡轮机轮在涡轮机壳体内安装到该轴的另一端上。通常，涡轮机壳体相对于压缩机壳体単独地形成，并且还有另ー个中间壳体被连接在涡轮机壳体和压缩机壳体之间，用于容纳用于该轴的轴承。涡轮机壳体限定了大致环形的腔，该腔围绕涡轮机轮并且接收来自发动机的废气。涡轮机组件包括从该腔通向涡轮机轮的喷嘴。废气从该腔通过该喷嘴流向涡轮机轮， 并且涡轮机轮被该废气驱动。因此涡轮机从废气提取能量并驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的进ロ接收环境空气，并且该空气被压缩机轮压缩并且然后被从该壳体排放到发动机空气进气ロ。用于涡轮增压器提高发动机性能中的挑战之ー是在发动机的整个发动机运行范围上都实现期望量的发动机功率输出。已经发现，用固定几何形状的涡轮增压器通常不能轻易地实现该目标，并且因此已经开发了可变几何形状的涡轮增压器，目的是提供对由涡轮增压器提供的增压量的更大程度的控制。一种类型的可变几何形状涡轮增压器是可变喷嘴涡轮增压器(VNT)，其包括在涡轮机喷嘴中的可变叶片阵列。这些叶片枢转地安装在喷嘴中并且被连接到使这些叶片的设定角度能被改变的机构。改变这些叶片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，并且由此流向涡轮机轮的废气流可通过控制叶片位置而被调整。用这种方式，可以调节涡轮机的功率输出，这允许以比通常用固定几何形状涡轮增压器所能达到的程度更大的程度来控制发动机功率输出。一种这样的可变喷嘴组件包括大致环形的喷嘴环，其支撑叶片阵列。这些叶片枢转地安装到喷嘴环并且被连接到可旋转致动环，从而致动环的旋转使叶片旋转从而调节流向涡轮机轮的废气流。该组件还可包括插入件，该插入件具有筒形部分和喷嘴部分，该筒形部分被密封地接收在涡轮机壳体的圆孔内，喷嘴部分基本径向地从筒形部分的一端向外延イ申，喷嘴部分与喷嘴环轴向间隔开从而叶片在喷嘴环和喷嘴部分之间延伸。插入件的喷嘴部分和喷嘴环被刚性地连接到彼此，从而保持插入件的喷嘴部分和喷嘴环之间的固定轴向间隔。上述可变喷嘴组件是有效的，但还要寻求更进ー步的改进。
发明内容
具体地，潜在改进的ー个方面涉及叶片和由喷嘴环和插入件的喷嘴部分(或者在不采用插入件的涡轮增压器中，由涡轮机壳体的壁)形成的喷嘴壁之间的密封。典型的可变喷嘴组件被构造成使得在叶片端部和邻近的喷嘴壁之间存在间隙，从而叶片能被枢转而不受壁约束。减少间隙的宽度会导致涡轮机性能的改进，这是因为更少的废气会从该间隙漏棹。此时，挑战变成为如何减少间隙的大小而不损害叶片的枢转能力。本发明通过提供如下涡轮增压器解决了上述需求并实现了其它的优点，该涡轮增压器具有可变喷嘴组件，包括
压缩机壳体和压缩机轮，压缩机轮安装在压缩机壳体内并连接到可旋转轴；以及涡轮机壳体和涡轮机轮，涡轮机轮安装在涡轮机壳体内并连接到该可旋转轴，涡轮机壳体限定了围绕涡轮机轮的腔，该腔用来接收来自发动机的废气并将废气通过从该腔大致径向通向内部的喷嘴提供到涡轮机轮；
中间壳体，其连接在压缩机壳体和涡轮机壳体之间；
固定安装的喷嘴环，其具有相対的第一和第二面，该喷嘴被限定在第二面和相对壁之间，第二面具有形成在其内的环形凹部，喷嘴环具有多个周向间隔开的轴承孔，每ー个轴承 孔都轴向地从第一面延伸入该凹部，并且喷嘴环具有多个连通孔，每个连通孔都从第一面延伸入该凹部从而将邻近第一面的废气连通入该凹部；
叶片密封环，其以浮动方式设置在喷嘴环的凹部内，叶片密封环基本上是平坦的并且大小设置成基本上填满该凹部；以及
多个叶片，其设置在喷嘴中，并且每一个叶片具有近端和远端，多个转轴被连接到这些近端并且被接收在喷嘴环的轴承孔内且能在轴承孔内旋转，叶片密封环邻近叶片的近端，其中叶片密封环具有多个容纳叶片的转轴的开ロ ；
其中，邻近喷嘴环的第一面的废气基本上被滞留并且因此处于比在喷嘴环的第二面附近流过喷嘴的废气更高的压力，邻近第一面的废气被通过连通孔连通从而推着叶片密封环使其靠在叶片的近端。叶片密封环被该环两侧的压差推着靠在叶片的端部，从而減少或者封闭了在叶片的近端处的任何间隙。有利地，叶片的转轴被设置在喷嘴环的轴承孔内，使得转轴能在这些孔内轴向滑动。因此，当叶片S封环被推着Φ在叶片的近端时，叶片冋样被轴向推动，从而叶片的远端紧密地邻近或者抵接喷嘴的相对壁，由此减少或封闭在远端处的任何间隙。
因此在概括地描述了本发明之后，现在參照附图，这些附图不一定是按比例绘制的，其中:
图I是根据本发明实施例的具有可变喷嘴组件的涡轮增压器的截面 图2是根据本发明实施例的可变喷嘴组件的剖开的立体 图3示出了图2的放大部分；
图4是根据本发明实施例的涡轮增压器部分剖开的不完整的立体图；以及 图5是根据本发明实施例的叶片密封环的平面图。
具体实施例方式现在将參照附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的一些但非全部的实施例。实际上，这些发明可以多种不同的形式被实施，因此不应该被理解为被限制到本文公开的实施例；更确切地说，提供这些实施例是为了使本公开满足能实现的法律要求。所有附图中同样的附图标记指示同样的元件。根据本发明一个实施例的涡轮增压器100示出在图I中。该涡轮增压器包括涡轮机，该涡轮机包括涡轮机壳体110和涡轮机轮112，涡轮机轮112安装在涡轮机壳体中并连接到可旋转轴114以与其一起旋转。涡轮机壳体限定了围绕涡轮机轮的腔116以接收废气，并且还有喷嘴118，其从所述腔基本上径向地向内通向涡轮机轮。涡轮机壳体还限定了轴向延伸圆孔120，通过该圆孔废气在经过涡轮机轮后被排放。涡轮增压器还包括压缩机，压缩机包括压缩机壳体130和压缩机轮132，压缩机轮132安装在压缩机壳体内并连接到可旋转轴114以与其一起旋转。中间壳体140被连接在压缩机壳体130和涡轮机壳体110之间。可旋转轴114穿过中间壳体，该中间壳体支撑用于该轴的轴承142。涡轮增压器还包括可变喷嘴组件150，其包括插入件160，插入件160具有被接收 在涡轮机壳体的圆孔120中的筒形部分162并具有从该筒形部分的一端基本上径向向外延伸的大致环形的喷嘴部分164。可变喷嘴组件150还包括与喷嘴部分164轴向间隔开的大致环形的喷嘴环170，和叶片180阵列，叶片180围绕着喷嘴环周向间隔开并且可旋转地安装到喷嘴环，使得这些叶片的设定角度可变以用于调节流向涡轮机轮的废气流。喷嘴环170被刚性地固定到喷嘴部分164，例如通过刚性间隔件166 (图4)，间隔件166在这些部件之间延伸并保持它们之间的固定的轴向间隔。涡轮机壳体110包括与中间壳体140的凸缘144相対的大致环形凸缘111。涡轮机壳体凸缘111和中间壳体凸缘144具有相对的轴向面向的表面，这些表面被形成阶梯使得存在径向靠外的一对相对表面和径向靠内的一对相对表面。大致环形的保持环190的径向靠外部分被设置并被夹紧在靠内的那对相对表面之间。弾性密封环192被设置并被轴向压在靠外的那对相对表面之间。在示出的实施例中，密封环192具有基本上U形的截面，该截面被定向成使得U的开ロ侧径向向内面向。不过，可以使用密封环的其它构造。保持环190的径向靠内部分接合喷嘴环170的面向轴向下游的表面并且由此限制喷嘴环170能沿下游方向(即，朝向图I中的右側)轴向移动的范围。弹簧元件194被设置在喷嘴环170的径向靠内部分和中间壳体140的一部分之间，弹簧元件194在图示的实施例中还构成热护板。热护板194是薄板金属部件，其由弾性金属构成，并且热护板具有非平坦的构造，使得热护板在被轴向压缩时起弹簧元件的作用。热护板大体上是环形的并具有径向靠外部分，该径向靠外部分被接合抵靠在喷嘴环170的面向轴向上游的表面上；还具有径向靠内部分，其被接合抵靠在中间壳体140的面向轴向下游的表面上。热护板被轴向压缩在这些表面之间。弹性的可径向压缩的定位环196被设置在喷嘴环170的面向径向内部的表面和中间壳体140的面向径向外部的表面之间，并且被接合抵靠在上述面向内部和面向外部的表面上从而相对于中间壳体径向地定位喷嘴环。定位环包括大体环形的本体，该本体具有大体C形的截面，从而限定了径向靠外的支腿和径向靠内的支腿，径向靠外的支腿接合抵靠在喷嘴环170的面向径向内部的表面，而径向靠内的支腿接合抵靠在中间壳体140面向径向外部的表面。
根据本发明，并參照图2-4，喷嘴环170具有第一面172和第二面174。第二面174轴向地面向插入件160的喷嘴部分164，并且大体上是平面的，除了在该第二面内形成的环形构造的凹部176。凹部176具有底壁176b和两个相对的侧壁176s。底壁176b大体上是平面的并且基本上平行于喷嘴环的第二面174，并且轴向地与第二面174间隔距离d (称为凹部的“深度” d)。两个侧壁176s都大体上是圆柱形的、同心表面，这些表面基本上垂直于底壁176b并以径向距离.. /%叶片密封环200被设置在凹部176中。叶片密封环200是大体上平坦的环，其大小被设置成基本上填满凹部176。S卩，环200具有厚度t，该厚度基本上等于凹部176的深度山使得环200和喷嘴环的第二面174基本上彼此平齐。而且，环200的径向范围比在凹部的侧壁176s之间的径向距离J;vjヽ一定的间隙量，该间隙量确保环200能在该凹部中沿轴向方向自由地移动或“浮动”。叶片180具有近端182和相对的远端184。叶片的近端182被刚性地固定到大体上圆柱形的转轴186 (图I)。喷嘴环170包括轴承孔175 (图1)，轴承孔175轴向延伸通过喷嘴环170。在图示的实施例中，轴承孔175被定位成使得它们延伸通过凹部的底壁176b。叶片的转轴186松配合地穿过轴承孔175，其松配合度足够适于允许 转轴绕它们的轴线旋转并且还允许在轴承孔内轴向滑动，但是转轴和轴承孔之间的间隙小到足以基本上固定转轴的旋转轴线的轴向取向。如图5中所示，叶片密封环200包括容纳转轴186的开ロ 202。在图示的实施例中，开ロ 202是该环的径向靠内边缘中的顶部缺ロ切除部。替换地，开ロ可以是该环的径向靠外边缘中的顶部缺ロ切除部，或者可以是形成为穿过该环的孔，如果该环具有足够的径向厚度以允许这样的话。转轴186具有远端，该远端从轴承孔175向外伸出并超过喷嘴环的第一面172。叶片臂188刚性地连接到转轴186的远端。叶片臂具有相対的自由端，自由端接合设置在喷嘴环的第一面172附近的齐动环210。齐动环210基本上与喷嘴环同轴，并且通过合适的致动器(未示出)致动能绕其轴线旋转。齐动环沿ー个方向的旋转引起叶片臂188沿使叶片180朝向其打开位置的方向枢转；齐动环沿另ー个方向的旋转使叶片朝向其关闭位置枢转。喷嘴环170还具有多个连通孔178，每个连通孔178都从第一面172延伸入凹部176以将邻近第一面172的废气连通入该凹部。如图I中所示，在喷嘴环的第一面172和中间壳体140的表面之间限定了空间S (并且也部分地由保持环190限定)。废气存在于空间S内，这由于完全密封该空间实际上是不可能的，但是该空间中的废气基本上被滞留(即，不运动)。因为空间S中的总(滞留)压和喷嘴118中的总压实质上是相等的，所以空间S中的废气的静压大于流过喷嘴118的废气的静压。凹部176通过连通孔178与空间S流体连通，并且还与流过喷嘴118的废气流体连通。因此，在叶片密封环200的面对凹部176的底壁176b的面和该叶片密封环的基本上与喷嘴环170的第二面174平齐的相对面之间存在流体压差。该流体压差沿朝向插入件160的喷嘴部分164的轴向方向在叶片密封环200上施加力。这使叶片密封环200被推动抵靠在叶片的近端182，由此减少或封闭邻近这些近端的任何间隙。另外，由于转轴186在喷嘴环的轴承孔175内可轴向滑动，叶片密封环200朝着插入件160的喷嘴部分164推动叶片180，使得叶片的远端184紧密地邻近或者抵接喷嘴部分164，由此减少或封闭邻近远端的任何间隙。有利地，叶片密封环200可由不锈钢、陶瓷或者能承受暴露于高温废气的其它材料制成。当该环是不锈钢时，该环的外表面可被处理(例如，通过气体氮化等)以减小该环和叶片180的端部的摩擦。同样，插入件160的面对叶片的远端184的表面也可被处理以减
小摩擦。对基本上按照前面描述构造的涡轮增压器的测试已经表明浮动的叶片密封环200能显著地改进运行中发动机的涡轮机效率，其中该益处在低发动机速度时尤其显著。在受益于在前面的描述和附图中给出的教导后，本文中公开的发明所属技术领域的技术人员能够想到对本文公开的发明的许多改变和这些发明的其它实施例。因此，应当理解，这些发明并不限制于所公开的具体实施例，并且上述改变和其它实施例也被认为包 含在所附权利要求的范围内。虽然在本文中采用的具体的术语，但是它们仅是在通用的且描述性的意义下被使用，并非是用于限制目的。
权利要求
1.一种具有可变喷嘴组件的涡轮增压器，包括 压缩机壳体和压缩机轮，压缩机轮安装在压缩机壳体内并连接到可旋转轴；以及涡轮机壳体和涡轮机轮，涡轮机轮安装在涡轮机壳体内并连接到该可旋转轴，涡轮机壳体限定了围绕涡轮机轮的腔，该腔用来接收来自发动机的废气并将废气通过从该腔大致径向通向内部的喷嘴提供到涡轮机轮； 中间壳体，其连接在压缩机壳体和涡轮机壳体之间； 固定安装的喷嘴环，其具有相对的第一和第二面，该喷嘴被限定在第二面和相对壁之间，第二面具有形成在其内的环形凹部，喷嘴环具有多个周向间隔开的轴承孔，每一个轴承孔都轴向地从第一面延伸入该凹部，并且喷嘴环具有多个连通孔，每个连通孔都从第一面延伸入该凹部从而将邻近第一面的废气连通入该凹部； 叶片密封环，其以浮动方式设置在喷嘴环的凹部内，叶片密封环基本上是平坦的并且大小设置成基本上填满该凹部；以及 多个叶片，其设置在喷嘴中，并且每一个叶片具有近端和远端，多个转轴被连接到这些近端并且被接收在喷嘴环的轴承孔内且能在轴承孔内旋转，叶片密封环邻近叶片的近端，其中叶片密封环具有多个容纳叶片的转轴的开口； 其中，邻近喷嘴环的第一面的废气基本上被滞留并且因此处于比在喷嘴环的第二面附近流过喷嘴的废气更高的压力，邻近第一面的废气被通过连通孔连通从而推着叶片密封环使其靠在叶片的近端。
2.如权利要求I的涡轮增压器，还包括 多个叶片臂，这些叶片臂分别刚性地固定到所述转轴，每个叶片臂都具有自由端；和 齐动环，其定位成与所述喷嘴环同轴，其中所述齐动环的一个面与所述喷嘴环的所述第一面相对，所述齐动环接合所述叶片臂的自由端并且能绕所述喷嘴环的轴线旋转从而枢转所述叶片臂，由此以齐动的方式枢转所述叶片。
3.如权利要求I的涡轮增压器，其中所述叶片密封环中的开口包括形成在该叶片密封环的径向外边缘和径向内边缘中之一中的顶部缺口切除部。
4.如权利要求I的涡轮增压器，其中与所述喷嘴环的第二面一起形成所述喷嘴的所述相对壁包括相对于所述涡轮机壳体单独地形成的插入件的喷嘴部分，所述插入件具有连接到所述喷嘴部分的筒形部分，所述筒形部分被接收在形成于所述涡轮机壳体中的轴向圆孔中。
5.如权利要求4的涡轮增压器，其中所述转轴在所述轴承孔内能轴向移动，使得被推着抵靠在所述叶片的近端的所述叶片密封环促使所述叶片的远端被推着抵靠在所述插入件的所述喷嘴部分。
6.如权利要求4的涡轮增压器，其中所述喷嘴环被刚性地连接到所述插入件的喷嘴部分。
7.如权利要求6的涡轮增压器，还包括热护板，其被压在所述喷嘴环和所述中间壳体之间，从而所述热护板在所述可变喷嘴组件上施加轴向定向的偏置力。
8.如权利要求7的涡轮增压器，还包括保持环，其具有接合抵靠在所述中间壳体的面向轴向下游的表面上的径向靠外部分和接合抵靠在所述喷嘴环的面向轴向下游的表面上的径向靠内部分，所述保持环抵抗着由所述热护板施加的偏置力而推着所述喷嘴环。
9.如权利要求7的涡轮增压器，其中所述热护板包括薄板金属部件，其大体上是环形的并且具有接合抵靠在所述喷嘴环的面向轴向上游的表面上的径向靠外部分和接合抵靠在所述中间壳体的面向轴向下游的表面上的径向靠内部分。
10.如权利要求9的涡轮增压器，还包括弹性的可径向压缩的定位环，其设置在所述喷嘴环的面向径向内部的表面和所述中间壳体的面向径向外部的表面之间，并且接合抵靠所述面向径向内部和径向外部的表面从而相对于所述中间壳体径向地定位所述喷嘴环。
11.如权利要求10的涡轮增压器，其中所述定位环包括大体环形的本体，该本体具有大体C形的截面，从而限定了径向靠外的支腿和径向靠内的支腿，径向靠外的支腿接合抵靠在所述喷嘴环的面向径向内部的表面，而径向靠内的支腿接合抵靠在所述中间壳体的面向径向外部的表面。
12.一种用于涡轮增压器的可变喷嘴的喷嘴环组件，所述喷嘴环组件包括 喷嘴环，其具有相对的第一和第二面，第二面具有形成在其内的环形凹部，喷嘴环具有多个周向间隔开的轴承孔，每一个轴承孔都轴向地从第一面延伸入所述凹部用以容纳叶片的转轴，并且喷嘴环具有多个连通孔，每个连通孔都从第一面延伸入该凹部从而将邻近第一面的废气连通入所述凹部；和 叶片密封环，其以浮动方式设置在所述喷嘴环的凹部内，叶片密封环基本上是平坦的并且大小设置成基本上填满所述凹部。
13.一种用于涡轮增压器的可变喷嘴组件，包括 插入件，其具有适于被接收在涡轮机壳体的轴向圆孔内的筒形部分并具有大体上环形的喷嘴部分，喷嘴部分连接到所述筒形部分的一端并从该一端径向延伸出来； 喷嘴环，其固定地连接到所述插入件，所述喷嘴环具有相对的第一和第二面，第二面与所述插入件的喷嘴部分相对，第二面具有形成在其内的环形凹部，喷嘴环具有多个周向间隔开的轴承孔，每一个轴承孔都轴向地从第一面延伸入所述凹部，并且喷嘴环具有多个连通孔，每个连通孔都从第一面延伸入该凹部从而将邻近第一面的废气连通入所述凹部； 多个叶片，每一个叶片具有近端和远端，多个转轴被连接到这些近端并且被接收在喷嘴环的轴承孔内且能在轴承孔内旋转；和 叶片密封环，其以浮动方式设置在所述喷嘴环的凹部内，所述叶片密封环基本上是平坦的并且大小设置成基本上填满该凹部，所述叶片密封环邻近所述叶片的近端，所述叶片密封环具有多个容纳所述叶片的转轴的开口。
全文摘要
本发明涉及带有叶片密封环的涡轮增压器可变喷嘴组件。可变喷嘴涡轮增压器包括涡轮机壳体和中间壳体，和大体上环形的喷嘴环和可旋转地安装到所述喷嘴环的叶片阵列，使得叶片可围绕它们的轴线被枢转以调节流向涡轮机轮的废气流。叶片在喷嘴环和喷嘴的相对壁之间延伸。轴向浮动的叶片密封环被设置在形成于所述喷嘴环的邻近所述叶片的近端的面中的环形凹部内。叶片密封环由废气压差推向叶片的近端，并且叶片因此被推向相对的喷嘴壁，从而所述叶片的远端接近或抵接所述壁，导致在叶片的近端和远端处的间隙的减小或封闭。
文档编号F01D17/16GK102828785SQ20121019595
公开日2012年12月19日 申请日期2012年6月14日 优先权日2011年6月15日
发明者E.塞韦兰, P.巴泰勒 申请人:霍尼韦尔国际公司