双流涡轮机壳体式涡轮增压器的制造方法
【专利摘要】本披露的多个实现方式针对用于涡轮增压器系统的涡轮机组件。在一些实现方式中，涡轮机壳体包括：一个本体，该本体限定了用于与一个流体源进行流体连通的一个入口、以及一个壁，该壁将该入口分为一个内入口和一个外入口；以及被布置在该壳体内的一个流体引导组件，该流体引导组件包括多个叶片，这些叶片在该壳体内界定了一个内蜗壳和一个外蜗壳，该内蜗壳是与该内入口处于流体连通的并且该外蜗壳是与该外入口处于流体连通的，该多个叶片中的每个叶片相对于径向方向以一个相应角度而固定，该多个叶片将流体流动从该外蜗壳引导至该内蜗壳。
【专利说明】双流涡轮机壳体式涡轮增压器
[0001]领域
[0002]本发明涉及涡轮增压并且更具体地涉及用于涡轮增压器的双流式涡轮机。
[0003]背景
[0004]涡轮增压器典型地包括联接至一个安装的可旋转轴的第一端上的一个涡轮机以及联接至该轴的第二端上的一个压缩机。一般该压缩机包括一个由压缩机壳体封装的压缩机叶轮，并且该涡轮机一般包括一个由涡轮机壳体封装的涡轮机叶轮。在使用过程中，内燃发动机产生的排气被用于驱动该涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮进而对该压缩机叶轮提供动力。该压缩机提高进入发动机中的空气的压力，而使得与用自然吸气发动机时总体上可能的情况相比，可以提供更大量的氧气来用于燃烧(这种效果对于通常需要超过化学计量极限的空气-燃料比进行清洁燃烧的柴油发动机而言是尤其有利的)。这种由压缩机提供的压力升高通常被称为“增压”。
[0005]涡轮机包括涡轮机壳体，涡轮机壳体被设计用于容纳涡轮机叶轮并且用于将排气流动引入涡轮机叶轮。在一些高负荷(例如，高发动机速度)情况下，如果未加检查，则被提供至涡轮机叶轮的流动排气的能量会迫使压缩机产生比发动机可以安全承受的更大的增压。这种情况被称为“过增压”。
[0006]传统地，过增压是通过提供排气旁路或“废气门”来抑制的。该废气门被设计成通过将流动排气的一部分转向离开涡轮机来限制提供至涡轮机叶轮的能量(即，废气旁通)。然而，配备有废气门的涡轮增压器通常是针对低流量条件(例如，低的负荷或发动机速度的条件)确定大小的，从而需要在额定功率下或额定功率附近进行显著的废气旁通。在额定功率下进行废气旁通通常导致燃料经济性差，因为质量流动通过量的损失必须通过涡轮机上的膨胀比的增加来抵消。因此，涡轮机上游的压力升高，这导致了发动机的泵送损失增加。
[0007]近来，已经使用可变涡轮机几何形状(VTG)来抑制过增压(VTG还可以用于产生驱动排气回到进气歧管所必须的相反压力梯度，这是被称为“EGR”的柴油机排放策略)。VTG使用被布置在涡轮机壳体中的一组可移动叶片来控制增压，这是通过改变涡轮机壳体的内部空间的几何形状，由此调节被引入涡轮机叶轮的流动排气的压力。尽管有效，但VTG通常是非常复杂的并且需要错综复杂的控制系统。小的移动部件、传感器和控制器的个数使得它们比其他涡轮增压器更昂贵并且更难以维护。
[0008]不断在寻求对于更有效的、有成本效益的并且对低负荷和高负荷情况均提供了足够增压控制的适应性的涡轮增压器的改进。
[0009]概述
[0010]在一些方面，本发明的实现方式包括用于涡轮增压器的一种涡轮机壳体。在一些实现方式中，一个涡轮机壳体包括:一个本体，该本体限定了用于与一个流体源进行流体连通的一个入口、以及一个壁，该壁将该入口分为一个外入口和一个内入口；以及被布置在该壳体内的一个流体引导组件，该流体引导组件包括多个叶片，这些叶片在该壳体内界定了一个内蜗壳和一个外蜗壳，该内蜗壳是与该内入口处于流体连通的并且该外蜗壳是与该外入口处于流体连通的，该多个叶片中的每个叶片相对于径向方向以一个相应角度而固定，该多个叶片将流体流动从该外蜗壳引导至该内蜗壳。
[0011]在一些方面，该流体引导组件进一步包括被紧固至该本体上的一个引导板。在一些方面，这些叶片各自被紧固至该引导板上。在一些方面，这些叶片各自是与该引导板一体成型的。
[0012]在一些方面，这些叶片中的至少一个是相对于该涡轮机叶轮的径向中心以一个选定角度定位的。在一些方面，该选定角度是在约30°与约80°之间。在一些方面，该选定角度是在约40°与约70°之间。在一些方面，该选定角度是在约50°与60°之间。在一些方面，这些叶片各自都是以该选定角度定位的。在一些方面，该选定角度包括一个第一选定角度，并且至少一个其他的叶片是相对于该涡轮机叶轮的径向中心以一个第二选定角度定位的。在一些方面，该选定角度是由延伸经过一个涡轮机叶轮开口的中心点和该叶片的中心点的一条径向线、和延伸经过该叶片的中心点和该叶片的后缘的一条线来测量的。
[0013]在一些方面，这些叶片被定位成用于提供相对于涡轮机叶轮的流体流动入射角。在一些方面，该入射角为最大约10°。
[0014]在一些方面，各叶片的相应角度被提供用于抑制该叶片上的流体流动分离。
[0015]在一些方面，这些叶片中的至少一个包括一个不对称的翼型叶片。
[0016]在一些方面，该入口包括一个内部流体通路和一个外部流体通路，并且该内部流体通路是与内蜗壳处于流体连通的。
[0017]在一些方面，该壳体进一步包括用于调节该外入口与外蜗壳之间的流体连通的一个阀组件，该阀组件包括一个闸门，该闸门在用于抑制流体流动穿过该外入口的一个完全关闭位置与用于使得流体能够流动穿过该外入口的一个完全打开位置之间是可移动的。在一些方面，这些叶片的相应角度是约60°，是从延伸经过一个涡轮机叶轮开口的中心点和该叶片的中心点的一条径向线、和延伸经过该叶片的中心点和该叶片的后缘的一条线来测量的，并且这个闸门被定位为在80%开度提供该涡轮增压器的峰值效率。在一些方面，这些叶片的相应角度是约55°，是从延伸经过一个涡轮机叶轮开口的中心点和该叶片的中心点的一条径向线、和延伸经过该叶片的中心点和该叶片的后缘的一条线来测量的，并且这个闸门被定位为在80%开度提供该涡轮增压器的峰值效率。在一些方面，这些叶片的相应角度是约50°，是从延伸经过一个涡轮机叶轮开口的中心点和该叶片的中心点的一条径向线、和延伸经过该叶片的中心点和该叶片的后缘的一条线来测量的，并且这个闸门被定位为在约100%开度提供该涡轮增压器的峰值效率。
[0018]在一些方面，涡轮增压器包括如在此披露的壳体的多个实现方式。
[0019]在一些方面，提供了用于制造涡轮增压器壳体的方法的多个实现方式。在一些方面，一种方法包括:形成该本体，该本体限定了用于与一个流体源进行流体连通的一个入口、以及一个壁，该壁将该入口分为一个内入口和一个外入口 ；组装该流体引导组件，该流体引导组件包括多个叶片，这些叶片各自是相对于径向方向以一个相应角度固定的；并且将该流体引导组件紧固在该本体内，使得该多个叶片在该壳体内界定一个内蜗壳和一个外蜗壳，该内蜗壳是与该内入口处于流体连通的并且该外蜗壳是与该外入口处于流体连通的，该多个叶片是可操作的以便将流体流动从该外蜗壳引导至该内蜗壳。
[0020]在以下的附图以及说明书中说明了本发明的一个或者多个实现方式的细节。本发明的其他特征和优点将从说明书和附图、以及权利要求中变得清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是一个用于涡轮增压器系统的示例性涡轮机组件的透视图。
[0022]图2是图1的示例性涡轮机组件的截面视图。
[0023]图3是包括导向叶片的示例性涡轮机组件的透视图。
[0024]图4A是包括导向叶片的图3的流体弓丨导组件的平面视图。
[0025]图4B是图4A的平面视图的一部分，示出了在这些导向叶片上的流体流动。
[0026]图5A是不包括导向叶片的图3的导向板的平面视图。
[0027]图5B是一个示例性导向叶片的透视图。
[0028]图6A是包括一体形成的导向叶片的第二种示例性导向板的正面透视图。
[0029]图6B是图6A的导向板的背面透视图。
[0030]图7A是图1的示例性涡轮机组件的截面视图，描绘了第一种示例性流体流动。
[0031]图7B是图1的示例性涡轮机组件的截面视图，描绘了第二种示例性流体流动。
[0032]图8是一个示例性模块式导向板的平面视图。
[0033]图9A是图8的模块式导向板的正面透视图。
[0034]图9B是图8的模块式导向板的背面透视图。
[0035]图10是图8的模块式导向板布置在图1的涡轮机组件中的一个截面视图。
[0036]图1lA是包括被安排为对数型卷筒(logarithmic scroll)安排的导向叶片的一个示例性模块式导向板的平面视图。
[0037]图1lB是包括导向叶片和分流叶片的一个示例性模块式导向板的平面视图。
[0038]在不同附图中的相似参考号指示相似的元件。
[0039]详细说明
[0040]本发明的实现方式总体上是针对用于涡轮增压器系统的涡轮机组件，这些涡轮增压器系统包括一种双蜗壳安排以用于选择性地提供多个流体流动路径来驱动一个涡轮机叶轮。具体而言，本披露的实现方式包括多个导向叶片，这些导向叶片被布置在一个涡轮机壳体内以便界定一个内蜗壳和一个外蜗壳。这些导向叶片将流体流动从该外蜗壳引导至该内蜗壳、并且最终弓I导至该涡轮机叶轮。在一些实现方式中，这些导向叶片被设计和定位成用于在该涡轮机叶轮处提供所希望的入射角，以便抑制在这些导向叶片上的流体流动分离和/或提供这些导向叶片之间的所希望的节流面积。
[0041]图1是一个示例性涡轮机组件100的透视图，而图2是该示例性涡轮机组件100的截面视图。该涡轮机组件100可以是一个涡轮增压器系统或一个涡轮增压器套件的一个部件。例如，该涡轮机组件100可以提供用于一个涡轮机叶轮102的一个适当包壳(在图2中示意性地描绘出)。如在此使用的，一个部件可以作为单一部件或者作为彼此联接的具有不同的规则或不规则形状的部件的组合来提供。在图1和图2的实例中，该涡轮机组件100被配置成用于将加压流体(例如，燃烧发动机排放产物)的流动引向该涡轮机叶轮102。更具体地，该涡轮机组件100包括在下文进一步详细描述的一个或多个物理特征(例如，表面、构件、结构等等)，这些物理特征被形成、定位和/或安排成用于将进入该壳体中的加压流体的流动引向该涡轮机叶轮102。流体可以包括一种液体、气体、蒸气、和/或其任何混合物或组合。
[0042]该涡轮机组件100包括一个本体104，该本体支撑了 一个入口阀组件106和一个引导组件108 二者。在使用过程中，该本体104联接到一个流体源(例如，联接到发动机上的排气歧管)上，该流体源提供加压流体的流动。该本体104可以通过直接连接或通过一个或多个物体或部件之间的间接连接(例如，一个或多个介入连接)而联接到该流体源上。当该加压流体流进入本体104的内部空间中时，入口阀组件106调节穿过一个入口的一个或多个部分的流体流量。该引导组件108将该加压流体的流动从该入口引向涡轮机叶轮102。
[0043]在一些实现方式中，本体104可以具有多种规则或不规则形状。例如，本体104的多个部分可以是直的、弯曲的或二者的组合形式。因此，本体104可以提供为具有任何适当的形状或大小。例如，如图所示，本体104是不规则形状的，包括基本上直的和弯曲的表面二者。另外在这个实例中，本体104被适当地确定大小以用于布置在辆机动车辆的发动机舱内。本体104包括一个内表面110和一个外表面112，这些表面限定了本体104的一个或多个部分。总体上，本体104可以由包括一种或多种材料的一种物质构成，这些材料对于燃烧发动机的典型排放产物是在化学上非常惰性的。
[0044]在一些实现方式中，该内表面110和/或外表面112可以包括一个涂层，该涂层对于燃烧发动机的典型排放产物是在化学上非常惰性的。在一些实现方式中，该内表面110和外表面112包括一个或多个粗糙化的和/或基本上光滑的部分。例如，内表面110可以包括一个或多个光滑部分以便限制流经本体104的内部空间的加压流体所经历的任何摩擦性压力损失(例如，水头损失)。在一些实例中，外表面112包括一个或多个粗糙化的部分以用于在本体104上提供增大的冷却作用。例如，这些粗糙化的部分可以促进在流过外表面112上的冷却流体(例如，空气、油等等)中的紊流，由此增大该冷却流体与本体104之间的热交换速率。
[0045]如图所示,本体104包括一个流体入口 114、一个流体出口 116、一个联接元件118、一个阀隔室120、以及一个内部空间122，这些的细节在下文中描述。在所展示的实例中，流体入口 114使得由该流体源提供的加压流体流能够进入该本体的内部空间122中。例如，该加压流体流可以穿过在流体入口 114中限定的一个开口 124。这个开口 124可以包括一种适当的形状(例如，圆形的、椭圆形的、多边形的，或包括直边缘与弯曲边缘的组合形式)并且具有适当的大小(例如，面积)以便使得该加压流体流能够以选定的流速进入内部空间122中。
[0046]流体入口 114分开而提供了一个内入口 126和一个外入口 128。内入口 126由一个内壁130的外表面以及一个分隔壁132的内表面界定(参见图2)。外入口 128由该分隔壁132的外表面以及该内表面110所界定。如图所示，内入口 126与本体104的一个内蜗壳158处于流体连通，并且外入口 128与本体104的一个外蜗壳160通过该入口阀组件106的操作而处于选择性流体连通，如在下文更详细讨论的。内蜗壳158和外蜗壳160各自可以提供为一个螺旋形或扭曲的通路、导管、或外罩，以用于容纳并引导一个流体流。在所展示的实例中，内入口 126与本体104的内蜗壳相结合地提供了朝向涡轮机叶轮102的、用于该加压流体流的一个主要路径。除了该主要路径之外，外入口 128与外蜗壳160相结合地提供了朝向涡轮机叶轮102的、用于该加压流体流的一个补充路径。如图所示，界定内入口和外入口 126、128的该内表面和外表面包括与内蜗壳158和外蜗壳160的曲率相匹配的一个曲率，由此限制了流向涡轮机叶轮102的加压流体所经历的水头损失。
[0047]流体入口 114可以联接或连接到该流体源上，而使得流体入口 114和该流体源是处于彼此流体连通的。流体入口 114进一步包括用于将流体入口 114连接到该流体源上的一个凸缘134。该凸缘134包括多个孔口 136，这些孔口接收一个或多个机械紧固件(未示出)以便将流体入口 114连接到该流体源上。这些机械紧固件将两个或更多元件联接在一起并且可以包括螺栓、销钉、铆钉、线、焊接以及这样元件的任何组合。
[0048]流体出口 116使得该流体流能够在驱动涡轮机叶轮102之后离开该内部空间122。例如，排出的流体流可以穿过由该流体出口 116所限定的一个开口。这个开口可以包括一种适当的形状(例如，圆形的、椭圆形的、多边形的，或包括直边缘与弯曲边缘的组合)和大小以便使得排出的流体流能够离开内部空间122。如图1中所示，该联接元件118被提供为一个轴向凸起。该联接元件118可以包括多个外部特征，这些外部特征可以与一个排出部件的互补特征相接合。在一些实例中，该联接元件118被配置成用于围绕其保持一个或多个密封元件(例如，金属垫片、O形环垫片等等)，以用于密封一个排出部件并且抑制该流体流排放到大气中。
[0049]如图2中所示，该阀隔室120限定了一个内部空间142，该内部空间包括一种适当的形状和大小以用于接收该入口阀组件106的一个或多个部件。在所展示的实例中，该内部空间142具有足够的大小而使得该入口阀组件106能够在一个关闭位置与一个完全打开位置之间被致动。一个打开位置可以包括使得流体流能够穿过该外入口 128并且进入外蜗壳160中的任何阀位置。该关闭位置包括穿过该外入口 128的流体流动受阻断的一个阀位置。当入口阀106处于该关闭位置中时，外蜗壳160与外入口 128隔开，并且通向外蜗壳160的流体流动受到抑制。当入口阀106处于一个打开位置中时，外蜗壳160是与外入口128处于流体连通的。入口阀106可以在该关闭位置与该完全打开位置之间进行调节以便将穿过外入口 128的流体流量从一个最小流体流量调整至一个最大流体流量。阀隔室120包括一个凸缘(未示出)，该凸缘具有多个孔口 144，这些孔口接收一个或多个紧固件(未示出)以用于将该入口阀106连接并可旋转地支撑在阀隔室120内，如在下文更详细讨论的。
[0050]内部空间122可以包括一种适当的形状和大小以用于接收该涡轮机叶轮102和流体引导组件108。在所展示的实例中，内部空间122还被适当地成型以增大该流体引导组件108将流体流从流体入口 114引向涡轮机叶轮102的能力。例如并且如图2中所示，内部空间122包括一个朝涡轮机叶轮102延伸的卷筒形的截面。
[0051]该入口阀组件106包括一个基板148、一个连杆150以及一个闸门152。该基板148被固定地联接到本体104上并且为入口阀106的一个或多个构件提供了结构基础。在所展示的实例中，基板148被组装在阀隔室120的该凸缘上并且通过使用由这些孔口 144所接收的机械紧固件146而被固定地连接到本体104上。连杆150提供了闸门152与基板148之间的机械链接。例如，连杆150的第一部分被联接至基板148上并且连杆150的第二部分被联接至闸门152上。在这个实例中，连杆150包括可旋转地安装至基板148上的一个轴(例如，经由一个或多个套管、轴承等等)。闸门152的一端被联接至该轴上，这样使得转动该轴对该闸门赋予了一种铰接运动(参见图2)。闸门152用作流体穿过外入口 128而进入外蜗壳160中的一种结构手段。例如，当入口阀106处于关闭位置中时，闸门152被定位成横亘外入口 128，由此抑制或防止了穿过外入口 128的流体流动。当入口阀106被调节到一个打开位置中时，闸门152移动离开外入口 128以便使得流体流能够穿过该外入口 128(参见图2)。该入口阀106可以从该关闭位置调节到多个打开位置。在一个或多个打开位置中，穿过外入口 128的流体流动至少部分地受到抑制；并且在一个或多个其他的打开位置中(例如，完全打开位置)，穿过外入口 128的流体流动基本上不受抑制。对入口阀106的调节可以通过操作性联接至该连杆150上的一个致动器(未示出)来完成。该致动器可以通过任何适当的源(例如，机械连杆、电流、液压流体压力、和/或气动压力)来操作。
[0052]闸门152的位置可以在相对于完全打开位置(100%开度)和完全关闭位置(0%开度)而言的百分比开度的意义上来提供。该位置可以包括该完全打开位置(100%开度)与完全关闭位置(O%开度)之间的无数个位置。在完全打开位置(100%开度)与完全关闭位置(0%开度)之间的示例性位置可以包括20%开度、50%开度和80%开度。
[0053]该入口阀106在使用过程中调整穿过该流体入口 114的一个或多个部分的流体流量。更确切地说，入口阀106被配置成选择性地调整穿过该外入口 128的流体流量。在所展示的实例中，入口阀106是处于完全关闭位置(0%开度)中，从而阻断了穿过该外入口 128的流体流动。在某些情况下，可能希望的是调整撞击在涡轮机叶轮102上的流体的流速(例如，为了防止过增压)。这个流速可以通过如下方式进行调整:将入口阀106调节到一个打开位置(例如，>0%开度)，由此通过允许一部分的流体流经由外入口 128所提供的一个补充路径来对本体104所提供的流动放宽总体限制。因此，涡轮机叶轮102上游的压力可以实质性地降低。这种膨胀比的降低可以导致涡轮机叶轮102做功的减少，这限制了由该涡轮增压器提供给发动机的增压。这个流速还可以通过如下方式进行调整:将入口阀106从一个打开位置(例如，20%开度、50%开度等等)调节至一个至少部分关闭的位置(即，t匕之前的阀位置的开度小的任何阀位置)。关小该入口阀106可以增大流动限制和涡轮机做功二者，从而导致由该增压器提供的增压的增大。
[0054]现在参见图3-4B，提供了流体引导组件108的透视图和平面视图。该流体引导组件108被配置成用于将该流体的流动从该流体入口 114引向涡轮机叶轮102。更具体地，该流体引导组件108包括在下文进一步详细描述的一个或多个部件，这些部件被形成、定位和/或安排成用于将流体引向该涡轮机叶轮102。在所展示的实例中，该流体引导组件108包括一个引导板154a以及多个作为导向叶片156a提供的流体引导构件。该流体引导组件108联接到本体104上，使得这些导向叶片156a被布置在内部空间122中。如图2中所示，这些导向叶片156a分隔了该内部空间的一部分从而限定了内蜗壳158和外蜗壳160 (参见图2)。
[0055]图5A是引导板154a的一个平面视图。该引导板154a可以包括一种适当的形状和大小以用于按选定的构型来安装和固定这些导向叶片156a。例如，并且如所描绘的，引导板154a是以一个曲线板的形式提供的，该曲线板限定了一个开口 162和多个键槽164。如所示的，开口 162是圆形的并且具有足以接收该涡轮机叶轮102的大小。这些键槽164接收这些导向叶片156a的多个部分，使得这些导向叶片156a以选定的取向被可旋转地固定至该引导板154a上。在所展示的实例中，这些键槽164包括多个非圆形的开口以用于抑制这些导向叶片156a的旋转运动。这些键槽164相对于从开口 162的中心161获取的一个半径159而言歪斜地安排在引导板154a中。也就是说，这些键槽164是相对于开口 162的中心161沿螺旋形路径163安排的。因此，当这些导向叶片156a被固定在这些键槽164中时，这些导向叶片156a是相对于径向方向而言歪斜地、沿着该螺旋形路径163安排的。如在下文更详细讨论的，导向叶片156a的这种选定取向可以包括相对于从开口 162的中心161出发的半径159而言的一个选定角度。
[0056]图5B是一个导向叶片156a的透视图。该导向叶片156a包括联接至一个叶片本体168上的一个叶片柱166。该叶片柱166可以通过任何已知的方法(例如,焊接、粘合等等)而联接至该叶片本体168上。替代地，在一些实现方式中，叶片柱166和叶片本体168是作为单一部件(例如，通过铸造)而形成的。叶片柱166包括一种适当的形状和大小以用于固定地布置在一个键槽164内。在所展示的实例中，叶片柱166的下端具有适当的形状和大小以便压力配合到一个键槽164中。在一些实例中，该叶片柱被配置成用于承受住由于流体流过叶片本体168的流体承载表面而遭遇的严重弯曲或剪切应力。叶片柱166包括一个内凸缘170和一个外凸缘172，以用于分散在使用过程中由叶片本体168施加在叶片柱166上的荷载。在一些实例中，跨过叶片本体168限定了一个通道174，以便对于该流体流提供沿着叶片本体168的纵向方向的一个无阻挡的流体路径。在一些实现方式中，该通道174由侧轨来延伸，以抑制在这些导向叶片156a周围的加压流体的泄漏。
[0057]继续参考图5B，叶片本体168包括内部流体承载表面176、外部流体承载表面178、侧表面180、前缘182和后缘184。叶片本体168的几何形状(例如，厚度、拱度等等的组合)被提供用于实现使用过程中特定的流体流动特征。例如，叶片本体168可以具有不对称的翼型形状，以减少流体流动中的寄生损失。当入口阀106处于打开位置中时，翼型导向叶片也可以提供用于从外蜗壳160流动至内蜗壳158的流体的顺畅汇合。进一步，在所展示的实例中，叶片本体168的几何形状被提供用于抑制来自内部和外部流体承载表面176、178的流体的流动分离。在一些实现方式中，该内部和外部流体承载表面176、178包括光滑的表面以便抑制流体的流动分离。
[0058]如以上说明的，并且在一些实现方式中，这些导向叶片156a可以作为与引导板154a分开的部件形成并且可以随后联接到其上。然而，图6A和6B展示了，在一些其他的实例中，导向叶片156b可以与一个引导板154b—体地形成。也就是说,该引导板154b和这些导向叶片156b可以作为单一部件形成。如图6A和6B中所不,该引导板154b和这些导向叶片156b是类似于引导板154a和导向叶片156a而构型的。这些导向叶片156b可以类似于导向叶片156a来构造并且可以至少包括一个内部流体承载表面、一个外部流体承载表面、一个前缘和一个后缘。将该引导板154b和这些导向叶片156b形成为一个单一的一体件可能是有利的。例如，以这种方式形成该引导板和这些导向叶片可以通过消除这些部件之间的连接点而抑制或防止结构故障。作为另一个实例，可以提高制造效率并且可以降低成本，因为已经完成将导向叶片组装到引导板上。
[0059]下面将讨论这些导向叶片的具体特征和/或这些导向叶片相对于彼此的安排、以及流体流动特征。在一些情况下并且举例而言，参考了导向叶片156a。在一些情况下并且同样举例而言，参考了导向叶片156b。在一些情况下并且同样举例而言，参考了导向叶片156c(图8-12B)。然而应了解的是，这些导向叶片特征和流体流动特征能适用于包括导向叶片156a、导向叶片156b和/或导向叶片156c的安排。[0060]再次参见图2-4A，这些导向叶片156a将该内部空间122的一部分分隔成内蜗壳158和外蜗壳160。在所展示的实例中，这些导向叶片156a被定位成卷筒状的形式(例如，对数型卷筒)。如所示的，这些导向叶片156a被定位成使得，在导向叶片156a的后缘184与下一个导向叶片156a的前缘182之间限定了相应的喉部区域186a_186f (参见图4A)。在一些实例中，这些导向叶片156a被定位成使得，这些喉部区域186a-186f各自的大小是相同的。以这种方式，可以基于发动机运行条件来调谐该涡轮机组件100，以便实现某些希望的流动特征和/或效率，如下文更详细描述的。这些导向叶片156a是相对于涡轮机叶轮102的径向方向188而言歪斜地安排在引导板154a上(参见图2和4A)。径向方向188从涡轮机叶轮102的中心点161或旋转轴线延伸。这些导向叶片156a被安排为相对于径向方向188以及导向叶片156a的中心线190成一个选定角度α。在所展示的实例中，该中心线190在叶片柱166的中心点与后缘184之间延伸。在一些实例中，每个导向叶片156a是与相隔一个的另一个导向叶片156a以相同的叶片角度α安排的。在其他实例中，每个导向叶片156a是分别以与其他导向叶片156a的叶片角度不同的叶片角度α安排的。这个或这些叶片角度α可以经选择以实现所希望的流动特征。例如，这个或这些叶片角度α可以建立流体流动的入射角(如下文中详细讨论的)和/或建立喉部区域186a_f的大小。
[0061]这些导向叶片156a还可以被定位成用于形成相应的重叠区域187a_f。这些重叠区域187a-187f可以限定这些喉部区域186a_186f的长度、通过抑制(或甚至防止)内蜗壳与外蜗壳158、160之间的“窜绕”而帮助限制通向内蜗壳158的流体流动。例如，如图4B中所示，这些重叠区域187a-187f可以抑制流经内蜗壳158的流体穿过叶片之间的喉部区域而进入外蜗壳160中。
[0062]这些导向叶片156a将流体流引导至涡轮机叶轮102并且提供所希望的流体流动特征。这个或这些叶片角度α可以被选择成，使得该流体流从内入口 126、相对于涡轮机叶轮102以一个特定的入射角被引向涡轮机叶轮102 (即，该流体接触一个涡轮机叶片的面时所处的角度)。该入射角可以确定该加压流体流驱动一个特定的涡轮机叶轮的效率如何。例如，该涡轮机叶轮的设计可以确定最佳入射角。因此在一些实例中，通过选择适合的叶片角度而以该最佳入射角来将流体流引导至涡轮机叶轮，可以实现高的涡轮机叶轮效率。具体而言，与具有较大入射角的流体流相比，具有较小入射角的流体流将具有较大的切向分量。当以较高叶片角度α安排这些导向叶片156a时，入射角将低于以较低叶片角度α安排这些叶片时的情况。
[0063]对于一个特定的涡轮机叶轮，每个叶片角度α都可以在一种或多种运行条件下提供一个最佳入射角(一些叶片角度α仅在一种运行条件下可以提供最佳入射角)。这样，可能有利的是将这些导向叶片156a固定地定位在引导板154上，使得叶片角度α保持恒定，以便实现在一种或多种选定的运行条件下的最佳入射角，而同时避免阶段性能的退化。在一些实例中，这个或这些叶片角度α可以被选择成使得加压流体的流动被以特定的速度从外入口 128引向涡轮机叶轮102。例如，当这些导向叶片156a被安排成具有相对高的叶片角度α时，这些喉部区域186a_186f是相对小的。这些喉部区域186a_186f用作喷嘴来加速朝向涡轮机叶轮102的流体流动。
[0064]这个或这些叶片角度α还可以被选择成用于当流体流动从外蜗壳160被引向涡轮机叶轮102时使得任何的流动限制和/或流动分离现象最小化。例如，当这些导向叶片156a被安排成具有相对小的叶片角度α时，这些喉部区域186a_186f是相对大的(与以相对高的叶片角度实现的喉部区域相比)。流经相对大的喉部区域186a-186f的流体将比流经相对小的喉部区域的流体经历更少的流动限制。然而，如果叶片角度α太大或太小，则可能出现不希望的流动特征，从而导致效率低下。例如，可能出现导向叶片表面处的不希望的流体分离，和/或可能出现导向叶片之间的不希望的流动限制。
[0065]在一些实例中，提供的该叶片角度α是在约30°与80°之间。在一些实例中，提供的该叶片角度α是在约40°与70°之间。在一些实例中，提供的该叶片角度α是在约50°与60°之间。在一些实例中，对于这些导向叶片中的一个或多个，其叶片角度α可以与一个或多个其他导向叶片不相同。例如，每个导向叶片可以被安排成具有一个相对于其他导向叶片的叶片角度而言独特的叶片角度。作为另一个实例，第一组导向叶片中的导向叶片可以各自以一个第一叶片角度来安排，并且第二组导向叶片中的导向叶片可以各自以一个不同于该第一叶片角度的第二叶片角度来安排。
[0066]应了解的是，这个或这些叶片角度可以依运行环境不同而改变。例如，包括该涡轮机组件100的一个第一涡轮增压器可以设置在一个第一发动机系统中，而包括该涡轮机组件100的一个第二涡轮增压器可以设置在一个第二发动机系统中。该第一发动机系统可以具有与该第二发动机系统不同的运行特性。因此，该第一涡轮增压器中的这个或这些叶片角度可以被限定成用于提供该第一发动机系统独有的、所希望的流动特征和效率。该第二涡轮增压器中的这个或这些叶片角度可以被限定成用于提供该第二发动机系统独有的、所希望的流动特征和效率。
[0067]该流体引导组件108使得能够高效地、有成本效益地制造具有不同流动特征的涡轮增压器并且针对不同的运行环境进行定制。例如，可以提供一个第一流体引导组件108，该第一流体引导组件包括一种第一运行环境所希望的一个或多个叶片角度。可以提供一个第二流体引导组件108，该第二流体引导组件包括一种第二运行环境所希望的一个或多个叶片角度。可以提供一个第一涡轮机组件100和一个第二涡轮机组件100，它们可以总体上具有相同的设计。该第一流体引导组件108可以组装到该第一涡轮机组件100中并且该第二流体引导组件108可以组装到该第二涡轮机组件100中，从而最终提供分别针对该第一和第二运行环境定制的第一和第二涡轮增压器。作为另一个实例，可以使用具有不同叶片形状的导向叶片来提供针对特定运行环境定制的涡轮增压器。通过这些方式，流体引导组件108使得能够使用共用的壳体设计来提供定制的流动特征。
[0068]图7Α是涡轮机组件100的截面视图，展示了当阀106处于关闭位置中时，穿过本体104并且朝向涡轮机叶轮102的流体流动的实例。图7Β是涡轮机组件100的截面视图，展示了当阀106处于打开位置中时，穿过本体104并且朝向涡轮机叶轮102的流体流动的实例。
[0069]涡轮机组件100可以被设计成以特定参数来提供对应的涡轮增压器的峰值效率。示例性的参数可以包括闸门152的位置和叶片角度α。在一些实现方式中，用约60°的叶片角度和约80%开度的闸门位置可以提供对应的涡轮增压器的峰值效率。在一些实现方式中，用约55°的叶片角度和约80%开度的闸门位置可以提供对应的涡轮增压器的峰值效率。在一些实现方式中，用约50°的叶片角度和约100%开度的闸门位置可以提供对应的涡轮增压器的峰值效率。[0070]图8和9A-9B是包括导向叶片156c的一个示例性模块式引导板154c的平面视图和透视图。在这个实例中，这些导向叶片156c是与该模块式引导板154c—体成型的。如所示的，该模块式引导板154c包括一个安装凸缘192，以用于将该模块式引导板154c紧固到本体104上。该模块式引导板154c还包括一个表面194,该表面从该安装凸缘192延伸并且在一个基本上平坦的面中终止，这些导向叶片156c形成在这个基本上平坦的面上。在这个实例中，提供了一个倾斜凹槽196并且该凹槽位于表面194的一个圆周外边缘附近。该凹槽196可以被配置成用于影响穿过流体入口 114的进入流体的流动。例如，该凹槽196可以帮助将进入流体入口 114的流体引导到内蜗壳158中。
[0071]在一些实例中，该模块式引导板154c提供了一个联接元件，以用于将本体104结合到一个适当的轴承壳体(未示出)上。例如，该模块式引导板154c包括从该凸缘192向外延伸的多个连接特征198。在这个实例中，这些连接特征198被提供用于接收标准的V带联接，然而也可以提供其他的安排(例如，螺栓连接)。
[0072]在一些实现方式中，该模块式引导板154c可以用作该涡轮机组件100的一个密封兀件。例如，该模块式引导板154c可以包括一个密封表面200 (参见图9A)。图10是该模块式导向板154c与本体104以密封关系组装后的截面视图。如所示的，该安装凸缘192的一个密封表面202抵住本体104的一个配合的密封表面206。本体104的另一个密封表面208抵住该密封表面200。在一些实现方式中，可以在该模块式引导板154c与本体104之间组装一个密封构件210，以便维持其间的基本上不漏流体的密封。例如在这个实例中，该密封构件是以一个环形密封圈(例如，c形密封件)的形式提供的。
[0073]再次参见图8、9A和9B，这些导向叶片156c可以安排为选定的构型，以便实现所希望的流体流动特征(如上文中详细讨论的)。这些导向叶片156c的几何形状(例如，后缘、前缘、内部和外部承载表面)也可以被设计用于同样的目的。在一些实例中，这些导向叶片156c各自可以具备相应的几何形状。例如，这些导向叶片156c各自可以包括不同的有效长度212a-212g(例如，导向叶片本体的前缘与后缘之间的距离)。更确切地说，并且在一些实例中，这些导向叶片156c的有效长度从第一个导向叶片156c到最后一个导向叶片156c在流体流动方向上减小。在一些实例中,对于每个后续的导向叶片而言,有效长度的减小可以是在约1%与15%之间(例如，在约2%与8%之间)。例如，有效长度212b可以比有效长度212a短约1%与15%之间。为导向叶片提供逐渐减小的有效长度可以减少或抑制流动畸变。例如，减小这些导向叶片的有效长度可以帮助抑制流动畸变，流动畸变可能由于当气体前进通过该对数型卷筒形流动路径时连续减小的旋转半径(更急的转弯)而形成。这些逐渐变短的叶片具有固有地更小的拱度半径，这与气流的越来越紧密的旋转半径相匹配。这些逐渐变短的叶片还可以适应包装规定(例如，通过提供适合本体104的内部空间122的叶片卷筒)。
[0074]如以上指出的，一个导向叶片的后缘与后一个导向叶片的前缘之间的螺旋形关系可以影响内外蜗壳之间的流体流动。可以就喉部区域和/或相继的导向叶片之间的重叠区域而言来描述这些。在一些实现方式中，这样的关系可以单独地限定，使得所建立的每个喉部或重叠区域具有的大小都不同于其他的喉部或重叠区域。例如，在图8中描绘的实例中，在相邻导向叶片之间限定的重叠区域、因此还有喉部区域从最上游的导向叶片向最下游的导向叶片减小。通过独立地限定相邻导向叶片之间的螺旋形关系，就可以对内蜗壳和外蜗壳周围的流体流动的变化加以考虑。
[0075]在一些实现方式中，该模块式引导板154c可以包括多个流体引导部件(例如，这些导向叶片156c)的组合，这些流体引导部件在其他情况下可以是分开地引入的。以这种方式对该模块式引导板154c进行构型提供了安装在共用硬件(例如，本体104)内的一种单一元件，该元件可以改变涡轮增压器性能(例如，流量、效率图谱变化等等)。在一些实例中，可以提供多种不同的模块式引导板，这些模块式引导板各自被配置成用于实现选定的流动特征(例如，通过具有特定的导向叶片安排)。这样，通过安装具有第一构型的一个模块式引导板以代替具有不同于该第一构型的一个第二构型的第二模块式引导板，就可以使得一个涡轮增压器针对特定的发动机参数而调谐。
[0076]如以上详细说明的，导向叶片156a、156b、156c的几何形状和安排(例如，叶片角度)可以确定不同的流体流动特征。某些流体流动特征还可以通过以卷筒构型提供的多个叶片实现。图1lA是包括被安排为对数型卷筒安排的四个导向叶片156c的一个示例性导向板154g的平面视图。如所示的，由于导向叶片156c的数目相对少，导向叶片156c之间的喉部区域是相对大的。这些大的喉部区域可以允许获得相对大的流量，从而提供极小的流动限制。然而在某些情况下，外蜗壳与内蜗壳之间在每个喉部区域处的流体流动的阶跃变化可能会导致效率低下。
[0077]图1lB是一个示例性引导板154h的正视图，该引导板携带了类似于引导板154g的卷筒安排的导向叶片156c。然而该引导板154h进一步包括多个分流叶片156d。在所描绘的实例中，在导向叶片156c之间提供了三个分流叶片156d。然而应理解的是，可以在相邻导向叶片之间提供其他适当个数的分流叶片，例如一个或多于一个。每个分流叶片156d可以具有类似于导向叶片156c的几何形状。这些分流叶片156d的几何形状也可以与这些导向叶片156c不同。在一些实例中，添加分流叶片156d可以使外蜗壳与内蜗壳之间的流体流动的汇合顺畅，其代价是流动限制方面的增加。进一步，虽然在这个实例中这些分流叶片156d是布置在导向叶片156c之间的每个喉部区域中，但其他的安排也是可能的。例如，在一些实现方式中，这些分流叶片156d可以被布置在这些喉部区域中的仅一个或两个之间。
[0078]已经说明了本披露的多个实现方式。尽管如此，应该理解的是可以做出多个不同的修改而并不脱离本披露的精神和范围。因此，其他实现方式是在以下权利要求的范围之内。
【权利要求】
1.一种用于涡轮增压器的涡轮机壳体，该壳体包括: 一个本体，该本体限定了用于与一个流体源进行流体连通的一个入口、以及一个壁，该壁将该入口分为一个内入口和一个外入口；以及 被布置在该壳体内的一个流体引导组件，该流体引导组件包括多个叶片，这些叶片在该壳体内界定了一个内蜗壳和一个外蜗壳，该内蜗壳是与该内入口处于流体连通的并且该外蜗壳是与该外入口处于流体连通的，该多个叶片中的每个叶片相对于径向方向以一个相应角度而固定，该多个叶片将流体流动从该外蜗壳引导至该内蜗壳。
2.如权利要求1所述的涡轮机壳体，其中，该流体引导组件进一步包括被紧固至该本体上的一个引导板，该多个叶片被紧固至该引导板上。
3.如权利要求1和2中的一项或多项所述的涡轮机壳体，其中，这些叶片中的至少一个是相对于该涡轮机叶轮的径向中心以一个选定角度定位的。
4.如权利要求3所述的涡轮机壳体，其中，该选定角度是在约30°与约80°之间。
5.如权利要求3所述的涡轮机壳体，其中，该选定角度是在约40°与约70°之间。
6.如权利要求3所述的涡轮机壳体，其中，该选定角度是在约50°与约60°之间。
7.如权利要求3所述的涡轮机壳体，其中，这些叶片各自都是以该选定角度定位的。
8.如权利要求3所述的涡轮机壳体，其中，该选定角度包括一个第一选定角度，并且其中至少一个其他的叶片是相对于该涡轮机叶轮的径向中心以一个第二选定角度定位的。
9.如权利要求3所述的涡轮机壳体，其中，该选定角度是由延伸经过一个涡轮机叶轮开口的中心点和该叶片的中心点的一条径向线、和延伸经过该叶片的中心点和该叶片的后缘的一条线来测量的。
10.如权利要求1至9中的一项或多项所述的涡轮机壳体，其中，这些叶片被定位成用于提供相对于一个涡轮机叶轮的一个流体流动入射角。
11.如权利要求10所述的涡轮机壳体，其中，该入射角是最大约10°。
12.如权利要求1至11中的一项或多项所述的涡轮机壳体，其中，各叶片的相应角度被提供用于抑制该叶片上的流体流动分离。
13.如权利要求1至12中的一项或多项所述的涡轮机壳体，其中，这些叶片中的至少一个包括一个不对称的翼型叶片。
14.如权利要求1至13中的一项或多项所述的涡轮机壳体，其中，该入口包括一个内部流体通路和一个外部流体通路，并且其中该内部流体通路是与该内蜗壳处于流体连通的。
15.如权利要求1至14中的一项或多项所述的涡轮机壳体，进一步包括用于调节该外入口与该外蜗壳之间的流体连通的一个阀组件，该阀组件包括一个闸门，该闸门在用于抑制流体流动穿过该外入口的一个完全关闭位置与用于使得流体能够流动穿过该外入口的一个完全打开位置之间是可移动的。
16.如权利要求15所述的涡轮机壳体，其中，这些叶片的相应角度是约60°，是从延伸经过一个涡轮机叶轮开口的中心点和该叶片的中心点的一条径向线、和延伸经过该叶片的中心点和该叶片的后缘的一条线来测量的，并且该闸门被定位成在80%开度提供该涡轮增压器的峰值效率。
17.如权利要求15所述的涡轮机壳体，其中，这些叶片的相应角度是约55°，是从延伸经过一个涡轮机叶轮开口的中心点和该叶片的中心点的一条径向线、和延伸经过该叶片的中心点和该叶片的后缘的一条线来测量的，并且该闸门被定位成在80%开度提供该涡轮增压器的峰值效率。
18.如权利要求15所述的涡轮机壳体，其中，这些叶片的相应角度是约50°，是从延伸经过一个涡轮机叶轮开口的中心点和该叶片的中心点的一条径向线、和延伸经过该叶片的中心点和该叶片的后缘的一条线来测量的，并且该闸门被定位成在约100%开度提供该涡轮增压器的峰值效率。
19.一种涡轮增压器，包括根据权利要求1至18中的一项或多项所述的涡轮机壳体。
20.一种用于制造根据权利要求1至16中的一项或多项所述的涡轮机壳体的方法，该方法包括: 形成一个本体，该本体限定了用于与一个流体源进行流体连通的一个入口、以及一个壁，该壁将该入口分为一个内入口和一个外入口 ； 组装该流体引导组件，该流体引导组件包括该多个叶片，该多个叶片各自是相对于径向方向以一个相应角度固定的；并且 将该流体引导组件紧固在该本体内，使得该多个叶片在该壳体内界定一个内蜗壳和一个外蜗壳，该内蜗壳是与该内入口处于流体连通的并且该外蜗壳是与该外入口处于流体连通的，该多个叶片是可操作 的以便将流体流动从该外蜗壳引导至该内蜗壳。
【文档编号】F01D17/16GK103534461SQ201280023273
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年6月8日 优先权日:2011年6月10日
【发明者】A·C·纳若胡德, V·阿拉贝古维克, J·P·沃森 申请人:博格华纳公司