涡轮增压器和用于它的可变喷嘴组件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及涡轮增压器和用于它的可变喷嘴组件。一种可变叶片组件包括：大体环形的喷嘴环和叶片的阵列，所述叶片被可旋转地安装至所述喷嘴环，并被连接至可旋转的致动器环；和插入件，所述插入件具有被结构化且配置成被密封地接收于涡轮壳体的孔中的管状部分，并且具有从所述管状部分的一端大体沿径向向外延伸的喷嘴部分，所述喷嘴部分沿轴向与所述喷嘴环间隔开，使得所述叶片在所述喷嘴环与所述喷嘴部分之间延伸。环形的线材保持架被设置在所述叶片的径向外侧，并具有被牢固地附至所述喷嘴环的一个轴向端和被牢固地附至所述喷嘴部分的相反的轴向端，以便沿所述可变叶片组件的轴向方向固定所述喷嘴环与所述喷嘴部分之间的间隔。
【专利说明】涡轮增压器和用于它的可变喷嘴组件
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有可变喷嘴涡轮的涡轮增压器，其中在涡轮的喷嘴中设置有可动叶片阵列，用于调控流入涡轮中的排出气体流。
【背景技术】
[0002]受排出气体驱动的涡轮增压器是与内燃发动机结合使用的装置，用于通过对空气进行压缩来增加发动机的动力输出，所述空气被传递到发动机的进气口，用以与燃料混合并在发动机中燃烧。涡轮增压器包括在压缩机壳体中安装于轴的一端上的压缩机叶轮以及在涡轮壳体中安装于轴的另一端上的涡轮叶轮。通常，涡轮壳体与压缩机壳体分别地形成，并且还存在被连接在涡轮壳体与压缩机壳体之间的另一中央壳体，用于容纳用于轴的轴承。涡轮壳体限定出大体环形的腔室，其环绕涡轮叶轮并且接收来自发动机的排出气体。涡轮组件包括喷嘴，所述喷嘴从腔室通向涡轮叶轮。排出气体从腔室穿过喷嘴流动至涡轮叶轮，并且涡轮叶轮被排出气体驱动。涡轮因而从排出气体中提取动力，并驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口来接收环境空气，并且该空气被压缩机叶轮压缩，然后从壳体排放至发动机进气口。
[0003]以涡轮增压器提高发动机性能的挑战中的一项是在发动机的整个操作范围内获得所需量的发动机动力输出。已发现该目的对于固定几何形状的涡轮增压器而言通常并不能轻易地实现，因此已经开发出了可变几何形状的涡轮增压器，其目的是对涡轮增压器所提供的提高量提供更大的控制度。一种可变几何形状的涡轮增压器是可变喷嘴涡轮增压器(VNT)，其包括在涡轮喷嘴中的可变叶片的阵列。叶片被枢转地安装在喷嘴中，并被连接到能实现改变叶片的设定角的机构。改变叶片的设定角具有改变涡轮喷嘴中的有效流动面积的效果，因而能够通过控制叶片位置来调控流至涡轮叶轮的排出气体流。通过这种方式，能够调控涡轮的动力输出，其允许以比固定几何形状的涡轮增压器通常可达到的程度更大的程度来控制发动机动力输出。
[0004]可变叶片机构相对较复杂，因此就涡轮增压器的组装而言提出了挑战。此外，该机构位于涡轮壳体与中央壳体之间，所述涡轮壳体由于其暴露至排出气体而变得相当热，所述中央壳体处于比涡轮壳体低得多的温度。因此，由于该温度梯度，可变叶片机构受到热应力。
[0005]在如以上指出的一种可变喷嘴中，可变喷嘴被提供成“筒体”的形式，所述“筒体”被连接在中央壳体与涡轮壳体之间，并且包括大体环形的喷嘴环和叶片的阵列的组件，所述叶片围绕喷嘴环沿周向间隔开，并被设置在喷嘴中，使得排出气体在叶片之间流动至涡轮叶轮，每个叶片被可旋转地安装至喷嘴环，并被连接至可旋转的致动器环，使得致动器环的旋转使叶片旋转，用于调控流至涡轮叶轮的排出气体流。所述筒体包括插入件，所述插入件具有被密封地接收于所述涡轮壳体的孔中的管状部分，并且具有从所述管状部分的一端大体沿径向向外延伸的喷嘴部分，所述喷嘴部分沿轴向与所述喷嘴环间隔开，使得所述叶片在所述喷嘴环与所述喷嘴部分之间延伸。少量的沿周向间隔开的隔离件(例如，以大约120度间隔开的三个隔离件)被连接在插入件的喷嘴部分与喷嘴环之间，用于将喷嘴环固定至插入件，并维持插入件的喷嘴部分与喷嘴环之间的轴向间隔。隔离件紧邻于叶片。
【发明内容】
[0006]本公开涉及大体为以上描述类型的可变叶片组件。然而，代替采用隔离件来固定插入件的喷嘴部分与喷嘴环之间的所需轴向间隔，采用了替代的间隔配置，其对穿过喷嘴的排出气体的流造成基本上更少的扰动。
[0007]依据本文所描述的一个实施例的用于可变喷嘴涡轮的可变叶片组件包括:大体环形的喷嘴环和围绕所述喷嘴环沿周向间隔开的叶片的阵列，每个叶片被可旋转地安装至所述喷嘴环，并且被连接至可旋转的致动器环，使得所述致动器环相对于所述喷嘴环的旋转使所述叶片旋转，用于调控穿过所述叶片的阵列的排出气体流。所述组件包括插入件，所述插入件具有被结构化且配置成被密封地接收于涡轮壳体的孔中的管状部分，并且具有从所述管状部分的一端大体沿径向向外延伸的喷嘴部分，所述喷嘴部分沿轴向与所述喷嘴环间隔开，使得所述叶片在所述喷嘴环与所述喷嘴部分之间延伸。所述可变叶片组件进一步包括环形的线材保持架，所述线材保持架被设置在所述叶片的径向外侧，并具有被牢固地附至所述喷嘴环的一个轴向端和被牢固地附至所述喷嘴部分的相反的轴向端，以便沿所述可变叶片组件的轴向方向固定所述喷嘴环与所述喷嘴部分之间的间隔。所述线材保持架具有多个沿周向间隔开的线材，所述线材在所述喷嘴环与所述喷嘴部分之间大体沿轴向方向延伸。
[0008]与先前采用来使喷嘴环与喷嘴部分间隔开的隔离件的直径相比，所述线材中的每个具有基本上更小的直径或者横切尺寸。因此，即使比起先前所使用的隔离件的数量可能存在基本上更大数量的线材，线材与隔离件相比对流动造成明显更少的扰动。离开线材的任何湍流尾流将趋于重新聚合，并在排出气体到达叶片之前基本上消散。
[0009]线材保持架能够以各种方式形成，并具有各种构造。在一个实施例中，所述线材保持架包括被牢固地附至所述喷嘴环的第一箍部分和被牢固地附至所述喷嘴部分的第二箍部分，并且所述线材中的每个的相反端被分别牢固地附至所述第一箍部分和第二箍部分。所述线材中的每个的长度方向能够平行于所述轴向方向。
[0010]在另一实施例中，所述第一箍部分和第二箍部分和所述线材能够是一体的，且彼此成为一个整体。例如，所述线材保持架能够包括一条金属箔，所述金属箔形成为箍形，并在其中形成有多个沿周向间隔开的孔眼，所述线材由所述箔的保持在所述孔眼中的相邻孔眼之间的材料限定出。所述孔眼能够是三角形的。所述孔眼能够被配置成使得:围绕所述线材保持架在周向方向上行进的话，所述线材交替地延伸成平行于所述轴向方向以及相对于所述轴向方向倾斜。替代地，能够使用其它孔眼形状，比如矩形。
[0011]在又一实施例中，所述线材保持架能够包括一段连续的线材，所述线材被弯曲成沿所述线材保持架的周向方向起伏(undulate)，使得所述多个沿周向间隔开的线材是所述一段连续的线材的一体部分。
[0012]所述线材保持架能够通过点焊或者类似方式被附至喷嘴环和喷嘴部分。
[0013]在本文所描述的某些实施例中，所述喷嘴环限定出沿径向面向外侧的圆柱表面，并且所述喷嘴部分限定出沿径向面向外侧的圆柱表面，并且所述线材保持架与所述圆柱表面的两者接合，并被牢固地附至所述圆柱表面。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]在已经如此概括地描述了本发明的情况下，现在将参看附图，所述附图并不一定按比例进行绘制，并且附图中:
图1是具有依据本发明的实施例的可变叶片组件的涡轮增压器的轴向截面图；
图2是依据本发明的一个实施例的可变叶片组件的透视图；
图3是在图1所示可变叶片组件中使用的线材保持架的透视图；
图4是用于图1所示可变叶片组件的子组件的透视图；
图5是示出了与图4所示子组件组装的图3所示线材保持架的透视图；
图6是依据另一实施例的线材保持架的透视图；
图7是示出了与图4所示子组件组装的图6所示线材保持架的透视图；并且 图8是具有图6所示线材保持架的可变叶片组件的透视图。
【具体实施方式】
[0015]现在将在以下参照附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的某些但非全部实施例。实际上，这些发明可以以许多不同的形式来体现，并且不应该被解释为局限于本文所给出的实施例；相反，这些实施例被提供来使得本公开将满足可适用的法定要求。文中相似的附图标记表示相似的元件。
[0016]如本文中所使用的，术语“线材(wire) ”意指细长构件，其沿着长度方向延伸，并具有处于喷嘴的流动路径中从而被流动穿过其中的排出气体润湿的部分(在本文被称为线材的“润湿部分”)，其中润湿部分在长度方向上的长度尺寸是润湿部分在正交于长度方向的平面上的截面的最大尺寸的至少5倍。例如，在直径为d的圆形线材的情况下，润湿部分的长度为至少5d。在截面的长度和宽度分别为I和w(其中l>w)的矩形线材的情况下，润湿部分的长度为至少51。
[0017]依据本发明一个实施例的涡轮增压器10在图1中示出。涡轮增压器包括压缩机12，其具有在可旋转的轴18的一端上安装于压缩机壳体16中的压缩机叶轮或推进器14。该轴被支承在安装于涡轮增压器的中央壳体20中的轴承19中。轴18由安装在轴18的从压缩机叶轮起的另一端上的涡轮叶轮22来旋转，由此可旋转地驱动压缩机叶轮，该压缩机叶轮对通过压缩机入口抽吸进的空气进行压缩，并将压缩空气传递至内燃发动机的进气口(未示出)，用于提高发动机的性能。
[0018]涡轮增压器还包括容纳涡轮叶轮22的涡轮壳体24。该涡轮壳体限定出大致环形的腔室26，其环绕涡轮叶轮并且接收来自内燃发动机的排出气体，用于驱动涡轮叶轮。排出气体从腔室26大体沿径向向内被引导穿过涡轮喷嘴28至涡轮叶轮22。当排出气体流过涡轮叶轮的轮叶30之间的通道时，气体膨胀至较低的压力，并且从叶轮排放的气体通过涡轮壳体中的大体轴向的孔32离开该涡轮壳体。
[0019]涡轮喷嘴28是可变喷嘴，用于改变穿过喷嘴的截面流动面积，以便调控进入涡轮叶轮的流。喷嘴包括围绕该喷嘴沿周向间隔开的多个叶片34。每个叶片被附到穿过大体环形的喷嘴环38中的孔眼的销36上，所述喷嘴环相对于涡轮叶轮22同轴地安装。每个销36围绕其轴线是可旋转的，用于旋转所附接的叶片。喷嘴环38形成喷嘴28的流动通道的一个壁。销36中的每个具有被附到销的端上的叶片臂40，其从喷嘴环38突出，并与大体环形的协调环42 (本文中也称为致动器环)相接合，所述协调环围绕其轴线是可旋转的，并且与喷嘴环38是同轴的。致动器(未示出)被连接到协调环42，用于使之围绕其轴线旋转。当协调环旋转时，叶片臂40旋转，用以使销36围绕它们的轴线旋转，由此使叶片34旋转，以便改变穿过喷嘴28的截面流动面积。如到这里所描述的，可变喷嘴机构大体对应于具有可变叶片的常规可变喷嘴。
[0020]可变叶片机构被提供为筒体50的形式，其能够作为一个单元安装到涡轮增压器中并且能够从涡轮增压器中移除。筒体50包括喷嘴环38、叶片34、销36、叶片臂40和协调环42。所述筒体进一步包括插入件52，其具有被密封地接收于涡轮壳体的孔32的部分32a中的管状部分54，以及从管状部分54的一端大体沿径向向外延伸的喷嘴部分56，所述喷嘴部分56沿轴向与喷嘴环38间隔开，使得叶片34在喷嘴环38与喷嘴部分56之间延伸。涡轮壳体的孔部分32a具有的半径超过孔32的其余部分的半径达略大于插入件52的管状部分54的径向厚度的量。管状部分54的径向外表面具有至少一个周向沟槽，在其中保持有密封环58，用于与孔部分32a的内表面密封地接合。有利地，插入件的管状部分54的外径略小于孔部分32a的内径，使得在两者间限定出微小的缝隙，并且只有密封环58与孔部分32a的内表面发生接触。
[0021]到这里对可变叶片组件或者筒体50的描述类似于在本发明之前存在的组件。然而，在先有的这类组件中，喷嘴环38已通过少量(例如3个)相对较大直径的隔离件被附到插入件52并与插入件52间隔开。在一个这种组件中，例如，每个隔离件穿过插入件的喷嘴部分56中的孔眼，并在喷嘴部分的背离喷嘴28的那侧具有扩大的头。每个隔离件还具有一对扩大的肩部，所述肩部沿着隔离件的长度轴向地间隔开，使得一个肩部抵接喷嘴部分56的相反侧，并且另一肩部抵接喷嘴环38的相向表面，由此设定喷嘴环与喷嘴部分之间的轴向间隔。每个隔离件的端部穿过喷嘴环38中的孔眼，并且该端部的远端被镦粗(upset)用以形成扩大的头来捕获喷嘴环。
[0022]这类先有组件中的隔离件相对较紧邻于叶片34。隔离件的相对较大的尺寸以及它们与叶片的紧邻造成流动约束和空气动力学性能的降低以及喷嘴组件的可控性。
[0023]本发明寻求克服这些缺点，方法是通过在与叶片相距最大可能距离处定位相对较大数量的隔离件“线材”。线材的相对较小的尾流(wakes)将在流进入叶片通道之前快速地
重新聚合。
[0024]相对于图1-5，依据本发明第一实施例的筒体50的构造现在将被描述。该筒体采用环形的线材保持架60 (在图3中单独地示出)。线材保持架60包括相对较大数量的线材62、第一箍部分64和第二箍部分66。线材62的第一端被牢固地附至第一箍部分64,并且线材的相反的第二端被牢固地附至第二箍部分66。线材62在图中被示为围绕圆周均匀地间隔开，并且彼此平行，但是均匀间隔或者平行取向都不是必需的。如图2所示，第一箍部分64被牢固地附至喷嘴环38，并且第二箍部分66被牢固地附至插入件52的喷嘴部分56。特别地，箍部分被牢固地附至喷嘴环和喷嘴部分的径向外周缘区域。应该指出的是，喷嘴环38在其外周缘处具有台阶部分，使得存在邻近与协调环42对向的喷嘴环的一侧的较大直径部分、和邻近喷嘴28的较小直径部分。线材保持架的第一箍部分64被牢固地附至喷嘴环的该较小直径部分。台阶部分被提供来使喷嘴环能够被保持环70(图1)轴向地定位，所述保持环70接触所得台阶的轴向相向表面。台阶大到足以提供用于线材保持架60的空间，使得保持架不被保持环接触。
[0025]如图3所示的线材保持架60由多个部件构造。线材62全都彼此分离，并且与两个分离的箍部分64和66分离。这样，保持架60的组装需要用以将线材附至箍部分的操作。例如，一个说明性组装工艺为:将短的多段圆线材配置成使线材的端部被包封(和/或焊接)在卷边金属带中，线材的相反端部同样被包封(和/或焊接)在第二卷边金属带中。
[0026]在图6-8所示的替代实施例中，线材保持架160被构造成整体式的一体结构。线材保持架160包括一条金属箔，其被形成为箍形，并在其中形成有多个沿周向间隔开的孔眼161。线材162由箔的保持在孔眼中的相邻孔眼之间的材料限定出。在所示实施例中，孔眼是三角形的，并且被配置成使得:围绕线材保持架沿周向方向行进的话，线材交替地延伸成平行于轴向方向以及相对于轴向方向倾斜。三角形孔眼提供一些交叉支撑来抵抗箔的扭转变形以及插入件相对于喷嘴环的后续移动。当然，替代地，也可以使用众多其它构造的孔眼和所得的线材取向。例如，孔眼可以是简单的矩形切口或者任何其它冲压出的形状。
[0027]作为又一替代的线材保持架构造，线材保持架能够包括一段连续的线材，其被弯曲以如波形似地来回起伏，所述起伏线材然后被形成为箍形，并被附至喷嘴环和喷嘴部分。起伏线材能够以类似于对第一实施例所描述的方式被附至一个或多个金属带。
[0028]获得了前述描述和相关联附图所呈现的教导的优点后，这些发明所属【技术领域】的技术人员将会想到本文所给出的发明的许多改进和其它实施例。因此，应该明白的是:本发明并不局限于所公开的特定实施例，并且改进和其它实施例旨在被包括在所附权利要求书的范围内。虽然本文中采用了特定的术语，但其仅仅是以通用的和说明性的意义来使用的，并非用于进行限制的目的。
【权利要求】
1.一种具有可变喷嘴涡轮的涡轮增压器，包括: 涡轮组件，所述涡轮组件包括涡轮壳体和涡轮叶轮，所述涡轮叶轮被安装在所述涡轮壳体中，并被连接至可旋转的轴用于与之一起旋转，所述涡轮壳体限定出腔室，所述腔室环绕所述涡轮叶轮，用于接收来自发动机的排出气体，并用于向所述涡轮叶轮供给所述排出气体，所述涡轮组件限定出喷嘴，所述喷嘴从所述腔室大体沿径向向内通向所述涡轮叶轮，所述涡轮壳体进一步限定出沿轴向延伸的孔，排出气体在穿过所述涡轮叶轮之后穿过所述孔排放； 压缩机组件，所述压缩机组件包括压缩机壳体和压缩机叶轮，所述压缩机叶轮被安装在所述压缩机壳体中，并被连接至所述可旋转的轴用于与之一起旋转； 中央壳体，所述中央壳体被连接在所述压缩机壳体与所述涡轮壳体之间；和 可变叶片组件，所述可变叶片组件被连接在所述中央壳体与所述涡轮壳体之间，所述可变叶片组件包括:
大体环形的喷嘴环和叶片的阵列，所述叶片的阵列围绕所述喷嘴环沿周向间隔开，并被设置在所述喷嘴中，使得排出气体在所述叶片之间流动至所述涡轮叶轮，每个叶片被可旋转地安装至所述喷嘴环，并被连接至可旋转的致动器环，使得所述致动器环的旋转使所述叶片旋转，用于调控流至所述涡轮叶轮的排出气体流；
插入件，所述插入件具有被密封地接收于所述涡轮壳体的孔中的管状部分，并且具有从所述管状部分的一端大体沿径向向外延伸的喷嘴部分，所述喷嘴部分沿轴向与所述喷嘴环间隔开，使得所述叶片在所述喷嘴环与所述喷嘴部分之间延伸；和
环形的线材保持架，所述线材保持架被设置在所述叶片的径向外侧，并具有被牢固地附至所述喷嘴环的一个轴向端和被牢固地附至所述喷嘴部分的相反的轴向端，以便沿所述涡轮增压器的轴向方·向固定所述喷嘴环与所述喷嘴部分之间的间隔，所述线材保持架具有多个沿周向间隔开的线材，所述线材在所述喷嘴环与所述喷嘴部分之间大体沿轴向方向延伸。
2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述线材中的每个的长度方向平行于所述轴向方向。
3.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述线材保持架包括被牢固地附至所述喷嘴环的第一箍部分和被牢固地附至所述喷嘴部分的第二箍部分，并且其中所述线材中的每个的相反端被分别牢固地附至所述第一箍部分和第二箍部分。
4.如权利要求3所述的涡轮增压器，其中，所述第一箍部分和第二箍部分和所述线材是一体的，且彼此成为一个整体。
5.如权利要求4所述的涡轮增压器，其中，所述线材保持架包括一条金属箔，所述金属箔形成为箍形，并在其中形成有多个沿周向间隔开的孔眼，所述线材由所述箔的保持在所述孔眼中的相邻孔眼之间的材料限定出。
6.如权利要求5所述的涡轮增压器，其中，所述孔眼是三角形的。
7.如权利要求6所述的涡轮增压器，其中，所述孔眼被配置成使得:围绕所述线材保持架在周向方向上行进的话，所述线材交替地延伸成平行于所述轴向方向以及相对于所述轴向方向倾斜。
8.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述线材保持架包括一段连续的线材，所述线材被弯曲成沿所述线材保持架的周向方向起伏。
9.一种用于可变喷嘴涡轮的可变叶片组件，所述可变叶片组件包括: 大体环形的喷嘴环和围绕所述喷嘴环沿周向间隔开的叶片的阵列，每个叶片被可旋转地安装至所述喷嘴环，并且被连接至可旋转的致动器环，使得所述致动器环相对于所述喷嘴环的旋转使所述叶片旋转，用于调控穿过所述叶片的阵列的排出气体流； 插入件，所述插入件具有被结构化且配置成被密封地接收于涡轮壳体的孔中的管状部分，并且具有从所述管状部分的一端大体沿径向向外延伸的喷嘴部分，所述喷嘴部分沿轴向与所述喷嘴环间隔开，使得所述叶片在所述喷嘴环与所述喷嘴部分之间延伸；和 环形的线材保持架，所述线材保持架被设置在所述叶片的径向外侧，并具有被牢固地附至所述喷嘴环的一个轴向端和被牢固地附至所述喷嘴部分的相反的轴向端，以便沿所述可变叶片组件的轴向方向固定所述喷嘴环与所述喷嘴部分之间的间隔，所述线材保持架具有多个沿周向间隔开的线材，所述线材在所述喷嘴环与所述喷嘴部分之间大体沿轴向方向延伸。
10.如权利要求9所述的可变叶片组件，其中，所述线材中的每个的长度方向平行于所述轴向方向。
11.如权利要求9所述的可变叶片组件，其中，所述线材保持架包括被牢固地附至所述喷嘴环的第一箍部分和被牢固地附至所述喷嘴部分的第二箍部分，并且其中所述线材中的每个的相反端被分别牢固地附至所述第一箍部分和第二箍部分。
12.如权利要求11所述的可变叶片组件，其中，所述第一箍部分和第二箍部分和所述线材是一体的，且彼此成为一个整体。
13.如权利要求12所述的可变叶片组件，其中，所述线材保持架包括一条金属箔，所述金属箔形成为箍形，并在其中形成有多`个沿周向间隔开的孔眼，所述线材由所述箔的保持在所述孔眼中的相邻孔眼之间的材料限定出。
14.如权利要求13所述的可变叶片组件，其中，所述孔眼是三角形的。
15.如权利要求14所述的可变叶片组件，其中，所述孔眼被配置成使得:围绕所述线材保持架在周向方向上行进的话，所述线材交替地延伸成平行于所述轴向方向以及相对于所述轴向方向倾斜。
16.如权利要求9所述的可变叶片组件，其中，所述线材保持架包括一段连续的线材，所述线材被弯曲成沿所述线材保持架的周向方向起伏。
17.如权利要求9所述的可变叶片组件，其中，所述喷嘴环限定出沿径向面向外侧的圆柱表面，并且所述喷嘴部分限定出沿径向面向外侧的圆柱表面，并且所述线材保持架与所述圆柱表面的两者接合，并被牢固地附至所述圆柱表面。
【文档编号】F02B37/24GK103821609SQ201310564407
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年11月14日 优先权日:2012年11月15日
【发明者】C.格罗夫斯 申请人:霍尼韦尔国际公司