CN101223337A - 几何构造可变涡轮 - Google Patents

Abstract

一种几何构造可变涡轮，包括支承在壳体(1)内绕轴旋转的涡轮叶轮(9)。喷嘴环(5)可移动地设置在壳体内的腔(19)内，以调整向涡轮叶轮(9)径向延伸的环形入口通道(4)的宽度。入口导向叶片阵列(8)在限定径向叶片通道的喷嘴环(5)的径向表面和入口(4)的相对壁之间延伸。第一周向孔阵列(25)通过径向表面设置，每个孔基本上位于叶片通道内。第二周向孔阵列(24)也在所述径向表面内设置，每个孔基本上位于第一周向孔阵列(25)的上游或者下游。入口(4)和腔(19)经第一和第二组孔(25，24)流体连通。

Description

几何构造可变涡轮

技术领域

本发明涉及一种几何构造可变涡轮，尤其但不唯一地用于内燃机的涡轮增压器中。

背景技术

涡轮增压器为在高于大气压的压力(升压)下向内燃机进口供应空气的已知设备。常规涡轮增压器必要地包括设置在涡轮壳体内的旋转轴上的废气驱动涡轮叶轮。涡轮叶轮的旋转使设置在轴另一端和压缩机壳体内的压缩机叶轮旋转。压缩机叶轮向发动机进气管输送压缩空气。涡轮增压器轴通常由轴颈轴承和推力轴承支承，轴承包括合适的润滑***，位于连接在涡轮和压缩机叶轮壳体之间的中心轴承壳体内。

在已知涡轮增压器中，涡轮包括：其中安装有涡轮叶轮的涡轮腔、涡轮腔周围相对径向壁之间的环形入口通道、设置在入口通道周围的入口，以及从涡轮腔延伸的出口通道。通道和腔以如下方式连通：进入入口腔的加压废气流过入口通道经涡轮到达出口通道并且旋转涡轮叶轮。还已知通过在入口通道内提供称为喷嘴叶片的叶片，以将流过入口通道的气体朝向涡轮叶轮旋转方向偏转，从而调整涡轮性能。

涡轮可以是几何构造固定或者可变的类型。几何构造可变的涡轮与几何构造固定的涡轮区别之处在于：可改变入口通道的尺寸以使气流速度在一定的质量流量范围内优化，从而可改变涡轮的功率输出以适合变化的发动机需求。例如，当输送至涡轮的废气量较少时，通过减小环形入口通道的尺寸而将到达涡轮叶轮的气体速度维持在保证有效涡轮运行的程度。

在一种已知类型的几何构造可变涡轮中，通常称为“喷嘴环”的轴向可移动壁元件限定一个入口通道壁。可调整喷嘴环相对于入口通道饰面(facing)壁的位置以控制入口通道的轴向宽度。因此例如随着流经涡轮的气体减少，入口通道宽度也可减小以维持气体速度和使涡轮输出最佳。这样的喷嘴环必要地包括径向延伸的壁和轴向延伸的内、外环形凸缘。环形凸缘延伸进入在涡轮壳体中形成的环形腔中，所述涡轮壳体作为实际由轴承壳体提供的壳体的一部分，轴承壳体允许喷嘴环的轴向运动。

喷嘴环可具有延伸至入口通道内并通过入口通道饰面壁上的槽的叶片，所述槽允许喷嘴环的运动。可选择地，叶片可通过喷嘴环中设置的槽从固定壁延伸。通常，喷嘴环支承在和涡轮叶轮旋转轴平行地延伸的棒上，并被轴向移动所述棒的致动器移动。已知用于几何构造变化的涡轮的各种致动器，包括设置在涡轮增压器外部并由合适的联接机构连接至几何构造可变***的气动、液压和电致动器。

当使用常规涡轮时，随着气体流过入口通道，压力施加在喷嘴环的表面上，趋向于强迫喷嘴环进入环形腔。在喷嘴环位于其中的环形腔中存在压力，并且如果需要精确控制喷嘴环的位置，则致动机构必须克服该压力影响。使喷嘴环移近通道饰面壁以进一步减小通道宽度并提高空气流速度会增加施加至喷嘴环表面的载荷。一些涡轮致动器例如电致动器和气动致动器相比能够仅仅提供相对有限的力以移动喷嘴环。在一些运行条件下，需要由致动器施加的力可能超出致动器的能力。另外，还期望保证喷嘴环上的合力是单向的。

EP 0654587公开了一种几何构造可变的涡轮，具有喷嘴叶片之间喷嘴环内的压力平衡孔。由喷嘴环表面上的压力、喷嘴环后的腔内的压力和致动器产生喷嘴环上的力。压力平衡孔的功能在于保证喷嘴环后面的腔的压力基本上等于但总是稍小于作用于喷嘴环前表面上的压力以保证在喷嘴环上具有小但单向的力。

涡轮喷嘴环通常具有跨涡轮入口延伸的叶片环形阵列。流经入口的空气在相邻叶片之间径向流动，所述叶片因此可被认为限定叶片通道。涡轮入口在叶片通道区域上具有减小的径向流动面积，产生如下的效果：入口气体速度通过叶片通道增加，产生在该喷嘴环区域上的相应的压力下降。因此，如EP 0 654 587所述的压力平衡孔位于叶片之间，这意味着每个平衡孔的内端和/或外端位于喷嘴导向叶片通道的内或外径向范围中。

已经发现即使如EP 0 654 587所述提供压力平衡孔，由于通过排气阀的开关作用释放至车辆发动机排气管中的排气脉冲，喷嘴环上的力随着涡轮入口内压力的波动而不利地波动。当涡轮增压器以发动机“启动”模式运行以及以发动机“制动”模式运行时都会出现该力的波动。例如，在制动模式中力的波动可导致所产生的阻断扭矩不希望的波动。

术语“启动”模式和“制动”模式为本领域技术人员所熟知。

发明概述

本发明的目标在于消除或减轻上述缺陷。

根据本发明提供了一种几何构造可变的涡轮，包括：支承在壳体内绕轴旋转的涡轮叶轮；安装在设置在所述壳体内的腔内的轴向可移动环形壁元件；径向向内地朝涡轮叶轮延伸并限定在可移动壁元件的径向表面和壳体的相对壁之间的环形入口通道；所述可移动壁元件可相对壳体轴向移动以改变入口通道的轴向宽度；在限定径向叶片通道的所述径向表面和相对壁之间延伸的入口导向叶片阵列；通过所述径向表面的第一周向孔阵列，每个所述第一孔阵列基本上位于所述径向通过内；以及在所述径向表面内的第二周向孔阵列，所述第二孔阵列中的每个孔相对于经入口的流动方向基本上位于所述第一孔阵列的上游或者下游，从而入口和所述腔经第一和第二组孔流体连通。

已经发现，当和单独提供主压力平衡孔相比时，通过在喷嘴环中提供主压力平衡孔和次压力平衡孔，在制动条件下经过涡轮级的排气脉冲所引起的致动器界面上力的振幅可减小超过75％，在启动条件下可减小超过80％。因此，本发明可在一定发动机速度范围上在喷嘴环上得到低的平均力。

附图说明

现在将通过例子参考附图描述本发明的特定实施例。

图1是根据本发明的几何构造可变涡轮的轴向横截面图；

图1b是图1a中涡轮的一部分的横截面图；

图1c是图1a和1b所示出的喷嘴环的透视图；

图2是图1a至1c的涡轮的一部分的第二实施例的轴向横截面图；

图3是本发明第三实施例的一部分的轴向横截面图；

图4是本发明第四实施例的一部分的轴向横截面图。

具体实施方式

参考图1a，所描述的几何构造可变涡轮包括限定入口腔2的涡轮壳体1，来自内燃机(未示出)的气体被送入入口腔2。废气经环状入口通道4从入口腔2流至出口通道3。入口通道4的一侧由通常称为“喷嘴环”的可移动环形壁元件5的面限定，另一侧由覆盖饰面壁中的环形凹进7的开口的环形罩6限定。

从入口腔2流至出口通道3的气体经过涡轮叶轮9，因此对驱动压缩机叶轮11的涡轮增压器轴10施加扭矩。压缩机叶轮11的旋转对空气入口12中存在的环境空气加压，并且将加压空气输送至向内燃机(未示出)给送加压空气的空气出口13。涡轮叶轮9的速度取决于经过环形入口通道4的气体速度。对于流入入口通道的气体的固定质量流率，气体速度为入口通道4宽度的函数，该宽度可通过控制喷嘴环5的轴向位置来调整。随着入口通道4的宽度减小，流经通道的气体速度增加。图1a示出了封闭至最小宽度的环状入口通道4，而在附图1b中入口通道4示出为完全打开。

喷嘴环5支承周向的等间距叶片8阵列，每个叶片延伸经过入口通道4。叶片8被定向为将流过入口通道4的气体偏转至涡轮叶轮9的旋转方向。当喷嘴环5接近环形罩以及饰面壁时，叶片8通过罩6中适当构造的槽突出并进入凹进7中。

气动致动器16可操作用于经致动器输出轴(未示出)控制喷嘴环5的位置，致动器输出轴被连至镫形元件(未示出)。该镫形元件又接合支承喷嘴环5的轴向延伸的导杆(未示出)。因此通过适当地控制致动器16可控制导杆的轴向位置从而控制喷嘴环5的轴向位置。应当理解，可代替气动致动器采用电致动器。

喷嘴环5具有延伸进设置在涡轮壳体中的环状腔19中的轴向延伸的内环状凸缘17和外环状凸缘18。分别提供内密封环20和21以相对于环状腔19的内环状表面和外环状表面密封喷嘴环5，同时允许喷嘴环5在环状腔19中滑动。内密封环20被支承于在腔19内表面形成的环状槽22中并靠在喷嘴环5的内环状凸缘17上，而外密封环21被支承于喷嘴环5的环状凸缘18内设置的环状槽23中，并靠在腔19的径向最外内表面上。将理解，内密封环20可设置在凸缘17的环状槽内而非如图示出的那样，和/或外密封环21可设置在腔外表面内设置的环状槽内而非如图所示出的那样。

如图1c所示，喷嘴环5具有压力平衡孔24、25的第一和第二周向阵列，第一组压力平衡孔25设置在相邻叶片8之间的叶片通道内。第二组压力平衡孔24设置在喷嘴叶片通道半径的外部。

第一和第二压力平衡孔24、25允许环状入口通道与环状腔19流体连通，环状腔19另一方面由密封环20和21从入口通道4密封。

已经发现，当和单独提供第一组压力平衡孔24(位于叶片通道中)相比时，通过添加第二组压力平衡孔24，经过涡轮级的排气脉冲所引起的致动器界面上力的振幅可减小超过80％。

图2和3描述了本发明的第二和第三实施例。和图1a至1c类似，仅仅描述了涡轮喷嘴环/入口通道区域的细节。在合适的地方，在图2和3中采用和图1a和1b相同的参考标记。图2和3都描述了和图1a和1b实施例仅仅在一方面不同的本发明的应用。在图2的实施例中，在喷嘴环5的外凸缘18上提供第二压力平衡孔24，而在图3的实施例中，在喷嘴环5上喷嘴叶片通道叶片8径向向内位置上提供第二压力平衡孔24。

将理解可在其它径向位置提供第二压力平衡孔阵列24。例如，第一组压力平衡孔上游的第二压力平衡孔可至少部分位于叶片通道内，例如每个第二压力平衡孔的一部分可位于叶片通道内。相似地，如图2所示，在第一压力平衡孔阵列下游提供第二组压力平衡孔的情况下，第二压力平衡孔可全部或部分位于和叶片通道外部相对的叶片通道内。例如，每个第二压力平衡孔可全部位于叶片通道内。

在本发明的一些实施例中，在第一压力平衡孔径向范围和第二压力平衡孔的径向范围之间可能存在重叠。例如第一压力平衡孔上游的第二压力平衡孔阵列中的每个的径向最内沿的半径小于每个第一压力平衡孔的径向最外沿。相似地，在第一压力平衡孔下游提供第二压力平衡孔阵列的情况下，每个压力平衡孔的径向外沿半径都大于每个第一压力平衡孔的径向内沿。

应当理解，第二压力平衡孔24可位于叶片通道内部或外部或者位于内环状凸缘或者外环状凸缘中。

图4示出了本发明的第四实施例。和图1、2和3相似，仅仅描述了涡轮喷嘴环/入口通道区域的细节。在合适的地方，在图4中采用和前面附图相同的参考标记。图4描述了和图1a和1b实施例仅仅一个重要方面不同的本发明的应用：如EP 1435434(其特别通过引用并入本文)所公开的那样提供旁路。

EP 1435434公开的涡轮具有通过提供旁路周向孔阵列而变形的喷嘴环。旁路孔被定位以使得除了当喷嘴环接近在发动机制动模式中所采用的封闭位置时(此时孔通过密封)，旁路孔位于远离涡轮入口通道的喷嘴环密封结构一侧。这样打开了旁路路径，允许一些废气经喷嘴环后面的腔而非通过入口通道从入口腔流至涡轮叶轮。特别因为叶片不偏转气体，所以绕过入口通道和喷嘴叶片的废气流和通过入口通道的废气相比所起作用小。换言之，一旦旁路孔与入口通道连通，涡轮增压器的效率立即下降，压缩机流出物压力(升压)相应地下降，伴随发动机气缸压力下降。

因此，在常规运行状况下提供入口旁路孔26对涡轮增压器的效率没有影响，但是当涡轮在发动机制动模式下运行以及入口通道被减至最小时，旁路孔将促进入口通道4轴向宽度减小，而不对发动机气缸过度加压。应当理解，可通过适当选择旁路孔26的数量、尺寸和形状预先确定对涡轮增压器效率下降的影响。

再次参考图4，根据EP 1435434的教导，根据本发明除了主压力平衡孔和次压力平衡孔24以外，在喷嘴环5内凸缘17上提供旁路孔26。

在该实施例中，由旁路孔26结合压力平衡孔24和25形成旁路通道。这是EP 1435434中提出的一个特别建议，尽管在这种情形中，仅仅在叶片通道内提供单组旁路孔，但是本发明可以和EP 1435434中所公开的发明的其它实施例组合。换言之，只要能够提供压力平衡孔单阵列的任何地方都可应用根据本发明的压力平衡孔的“双”阵列。

第一和第二组孔可具有基本上相同的尺寸和形状，或者其可具有基本上不同的尺寸和/或形状。一般地，在第二组中优选具有比在第一组中少的孔，以及第二组中的孔小于第一组中的孔。

在一些实施例中，第一组孔可全部位于叶片通道中，但是在其它实施例中每个第一组孔的一部分可径向向内或者向外位于叶片通道外。相似地，在一些实施例中第二组孔全部位于叶片通道外部，但是在其它实施例中，其可至少部分位于第一组孔上游或者下游的叶片通道内。例如，可能的是，对径向方向而言，一些实施例中第一组孔可径向重叠第二组孔。孔可具有各种形状并且不必如所描述的实施例那样为圆形。

Claims (16)

1.一种几何构造可变的涡轮，包括：支承在壳体内绕轴旋转的涡轮叶轮；安装在设置在所述壳体内的腔内的轴向可移动环形壁元件；环形入口通道，其朝向涡轮叶轮径向向内延伸，并限定在可移动壁元件的径向表面和壳体的相对壁之间，所述可移动壁元件可相对于所述壳体轴向移动，以改变所述入口通道的轴向宽度；在限定径向叶片通道的所述径向表面和相对壁之间延伸的入口导向叶片阵列；穿过所述径向表面设置的第一周向孔阵列，所述第一孔阵列中的每一个孔基本上位于所述叶片通道内；以及穿过所述径向表面设置的第二周向孔阵列，所述第二孔阵列中的每个孔相对于经入口的流动方向基本上位于所述第一孔阵列的上游或者下游，使得所述入口和所述腔经第一和第二组孔流体连通。

2.如权利要求1所述的几何构造可变的涡轮，其中可移动壁元件可在完全打开和完全闭合合位置之间移动，其中对于在完全打开和完全闭合位置之间的可移动壁元件的所有轴向位置，第一和第二组孔与所述入口和所述腔流体连通。

3.如权利要求1或者权利要求2所述的几何构造可变的涡轮，其中第一孔阵列中的每个孔围绕第一半径，所述第二孔阵列中的每个孔围绕第二半径，其中第二半径大于第一半径。

4.如权利要求3所述的几何构造可变的涡轮，其中所述第二半径大于所述叶片的径向外部边缘的半径。

5.如权利要求1或者权利要求2所述的几何构造可变的涡轮，其中第一孔阵列中的每个孔围绕第一半径，所述第二孔阵列中的每个孔围绕第二半径，其中第二半径小于第一半径。

6.如权利要求5所述的几何构造可变的涡轮，其中所述第二半径小于所述叶片径向内部边缘的半径。

7.如前述权利要求任一项所述的几何构造可变的涡轮，其中所述第一阵列的每个孔的全部区域位于叶片通道内。

8.如前述权利要求任一项所述的几何构造可变的涡轮，其中第二孔阵列的每个孔至少基本上位于所述叶片通道外。

9.如前述权利要求任一项所述的几何构造可变的涡轮，其中第二阵列中的每个孔的全部区域位于叶片通道外部。

10.如权利要求5所述的几何构造可变的涡轮，其中第二孔阵列中的每个孔至少基本上位于所述叶片通道内。

11.如权利要求10所述的几何构造可变的涡轮，其中第二孔阵列中的每个孔全部位于所述叶片通道内部。

12.如前述权利要求任一项所述的几何构造可变的涡轮，其中所述第二阵列的每个孔的面积小于所述第一阵列中的每个孔的面积。

13.如权利要求12所述的几何构造可变的涡轮，其中所述孔为圆形，并且第二孔阵列中每个孔的直径小于第一孔阵列中的孔的直径的大约70％。

14.如前述权利要求任一项所述的几何构造可变的涡轮，其中第二孔阵列的径向范围与第一孔阵列的径向范围重叠。

15.如前述权利要求任一项所述的几何构造可变的涡轮，其中在所述第二阵列中具有比所述第一阵列中更少的孔。

16.如权利要求15所述的几何构造可变的涡轮，其中在第一阵列中的孔比第二阵列中的孔少大约50％。

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