CN103806948A - 涡轮增压器和用于它的可变喷嘴筒体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮增压器和用于它的可变喷嘴筒体。一种用于涡轮增压器的可变叶片组件包括：支承可旋转叶片的阵列的环形喷嘴环；***件，其具有被密封地接收到涡轮壳体的孔中的管状部分，并具有喷嘴部分，所述喷嘴部分从管状部分的一端沿径向向外延伸，并与喷嘴环沿轴向间隔开，而使叶片位于两者间；和环形的保持器环，其设置在喷嘴环的径向外侧并大体沿径向向内延伸。喷嘴环的面是台阶状的，并且保持器环的径向内缘在台阶的径向外侧与喷嘴环的面接合，保持器环的径向内缘具有小于台阶高度的轴向厚度，使得台阶的其余部分被呈现给流动穿过喷嘴的排出气体。

Description

涡轮增压器和用于它的可变喷嘴筒体
技术领域
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
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。
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向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。
叶片的端部与相邻喷嘴壁之间的间隙通常对涡轮效率从而对整个涡轮增压器性能具有不利影响。该间隙影响在低发动机转速时特别有害。
发明内容
本发明是基于以下发现：在低发动机转速时由于叶片间隙造成的性能损失能够通过在叶片的径向外侧在喷嘴流动路径中配置“负(negative)”台阶而基本上得到降低。所谓“负”台阶是指该台阶沿径向向外面向，以便被穿过喷嘴沿径向向内流动的排出气体撞击。已发现的是：这种负台阶具有与在没有这种台阶的情况下通过降低叶片间隙而获得的性能优点类似的性能优点，但不会招致在叶片间隙被降低时可能发生的问题(例如，由于热膨冷缩效应而发生的叶片联结)。
在本文所描述的一个实施例中，一种用于涡轮增压器的可变叶片组件包括：大体环形的喷嘴环，所述喷嘴环具有相对的第一面和第二面，所述第一面形成用于涡轮的所述喷嘴的一个壁；和***件，所述***件具有被密封地接收到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，所述喷嘴部分与所述喷嘴环沿轴向间隔开，并形成所述喷嘴的相对的壁。所述喷嘴环的第一面在所述喷嘴环的径向外周缘处限定出轴向高度为h的沿径向向外面向的台阶。
叶片的阵列围绕所述喷嘴环沿周向间隔开，并设置在台阶的径向内侧。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。
所述组件进一步包括大体环形的保持器环，所述保持器环设置在喷嘴环的径向外侧，并大体沿径向向内延伸，所述保持器环的径向内缘在台阶的径向外侧与喷嘴环的第一面接合。所述保持器环的径向内缘具有轴向厚度t，所述轴向厚度t小于h，使得沿径向向外面向的台阶的其余部分(具有等于h-t的轴向高度)被呈现给(presented to)流动穿过喷嘴的排出气体。
保持器环能够是与涡轮壳体分别形成的部件，或者是涡轮壳体的一体部分。在分别形成的保持器环的情况下，保持器环能够相对于中央壳体被固定，例如方法是通过将保持器环的径向外侧部分夹持在涡轮壳体与中央壳体之间。
附图说明
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是依据本发明一实施例的涡轮增压器的截面图；
图2是图1所示截面图的一放大部分；
图3是类似于图2的视图，但是示出了现有技术的配置；并且
图4是类似于图3的视图，示出了再一现有技术的配置。
具体实施方式
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。
在图1中以截面图示出了依据本发明一个实施例的涡轮增压器10。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，从而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(未显示)，用于提高发动机的性能。
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。
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而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部上的叶片臂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(未显示)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。 
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***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。多个隔离件被连接在***件52的喷嘴部分56与喷嘴环38之间，用于将喷嘴环固定至***件并在***件的喷嘴部分与喷嘴环之间维持所需的轴向间距。 
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***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，并且优选具有两个沿轴向间隔开的沟槽，如图1中所示，在所述沟槽的每个中保持有密封环58，用于与孔部分32a的内表面密封地接合。有利地，***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。另外，在孔部分32a的端部处，在喷嘴部分58与涡轮壳体的相邻端部之间存在缝隙60。通过这种方式，***件52与涡轮壳体24机械地且热地分离。
涡轮壳体24限定出一体的大体环形的保持器环64，现在将参见图2对其进行更详细的描述。在其径向内侧，保持器环具有环形的沿径向向内延伸的突起70，其与喷嘴环38的面朝***件52的表面接合。突起70与喷嘴环38之间的接合优选沿着喷嘴环的全部360o的圆周，以便基本上密封保持器环与喷嘴环之间的界面。相对于在朝向***件52的方向上的轴向运动，突起70还有助于约束喷嘴环。有利地，保持器环64具有面朝喷嘴环38的径向外表面74的径向内表面72，并且保持器环表面72在直径上略微大于喷嘴环表面74，使得在这些表面之间存在缝隙。该缝隙适应喷嘴环相对于保持器环的径向位移，其例如可能由于不同的热生长或其它原因而发生。
筒体50进一步包括隔热罩80，当筒体被安装到中央壳体上时，所述隔热罩被束缚地保持在喷嘴环38与中央壳体20之间。隔热罩80在喷嘴环与中央壳体之间提供密封，用以防止热的排出气体在这些部件之间迁移到叶片臂40和协调环42被设置于其中的空腔中。隔热罩80有利地是比如弹簧钢等弹性材料，并且隔热罩被构造成使得它在喷嘴环38与中央壳体20之间在轴向方向上受压缩，使得隔热罩的回复力将隔热罩牢固地压靠在喷嘴环和中央壳体的表面上，用以基本上密封住这些表面。
依据本发明，喷嘴环38的面朝***件52的喷嘴部分56的面在喷嘴环的径向外周缘限定出轴向高度为h的沿径向向外面向的台阶。一体保持器环的突起70具有厚度t，该厚度t小于h达预定量。因为突起70抵接由所述台阶生成的喷嘴环的沿轴向面对的表面，所以沿径向向外面向的(或者“负”)台阶的其余部分被呈现给穿过管嘴28流动的排出气体。该负台阶的高度为h-t。对具有高度范围为0～1mm的负台阶的涡轮进行的测试已证明：在低发动机转速时与叶片间隙相关联的性能损失能够通过提供所述负台阶而基本上得到降低。已发现的是：这种负台阶具有与在没有这种台阶的情况下通过降低叶片间隙而获得的性能优点类似的性能优点，但不会招致在叶片间隙被降低时可能发生的问题(例如，由于热膨冷缩效应而发生的叶片联结)。
特别地，测试了四种涡轮增压器构造，其大体与图1相符，例外的是以下指出的变型。构造#1具有非一体的保持器环，其具有等于喷嘴环台阶的厚度，使得没有台阶被呈现给气体流，如图3所示。构造#1还具有119μm的平均叶片间隙。
构造#2与构造#1相同，例外的是平均叶片间隙为103μm。
构造#3具有一体的保持器环，其具有等于喷嘴环台阶的厚度，使得没有台阶被呈现给气体流，如图4所示。构造#3还具有122μm的平均叶片间隙。
构造#4具有一体的保持器环，其具有比喷嘴环台阶小1mm的厚度，使得有高度为1mm的负台阶被呈现给气体流，如图2所示。构造#4还具有122μm的平均叶片间隙。
因此，构造#1-3不体现本发明，而构造#4体现本发明。正常情况下预期的是：构造#1、#3和#4在性能上都将弱于构造#2，因为这些构造具有明显比#2大的叶片间隙。然而，意外地，在全负荷时进行的发动机测试显示：低发动机转速(1250rpm，在该转速时在四种构造之间存在最大的差异(spread))时的所测制动转矩对于构造#2和#4来说是最高的，且它们之间实质上没有差别。构造#3(一体保持器、没有台阶、大的叶片间隙)的制动转矩居于其次，而构造#1(非一体的保持器、没有台阶、大的叶片间隙)的制动转矩最低，如下表所示：
表：1250rpm发动机转速时的所测制动转矩Q。
Figure 857052DEST_PATH_IMAGE001
构造#3和#4的差别只在于是否存在1mm的负台阶。对这些构造的效果的对比表明负台阶具有大约5%的性能优点。对构造#1和#2(区别只在于叶片间隙)的对比表明在没有台阶的情况下将叶片间隙降低16μm具有大约13%的性能优点。使用本发明的负台阶构思，有可能获得与降低叶片间隙所获得的性能水平本质上相同的性能水平，同时避免了可能伴随小叶片间隙发生的联结问题。
喷嘴环台阶高度h能够变化，保持器厚度t也能够变化。作为非限制性示例，高度h的范围能够为大约3mm～大约5mm，厚度t的范围能够为大约2mm～大约4mm，使得负台阶的高度范围为大约1mm～大约2mm。
图2示出了一体保持器64，但是本发明并不局限于这种一体保持器。替代地，保持器能够是非一体的，为图3所示的类型，但是被构造成使得如图2中一样形成负台阶。
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。

Claims (8)

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，所述喷嘴环具有相对的第一面和第二面，所述第一面形成所述喷嘴的一个壁，并且***件具有被密封地接收到所述涡轮壳体的所述孔中的管状部分，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，所述喷嘴部分与所述喷嘴环沿轴向间隔开，并形成所述喷嘴的相对的壁，所述喷嘴环的第一面在所述喷嘴环的径向外周缘处限定出轴向高度为h的沿径向向外面向的台阶；
       叶片的阵列，所述叶片围绕所述喷嘴环沿周向间隔开，并设置在所述台阶的径向内侧，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；和
       大体环形的保持器环，所述保持器环设置在所述喷嘴环的径向外侧，并大体沿径向向内延伸，所述保持器环的径向内缘在所述台阶的径向外侧与所述喷嘴环的第一面接合，所述保持器环的径向内缘具有轴向厚度t，所述轴向厚度t小于h，使得所述沿径向向外面向的台阶的其余部分被呈现给流动穿过所述喷嘴的排出气体。
2. 如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述保持器环是与所述涡轮壳体分别形成的部件。
3. 如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述保持器环是所述涡轮壳体的一体部分。
4. 如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述高度h为大约3～5mm，所述轴向厚度t为大约2～4mm，使得被呈现给气体流的所述台阶的其余部分在高度上为大约1～2mm。
5. 一种用于涡轮增压器的涡轮和可变叶片的组件，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；
大体环形的喷嘴环，所述喷嘴环具有相对的第一面和第二面，所述第一面形成所述喷嘴的一个壁，并且***件具有被密封地接收到所述涡轮壳体的所述孔中的管状部分，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，所述喷嘴部分与所述喷嘴环沿轴向间隔开，并形成所述喷嘴的相对的壁，所述喷嘴环的第一面在所述喷嘴环的径向外周缘处限定出轴向高度为h的沿径向向外面向的台阶；
叶片的阵列，所述叶片围绕所述喷嘴环沿周向间隔开，并设置在所述台阶的径向内侧，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；和
大体环形的保持器环，所述保持器环设置在所述喷嘴环的径向外侧，并大体沿径向向内延伸，所述保持器环的径向内缘在所述台阶的径向外侧与所述喷嘴环的第一面接合，所述保持器环的径向内缘具有轴向厚度t，所述轴向厚度t小于h，使得所述沿径向向外面向的台阶的其余部分被呈现给流动穿过所述喷嘴的排出气体。
6. 如权利要求5所述的涡轮和可变叶片的组件，其中，所述保持器环是与所述涡轮壳体分别形成的部件。
7. 如权利要求5所述的涡轮和可变叶片的组件，其中，所述保持器环是所述涡轮壳体的一体部分。
8. 如权利要求5所述的涡轮和可变叶片的组件，其中，所述高度h为大约3～5mm，所述轴向厚度t为大约2～4mm，使得被呈现给气体流的所述台阶的其余部分在高度上为大约1～2mm。
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