CN103821568A - 喷嘴环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种喷嘴环，其具有两个固定环(10,11)以及多个导叶(12)，其中，用于容纳导叶(12)的销(13)的孔(16)置入一固定环(10)中而用于容纳在导叶(12)处的定位辅助的开口(14)置入另一固定环(11)中。

Description

喷嘴环
技术领域
本发明涉及流动机械的领域，诸如用于增压的内燃机的废气涡轮增压器。
其涉及一种用于这样的流动机械、例如用于废气涡轮增压器的涡轮的喷嘴环。
背景技术
涡轮增压器被用于往复活塞式发动机的功率提升。为了能够尽可能有效地来运行涡轮，使废气在涡轮之前在导引装置(也称喷嘴环)的导叶排中偏转。在带有径向涡轮的废气涡轮增压器中，喷嘴环包括两个固定环(其在两侧上限制流动通道)和多个导叶(其根据应用相对于流动处在一定的角度中且还具有不同的长度)。
如果借助于砂铸或精铸方法一件式地来制造喷嘴环，流动引导虽然通常相当良好，为此必须对每个叶片角度位置来制造自己的铸模。此外，对于附加的角位置或者导叶间距的灵活性受限制，因为在每次改变时必须制造新的铸模，这不仅昂贵而且导致相当长的采购时间。
此外存在一种方法，在其中导叶被焊接或钎焊到单独的环中。在该方法中流动引导虽然是最佳的，但是对于每个角位置必须提供新的环，为此成本略小于精铸方法。
在成本最有利的广泛应用的制造变体中代替棱柱形的轮廓将板焊接或钎焊到固定环之间。成形的导叶布置在固定环中的成形部(Ausformung)中且焊接或钎焊在其中。在这样的喷嘴环中流动引导由于板轮廓而比在这两个首先提及的变体中明显更差。此外在这样的喷嘴环中壁极其薄且因此易被废气颗粒腐蚀。
因此必须在制造喷嘴环时实现在喷嘴环的成本与效率之间的折衷。迄今不存在比精铸方法明显成本更有利而还是实现可比的良好的流动引导的制造方法。
一可能性在于喷嘴环由两个固定环和大量结构相同的叶片组装而成，由此明显改善生产中的灵活性。为了拼接的喷嘴环可覆盖叶片位置和叶片长度(两个固定环的间距)的主要功能，但是也包含附加功能如全部喷嘴环在涡轮中的固定或者对泄漏流动的密封，经常使用不同地或者至少不同地再加工的原始构件(Ausgangsbauteil)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有以精铸方法制造的喷嘴环的流动引导的拼接的喷嘴环，其对于不同的叶片位置和叶片长度可模块化地由各个单件组装而成。
根据本发明这利用一喷嘴环来实现，在其中导叶在一端侧上具有销，其容纳在第一固定环中的为此所设置的孔中。叶片的角位置在另一端处通过在固定环中的相应的轮廓凹口(Profilausnehmung)(其与端侧的整面或者但是还仅与在端侧上的凸起的轮廓相应)在第二固定环中来调节且通过叶片的装配耐久地来固定。
在第一端侧上的销具有该优点，即第一固定环仅简需要简单的孔来容纳叶片。该固定环由此也可具有更复杂的形状，而不由于轮廓截段使该环的制造困难。对于所有叶片角位置可使用在叶片的旋转点中始终带有相同的孔的仅仅一个环。
通道宽度和因此有效的、在流动通道中起作用的叶片长度通过截切轮廓的第二固定环来调节。该调节可以经由在导叶处的一个或多个凸肩或者但是借助于保持间距的工具在接触部位拼接期间实现。
各个导叶的旋转点可根据实施形式改变，因此销可根据实施形式在不同的地点处沿着导叶的端侧布置。
喷嘴环的导叶可以以可变的轮廓(形状、横截面或者角位置)在精铸、粉末冶金或者精锻方法中来制造。
为了将导叶固定在固定环处，可将它们材料配合地相互连接，例如通过焊接或者钎焊。在任何情况中将它们相互连接成使得导叶和固定环在拼接之后彼此间不可移动。可选地，导叶也可形状或力配合地固定在固定环处，例如通过咬合装置或者压合连接(Pressfügung)。
如果以精铸方法来制造各个叶片，其可具有任意的几何结构，由此在组装完成的喷嘴环中得到最佳的流动引导，其相应于以精铸方法一件式地制造的喷嘴环的流动引导。
有利地可将导叶铸造为空心轮廓，由此喷嘴环的总重量可减少。这由此变轻且因此可更简单地来装配和拆卸。还通过导叶的空心轮廓正面地来影响在带有热的空气流动的运行中的瞬时应力。
根据本发明的、由单件组装而成的喷嘴环能够比可比的、以精铸方法制造的一件式的喷嘴环明显成本更有利地来制造。成本优点由多重简化的铸造或锻造工作得到。通过带有用于容纳销的孔的第一固定环可被用于带有不同角位置的喷嘴环的多个实施形式，通过喷嘴环的准备和预制进一步减少额外耗费。
因为根据本发明的喷嘴环由不同的单件组装而成，也可以使用不同的材料。这相对于以精铸方法一件式地制造的喷嘴环有助于进一步降低制造成本。由此例如仅导叶由更高级的材料(例如镍基合金)来铸造或者锻造，而固定环由成本有利的材料(例如CrNi钢)来制造。这两个喷嘴环当然也可各由另一材料制成，因为其例如须承受不同的热负荷或者机械负荷。
根据本发明由各个导叶和分离的固定环制成的喷嘴环的另一优点在此可见，即可利用唯一的叶片轮廓来实现带有不同叶片位置的喷嘴环。对于固定环的制造在此仅产生几乎不值得一提的额外耗费，因为仅须改变用于在固定环中截切开口的模型或程序。与此相对，在以精铸方法一件式地制造的喷嘴环中对于每个叶片位置需要自己的铸模，其必须特别地来制造。在一定的结构尺寸的废气涡轮增压器中例如需要直至10个不同等级(Staffelung)(轮廓的角位置)。
根据本发明由各个导叶和分离的固定环制造的喷嘴环的另一优点在此可见，即代替完整喷嘴环也可无显著额外耗费地来制造各个部段。在周向上划分成两个或者更多个部段的喷嘴环具有在加热和冷却时改善的瞬时特性。此外，分段的喷嘴环的单个部件(也不带空心轮廓)明显轻于完整的一件式的喷嘴环，这对于装配和拆卸是有利的。
为了根据本发明的喷嘴环在安装到流动机械中时能够关于周向正确地且保持地来定位，在固定环处可设置有定位元件。其可构造为凸起或为置入固定环中的槽。
另外的优点由从属权利要求得出。
附图说明
接下来根据附图来说明根据本发明的喷嘴环的实施形式。其中：
图1显示带有根据本发明构造的喷嘴环的废气涡轮增压器的径向涡轮的剖面图，
图2显示带有大量叶片的根据本发明的第一实施形式构造的喷嘴环的等距视图，
图3显示带有大量叶片的根据本发明的第二实施形式构造的喷嘴环的等距视图，
图4显示根据图2的喷嘴环的工作叶片的细节视图，
图5显示根据图2的喷嘴环的示意性的剖面图，
图6显示根据图3的喷嘴环的工作叶片的细节视图，
图7显示根据图3的喷嘴环的示意性的剖面图，
图8显示根据第三实施形式构造的喷嘴环的工作叶片的细节视图，
图9显示根据第三实施形式构造的喷嘴环的示意性的剖面图，
图10显示根据第四实施形式构造的喷嘴环的工作叶片的细节视图，
图11显示根据第四实施形式构造的喷嘴环的示意性的剖面图，
图12a和12b根据第四实施形式构造的导叶尖端的细节视图，以及
图13显示带有根据现有技术带有涡轮侧的喷嘴环的径向涡轮的废气涡轮增压器的示意性的剖面图。
附图标记清单
1 喷嘴环
10, 11 固定环
12 导叶
13 销
14 固定环中的开口
15 凸起
16 孔
2 压缩机轮
20 压缩机壳体
3 涡轮叶轮(Turbinenrad)
31 涡轮叶轮的工作叶片
32 涡轮叶轮的轮毂
30 涡轮壳体
4 轴
40 支承壳体
A, B 导叶的端面。
具体实施方式
关于在废气涡轮增压器的径向涡轮中的使用来说明根据本发明的喷嘴环的此后所列举的实施例。如其通过权利要求来保护的那样，根据本发明的喷嘴环然而也适用于其它流动机械，由此例如适用于泵、压缩机、燃气涡轮等。
图13显示带有在径向上流入的废气涡轮和径向压缩机2的传统的废气涡轮增压器。为了能够尽可能有效地来运行废气涡轮，使废气在到达涡轮叶轮3之前在导引装置、喷嘴环1中取向到涡轮叶轮的工作叶片31上。
图1显示废气涡轮增压器的在径向上流入的轴向涡轮的截段。利用箭头来表示来自往复活塞式内燃机的燃烧室的废气流的流动方向。根据本发明构造的喷嘴环1由多个导叶12组装而成，其在周向上有规律或者无规律分布地布置在流动通道中。导叶12在流动通道两侧分别被环板状的固定环10和11保持在固定的角位置中。在面向支承壳体40的侧面上，导叶12根据本发明借助于销13定位在固定环10中的孔中。在背向支承壳体40的侧面上，导叶12根据本发明包括定位辅助。定位辅助在第二固定环11中的相应的与相应的定位辅助的造型相符的开口中的布置关于其角位置固定导叶12。根据本发明模块化地由单个部件组装而成的喷嘴环如何具体地来组装，现在根据另外的附图来阐述。
图2和图3分别显示完成装配的、然而还未安装到涡轮中的、根据本发明构造的喷嘴环1的等距视图。在此可见多个单独的叶片12，其在周向上分布地布置在第一固定环10与第二固定环11之间且在其角位置中固定，其中，这两个固定环彼此平行且同轴地关于其共同的中心轴线布置。
环形的板、第一固定环10用作喷嘴环1的基础。根据在废气涡轮中的安装几何结构，第一固定环10可呈现超过板状的基本形状的形、例如附加的固定法兰，以使能够固定在支承壳体40与涡轮壳体30之间的结合部中。对于根据本发明的功能，对于第一固定环然而仅环板形状是重要的。将孔(此后在其中可容纳且必要时来固定喷嘴环的导叶的销)置入第一固定环10的环板(其在运行中还限制流动通道)中。
导叶12在根据图2、4和5的最简单的第一实施形式中包括带有两个平的端面A和B的流线形地构造的叶片体以及销13，其布置在导叶的面向第一固定环的端侧A处。端面B在此用作定位辅助，以便将导叶12固定在预设的角位置中。销13在长度、直径以及其形状上与在第一固定环10中的孔16匹配，使得导叶12在可能的、最终的固定之前在***状态中可取向到由在第二固定环中的开口预设的角位置中、尤其通过围绕销的轴线旋转导叶。可选地，导叶围绕销的轴线的旋转由于孔和销的形状可限制到一个或者多个角度范围或者单个的离散的角度值上且不必强制形地允许销在孔中的完整的连续的回转。
根据本发明模块化地构建的喷嘴环的第三元件是第二固定环11，其在最简单的形式中仅是带有用于容纳导叶12的定位辅助的开口14的板。在此，开口14在大小和形状上与定位辅助的造型相协调且相应于应容纳在开口14中的定位辅助的轮廓。定位辅助在此至少部分地相应于端侧B的轮廓，使得开口14部分地或完全地相应于导叶12的端侧B的轮廓。通过开口14的取向来确定各个导叶的位置。每个导叶可在第一固定环10中的孔16中围绕销轴线旋转，直到通过将自由的导叶端部***在第二固定环11中的开口14中来确定所设置的位置。为了能够制造带有不同地取向的导叶12的喷嘴环，根据本发明仅需来匹配第二固定环11，而第一固定环10和导叶12对于导叶12的全部可能的角度可保持不变。
在制造时有利地来截切或冲裁第二固定环中的成形部。在切割时尤其适用激光切割。备选地，两个固定环也可作为单个部件来铸造。
在根据本发明的喷嘴环的第一实施形式中第二固定环具有开口14，其相应于完整的导叶横截面-轮廓，因为端面B整个用作定位辅助。因此第二固定环11可沿着导叶的高度移动，这如利用为了说明的目的分开的固定环在图2的右半边中所示。由此可利用不变地构造的固定环来制造不同流动通道宽度的喷嘴环。
在根据图3以及图6至8的第二和第三实施形式中，开口14在第二固定环11中构造成使得其不再相应于完整的导叶横截面-轮廓，而是仅还可在端面B的区域中容纳导叶尖端的一部分。
相应地，定位辅助实施成使得其仅还部分地相应于端侧B的轮廓。导叶尖端按照根据图6和7的实施例设有凸起15，其外轮廓在形状和大小上相应于在第二固定环11中的开口14。如由图7可见，第二固定环11在该实施形式中因此不再能任意沿着导叶的高度移动。而在导叶处的止挡负责在喷嘴环1中流动通道的限定的高度h'。
按照根据图8和9的实施例的导叶尖端具有阶梯状构造的两个凸起15'和15''，其允许以一导叶类型和两个不同地构造的第二固定环11'和11''来实现不同的确定的两个流动通道高度h'和h''。为此在相应的第二固定环中开口14'和14''与在导叶处的相应的凸起15'和15''的外轮廓相协调。
在根据图10至12的第四实施形式中导叶尖端构造成使得其包括两个定位辅助。对此，导叶尖端具有分离地构造的两个凸起16和16'。这允许在制造各个导叶12时较大的公差，因为在装配期间通过两个定位辅助可在定位时获得更好的精度。相应的第二固定环11''构造成使得导叶尖端的凸起16和16'容纳在分离的开口14'和14''中。在此开口14'和14''在形状和大小上相应于凸起16和16'的轮廓。图12显示这两个端侧A和B的俯视图。根据本发明，凸起16和16'在下部的区域中具有带有导叶12的端侧B的共同的轮廓。通过在上部的区域中的虚线应来说明，凸起16和16'在上部的区域中不必强制地相应于导叶12的端侧B的轮廓。
在装配根据本发明的模块化地组装的喷嘴环时如上所述导叶以其销被***第一固定环中的孔中。在相对的侧面上将导叶的自由端引入在第二固定环中的配合的开口中，其中，围绕销的轴线使导叶取向到孔中，由此定位辅助容纳在第二固定环中的开口中。备选地，首先可将导叶***第二固定环中且接下来将销引导到第一固定环的孔中。如果喷嘴环的流动通道高度不经由止挡来确定，如在根据图6至12的实施形式中那样，所希望的流动通道高度可借助于布置在这两个固定环之间的间隔垫片(Abstandhalter)来调节。最后，材料配合地将构件相互连接、例如通过焊接或者钎焊，由此将它们彼此不可移动地连接成唯一的构件。可选地，也可将构件形状或力配合地相互连接、例如通过咬合装置或者压合连接。
虽然在所示的实施形式中这两个固定环相应彼此平行地布置，也可考虑固定环彼此成角度地布置的实施形式且通过接下来的权利要求来保护。在此第一和/或第二固定环分别锥状地来构造，使得在同轴布置的固定环之间在沿着轴线引导的剖面中得到不同于平行布置的角位置。在此可考虑在-10°(径向上朝向外变窄)至+20°(径向上朝向外敞开)的范围中的角开口。

Claims (14)

1. 一种喷嘴环(1)，其包括环板状的第一固定环(10)和环板状的第二固定环(11)以及多个导叶(12)，其布置在彼此同轴地布置的所述固定环(10, 11)之间且以相应的角位置固定，其特征在于，所述导叶(12)分别在第一端侧(A)处具有销(13)，所述导叶(12)通过相应的所述销(13) 布置在相应的孔(16)中在所述第一固定环(10)中来引导，其中，相应的所述销(13)和相应的所述孔(16)构造成使得所述导叶(12)在装配所述喷嘴环(1)期间能够取向到相应的所述角位置中，所述导叶(12)分别在第二端侧(B)处具有至少一个定位辅助，其分别至少部分地相应于所述第二端侧(B)的外轮廓，并且所述导叶(12)通过至少一个所述定位辅助相应布置在所述第二固定环(11)中的与所述定位辅助的造型相应的开口(14)中在其角位置方面来固定。
2. 根据权利要求1所述的喷嘴环，其中，在所述第一固定环(10)中的所述孔(16)和所述导叶(12)的销(13)成形成使得所述销的旋转限制到一角度范围或者单个的、离散的角度值上。
3. 根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴环，其中，所述导叶(12)形状配合地、力配合地或者材料配合地与第一和/或第二固定环(10, 11)相连接。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴环，其中，所述导叶(12)的定位辅助构造成使得所述第二端侧(B)分别具有至少一个凸起(15, 15', 15'')，其相对所述端侧(B)伸出，且其中，所述导叶(12)沿着至少一个所述凸起(15, 15', 15'', 16, 16')布置在所述第二固定环(11, 11', 11'')中的与至少一个所述凸起的外轮廓相应的开口(14, 14', 14'')中。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴环，其中，所述导叶(12)由第一材料制成，且其中，所述第一固定环(10)或者所述第二固定环(11)或者所述第一固定环(10)和所述第二固定环(11)由与所述第一材料不同的第二材料制成。
6. 根据权利要求5所述的喷嘴环，其中，所述导叶(12)由镍基合金制成，且其中，所述第一固定环(10)或者所述第二固定环(11)或者所述第一固定环(10)和所述第二固定环(11)由CrNi钢制成。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴环，其中，所述第一固定环(10)和/或所述第二固定环(11)锥状地构造成使得在两个所述固定环之间得到在-10°与+20°之间的角度。
8. 一种废气涡轮增压器，其特征在于带有根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴环(1)的径向涡轮。
9. 一种导叶，其用于在相应的角位置中布置和固定在喷嘴环的彼此同轴地布置的两个固定环之间，其中，所述导叶(12)在第一端侧(A)处具有销(13)，其特征在于，所述导叶(12)在第二端侧(B)处具有至少一个定位辅助，其相应至少部分地相应于所述第二端侧(B)的外轮廓。
10. 一种用于制造带有布置在第一固定环(10)与第二固定环(11)之间的大量导叶(12)的喷嘴环的方法，在所述方法中所述导叶(12)在端侧(A)处设有销(13)，利用其将所述导叶(12)布置在所述第一固定环(10)的孔(16)中，所述第二固定环(11)中置入有开口(14)，其相应于所述定位辅助(12)的造型且将所述导叶的定位辅助***其中，并且将所述叶片(12)与两个所述固定环(10, 11)材料配合地、力配合地或者形状配合地相连接。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中，使所述导叶(12)围绕所述销(13)在所述孔(16)中旋转地与在所述第二固定环(11)中的所述开口(14)对齐。
12. 根据权利要求10所述的方法，其中，首先将所述导叶(12)的定位辅助引入在所述第二固定环(11)中的所述开口(14)中且接着将所述销(13)引入在所述第一固定环(10)中的所述孔(16)中。
13. 根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，被引入在所述第二固定环(11)中的所述开口(14)中的所述导叶(12)的定位辅助在所述端侧(B)处包括至少一个凸起(15)，并且所述凸起被引入在所述第二固定环(11)中的所述开口(14)中，其中，所述端侧(B)给所述第二固定环(11)提供止挡且所述导叶被引入在所述第二固定环(11)中的所述开口中直至所述止挡。
14. 根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，两个所述固定环(10，11)为了材料配合地连接彼此间借助于间隔垫片来定位。
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