CN100422510C - 可变喷嘴涡轮增压器的改进叶片 - Google Patents

可变喷嘴涡轮增压器的改进叶片 Download PDF

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Abstract

可变几何结构涡轮增压器(10)的叶片(50)和柱结构采用在第一端面(44)上有一孔的叶片，该孔接纳自涡轮壳体(12)上的喷嘴喷嘴面延伸的柱(68)。每一叶片上的第二端面(46)包括一个被接纳在调节环(34)相应槽内的延伸作动片(64)，当该调节环转动时，这些叶片相对于柱转动。

Description

可变喷嘴涡轮增压器的改进叶片
发明领域
本发明总的涉及可变几何结构涡轮增压器，尤其涉及一种对配置在可改喷嘴涡轮增压器的涡轮壳体内的若干空气动力摆动叶片的叶片结构的改进，以改善叶片工作，并延长叶片/涡轮增压器的使用寿命。
发明背景
汽油和柴油内燃机的涡轮增压器是该技术领域内公知的装置，用以利用自发动机排火的废气热量和容积流对按规定路线流到发动机燃烧室的进气流进行增压或提高压力。具体地说，自发动机排出的废气按规定路线流入涡轮增压器的涡轮壳体内，使废气驱动涡轮在该壳体内转动。该废气驱动涡轮被安装在一根公用轴的一端，一径流空气压缩机被安装在其另一端，安置在一压缩机壳体内。这样，涡轮的转动也使该空气压缩机在涡轮增压器的与涡轮壳体分隔的压缩机壳体内转动。该空气压缩机的转动促使进气进入该压缩机壳体，并在发动机燃烧室内与燃料混合并燃烧之前被增压或提高到所希望的压力值。
在涡轮增压器内，常常希望控制流到涡轮的废气流量，以改善涡轮增压器的效率或运转范围。已将可变几何结构涡轮增压器构造得满足这种需求。这种可变几何结构涡轮增压器是一种具有可变排气喷嘴的涡轮增压器，被称作可变喷嘴涡轮增压器。在可变喷嘴涡轮增压器中已采用不同的可变喷嘴构形来控制废气流量。在这种可变喷嘴涡轮增压器中，为达到废气流量控制而采用的一种方法包括采用沿涡轮进口周围成环形布置的若干摆动叶片。这些摆动叶片被共同控制，以改变这些叶片之间流道的喉口面积，从而起到控制进入涡轮的废气流量的作用。
为确保这些可变喷嘴涡轮增压器正确而可靠的运转，各片叶被构形和装配得能按照所需要的废气流量控制动作而在涡轮壳体内自由地改变位置或摆动是重要的。由于这些摆动叶片在涡轮增压器运转期间经受数百万个高温循环，因此要求任何这种摆动机构在这种循环温度状态下能够重复地起作用，而不容忍任何与循环温度有关的材料或机构问题或故障。
已知的多叶片可变喷嘴涡轮增压器包含一些各自被构形成具有一根自其向外伸出的轴的叶片，每根这样的轴被安装在涡轮壳体或喷嘴壁相应的轴孔内。虽然这些叶片被共同作动，在相应的轴孔内与它们的轴一些摆动，然而，业已发现，这种通常的叶片连接和摆动机构并不是没有问题的。
例如，为确保该叶片轴相对于轴孔自由地摆动，该轴最好自叶片上垂直伸出，从而避免受到不希望的对叶片摆动的约束，否则会受到损坏，这是重要的。其次，为确保叶片轴的垂直，常常需要校直或机加工作业，这种二次作业可能要双倍耗时而昂贵的。此外，这种叶片连接和摆动机构当被作动时能在叶片轴上产生高的悬臂负荷，这又会削弱叶片的自由摆动，并最终导致叶片材料或机械破坏。
因此，希望构制一种叶片摆动，供可变喷嘴涡轮增压器一起使用，以获得比普通叶片摆动机构高的叶片运转可靠性。
发明概述
本发明提供了一种可变几何结构涡轮增压器总成，包括：一个中心壳体，在其内配置一根轴，可以转动；一个涡轮壳体12，其一端附接于该中心壳体，具有一废气进口14和出口16，一个连接于该进口的蜗壳，和一个邻近该蜗壳的整体喷嘴外壁24；一个被安装在该蜗壳壳体内并和该轴的一端连接的涡轮叶轮18；一个附接在该中心壳体另一端的压缩机壳体；一个配置在该压缩机壳体内并附接于该轴另一端的压缩机叶轮；若干被配置在该涡轮壳体内的叶片50，每一叶片具有一个配置在基本上平行于该喷嘴外壁的叶片第一轴向面内的孔，每一叶片孔在其内接纳一柱68，所述柱自该喷嘴外壁向外伸出，并伸入该叶片内一部分长度，这些叶片可摆动地安装在该相应的柱上，并还具有一些作动片42，自与该叶片的第一轴向面对置的第二轴向面58延伸；一个环形调节环，被安装成与这些叶片的第二轴向面的轴向邻近，该调节环具有若干槽32，每一条槽被构形成在其内能容纳一相应的作动片，其中，该调节环可转动地被安装在该总成内；和一个作动器，连接于该调节环，以转动该调节环，使每一作动片在一相应的槽内滑动，从而在该涡轮壳体内相对于该轴径向一致地移动该多个叶片。
附图简介
参照下列附图，会更清楚地理解本发明，其中：
图1是采用普通叶片的可变几何结构涡轮增压器的涡轮壳体的分解等角投影图；
图2是表示在叶片上与作动叶接合的环和槽的顶视图；
图3是体现本发明的叶片和支柱的细图；
图4是体现本发明的叶片和作动片的细图；
图5是表示叶片内部要点的体现本发明的叶片的细图；
本发明详述
一可变几何结构或可变喷嘴涡轮增压器大致包括一中央壳体，其一端连接一涡轮壳体，而其另一端连接一压缩机壳体。在包含在该中央壳体内的一支承总成内配置着一根轴，可以转动。一涡轮或涡轮叶轮连接在一轴端，并被支承在该涡轮壳体内，一压缩机叶轮连接在相反的轴端，并被支承在压缩机壳体内。该涡轮和压缩机壳体均用穿过该相邻壳体间的螺栓连接于壳体。
图1表示一已知可变喷嘴涡轮增压器10的一部分，该涡轮增压器包括一涡轮壳体12，壳体12具有一个用以接收废气流的标准的进口14和一个用以将废气引导到发动机排气系统的出口16。一蜗壳连接于该废气进口，一整体喷嘴外壁在该蜗壳附近合并成涡轮壳体铸件。在该涡轮壳体内支承着一涡轮叶轮和轴总成18。供给涡轮增压器的废气或其它高能气体经进口进入涡壳，并经该蜗壳分配到涡轮壳体内，以便经一圆周喷嘴入口20基本上径向进入到涡轮叶轮内。
利用自叶片向外垂直伸出的轴26，将多个叶片22安装到被加工成涡轮壳体的喷嘴壁24上。这些轴26可转动地接合在喷嘴壁上的相应孔28内。这些叶片各自包含一作动片30，这些作动片自所述这些轴杆的相反侧伸出，并和与其一致的环34中的一相应槽32接合，该调节环34用作一第二喷嘴壁。
一作动器总成与该调节环连接，其形状被制成能沿一个方向转动该环，或按需要沿另一方向转动该环，以便相对于涡轮叶轮的旋转轴线，向内或向外径向移动这些叶片，从而相应增加或减少废气流到涡轮的流量。随着该调节环的转动，促使叶片作动片30在其相应的槽32内自一端到另一端移动。由于这些槽沿该调节环的径向取向，叶片作动片在相应槽内的移动，通过叶片轴在其相应孔中的转动使叶片摆动，从而根据该调节环的转动方向，开启或关闭该喷嘴面积。一个包括这些构件的已知可变喷嘴涡轮增压器的例子公开在发明名称为“可变几何结构涡轮增压器”的于1999年9月30日申请的序号为09/408,694的美国专利申请中，其受让人是本发明的共同受让人，在本文中引用该发明作为对比文件。
图2表示当被该调节环作动时，叶片36的通常移动模式。这种移动模式对于已知的叶片构形和按本发明的原理与可变喷嘴涡轮增压器一起使用的叶片构形两者大致是相同的。各叶片作动片42被配置在调节环34的相应细长槽38内。在关闭位置“涡轮增压器”，叶片作动片42处在槽38的第一端44的附近。该位置被称作关闭位置，因为该叶片不是径向向外扩展的，因此用来阻止流到涡轮的废气流量。在中间位置“B”，该一致槽40已被转动了一足够的量，使作动片42在槽38内移离第一端44，移向该槽的中间位置。该作动片的移动是由该叶片相对于喷嘴壁的摆动动作产生的，这种摆动允许叶片转动一给定的量。在位置“B”，叶片的中间径向突起用于使流至涡轮的废气流量比在关闭位置时增加。在位置“C”，调节环现已被转到最大位置，使作动片42在槽38移到第二端46。否则，由于在叶片和喷嘴壁之间的摆动结构，有助于叶片这种进一步移动，从而允许叶片被转到最大开启位置。在位置C，叶片的最大径向突起用于使流到涡轮的废气流量较在中间位置“涡轮增压器”时增加。
如上述发明背景所述，包括如上所述和图1中所示的多个叶片的已知可变喷嘴涡轮增压器的正确运转，需要这些叶片在被调节环作动时能相对于喷嘴壁自由摆动。边种自由摆动要求这些叶片轴不被约束，否则它们在其相应喷嘴孔内的转动会受到阻止。该已知叶片结构通过叶片轴和孔的连接机构而在叶片上施加较高的悬臂负载应力能损害叶片自由摆动。
图3至5表示供按本发明原理构造的可变喷嘴涡轮增压器一起使用的叶片50，它包括一个高压或低压翼面54，一个对置的高压翼面52，和一个轴向面56和58。这些叶片表面与叶片位置相对应被界定在涡轮壳体内。叶片50包含一前缘60和一后缘62，它们处在高、低压翼面52和54的相反公共端。该叶片包含一作动片64，自轴向面58向外伸出，并靠近前缘60。该作动片的形状被构成与一条调节环槽按上述方式配合，以便于叶片作动。
详细参照图3和5，与该已知叶片结构不同，按本发明实践构造的叶片并不包含一根轴。相反，本发明的叶片被设计成具有一个穿透轴向表面56的孔66，其尺寸和形状能在其中容纳相应柱68(见图3)，其中，该柱自涡轮壳喷嘴壁向外垂直伸出。按这种方式构造，由于该固定柱和叶片内的孔之间的相对转动，便使叶片相对于喷嘴壁的摆动。由配置在该可转动叶片孔内的固定壁柱形成的摆动机构使叶片上的悬臂负荷应力值比已知的叶片结构的连接机构的小，从而用于减少或消除对叶片的有效活动和操作的潜在的损害。
每个柱68的形状被构成能利用压配合或其它普通的连接方法跟喷嘴壁连接，并沿大致圆周方向被安装在喷嘴壁内，与所希望的叶片间隔布置相一致。在一个示例性实施例中，将柱68的形状制成具有两不同直径的阶梯结构，其中，第一大直径段70的尺寸和形状被定得能与喷嘴壁产生牢配合连接，而第二小直径段72的尺寸和形状被定得能上喷嘴壁向外伸出，并与叶片孔66配合，能便在其内产生转动。
叶片50被构成具有一厚度，当在高、低压翼面52和54之间测量时，它大于已知的叶片结构，以适应足够坚固的柱子，而不损害叶片的结构完整性。增加叶片厚度以适应喷嘴壁柱的一个意向不到的和叠加效果是获得比包括普通现有技术叶片的涡轮增压器更宽的面积调节比。因此，本发明的叶片相对于固定的效率范围能提供比包括已知叶片结构的涡轮增压器更大的空气动力学流量范围。
该叶片可由同类材料用通常构成普通现有技术叶片的相同方法构成。这些叶片具有大致实心结构或，或用另一种方法构成具有空芯的外结构。在一个示例性实施例中，叶片轴向面56和58被构成具有一空芯的外结构。该空心外结构，最好如业已发现的那样，能提供好的可锻性，较高的刚度/重量比，能便宜地实际生产，并且比普通现有技术叶片的质量轻。
现在已按专利法规的要求详细地说明了本发明，精通该技术的人们会识别对本文所公开的具体实施例的修改和替代。这些修改是处在本发明的精神和范围内的。

Claims (6)

1. 一种可变几何结构涡轮增压器总成，包括：
一个中心壳体，在其内配置一根轴，可以转动；
一个涡轮壳体(12)，其一端附接于该中心壳体，具有一废气进口(14)和出口(16)，一个连接于该进口的蜗壳，和一个邻近该蜗壳的整体喷嘴外壁(24)；
一个被安装在该蜗壳壳体内并和该轴的一端连接的涡轮叶轮(18)；
一个附接在该中心壳体另一端的压缩机壳体；
一个配置在该压缩机壳体内并附接于该轴另一端的压缩机叶轮；
若干被配置在该涡轮壳体内的叶片(50)，每一叶片具有一个配置在平行于该喷嘴外壁的叶片第一轴向面内的孔，每一叶片孔在其内接纳一柱(68)，所述柱自该喷嘴外壁向外伸出，并伸入该叶片内一部分长度，这些叶片可摆动地安装在该相应的柱上，并还具有一些作动片(42)，自与该叶片的第一轴向面对置的第二轴向面(58)延伸；
一个环形调节环，被安装成与这些叶片的第二轴向面的轴向邻近，该调节环具有若干槽(32)，每一条槽被构形成在其内能容纳一相应的作动片，其中，该调节环可转动地被安装在该总成内；和
一个作动器，连接于该调节环，以转动该调节环，使每一作动片在一相应的槽内滑动，从而在该涡轮壳体内相对于该轴径向一致地移动该多个叶片。
2. 权利要求1的可变几何结构涡轮增压器，其特征在于每一柱包括一个第一直径段(70)和一个直径小于第一直径段的第二直径段(72)，前者自靠近喷嘴外壁的第一柱端轴向延伸到该柱的中间位置，后者自该中间位置沿该柱轴向延伸到在叶片孔内的第二柱端。
3. 权利要求2的可变几何结构涡轮增压器，其特征在于该第二直径段被配置在该叶片孔内。
4. 上述权利要求之一的可变几何结构涡轮增压器，其特征在于每一叶片包含一个朝向该涡轮叶片的内径向表面(54)，和一个与该内径向表面对置的外径向表面(52)，其中，该叶片的轴向表面在这些径向表面之间延伸，这些轴向表面包含一个或多个空心区。
5. 权利要求1的可变几何结构涡轮增压器，其特征在于这些作动片被构形成细长件的形状。
6. 权利要求1的可变几何结构涡轮增压器，其特征在于该叶片孔具有一个沿该第一轴向叶片表面定位的开口端，并包括一个在该叶片厚度内在该第一和第二轴向叶片表面之间限定的封闭端。
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