CN101173614A - 可变喷嘴涡轮增压器的叶片组件及叶片组件的组装方法 - Google Patents

Abstract

叶片组件包括叶片，每个叶片具有轴杆和组装叶片组件前与叶片固定连接的臂。叶片、轴杆和臂可以是通过铸造、机械加工或金属注模而形成的一体结构。轴杆与喷嘴环内的孔接合并可围绕叶片的轴线在孔内旋转。促动器环与喷嘴环组装在一起并可相对旋转。促动器环限定了与叶片臂上的协作连接元件连接的连接元件。促动器环的旋转使叶片旋转来调节叶片的角度。在组装过程中，将轴插入到孔中的运动也有效地使臂位于与促动器环连接的位置。

Description

可变喷嘴涡轮增压器的叶片组件及叶片组件的组装方法

技术领域

本发明涉及具有可变喷嘴涡轮机的涡轮增压器，其中可移动的叶片布置在涡轮机的喷嘴中，以调节废气流入涡轮机中。

背景技术

废气驱动式涡轮增压器是一种与内燃机联合使用的装置，用于通过对进入发动机的进气口而与燃油进行混合且在发动机内燃烧的空气进行压缩来提高发动机的功率输出。涡轮增压器包括安装在压缩机壳体中的轴的一端上的压缩机轮和安装在涡轮机壳体中的轴的另一端上的涡轮机轮。通常涡轮机壳体与压缩机壳体分开形成，在涡轮机和压缩机壳体之间还连接着另一个用来容纳轴的轴承的中心壳体。涡轮机壳体限定包围涡轮机轮并接收发动机的废气的通常为环形的室。涡轮机组件包括从室通入涡轮机轮的喷嘴。废气从室经过喷嘴流动到涡轮机轮，涡轮机轮由废气驱动。由此涡轮机从废气中获取动力并驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口接收周围空气，空气被压缩机轮压缩，然后从壳体排放至发动机进气口。

用涡轮增压器提高发动机的性能的难题之一是在发动机的整个工作范围内都获得所需的发动机功率输出量。已经发现，这个目标使用固定几何形状涡轮增压器通常是很难实现的，因此，为了能够对涡轮增压器提供的推进量进行更高度控制，开发了可变几何形状涡轮增压器。一种可变几何形状涡轮增压器是可变喷嘴涡轮增压器(VNT)，其包括在涡轮机喷嘴中的可变叶片阵列。叶片可枢转安装在喷嘴中并连接在可以改变叶片的设置角度的机构上。改变叶片的设置角度具有改变涡轮机喷嘴中的有效流动面积的作用，因此，废气向涡轮机轮的流动可以通过控制叶片的位置来调节。通过这种方法，涡轮机的功率输出可以得到调节，这将允许发动机的功率输出以比固定几何形状涡轮增压器通常可能的更大的程度控制。

现有的可变叶片机构趋向于由相对大量的的分开的部件组成，因此复杂并且给制造和组装带来困难。改善可变叶片机构的易于制造和组装是期望的。

发明内容

本发明通过为具有减少了部件数量且因此相对于一些现有的可变叶片组件降低了制造和组装的复杂性的可变喷嘴涡轮机提供一种可变叶片组件来满足上述需求并获得其它的优点。按照本发明的一个实施例，可变叶片组件包括限定了多个周向间隔的孔的固定喷嘴环，和周向间隔的叶片的环，每个叶片包括从最接近喷嘴环的第一端轴向延伸到相对的第二端的翼面部分。每个叶片具有与翼面部分的第一端以固定方式连接并沿远离第二端的方向从其轴向延伸的轴杆，所述轴杆限定了叶片的旋转轴线。叶片的轴杆插入喷嘴环的孔中，这样轴杆可以在孔中旋转。

促动器环与喷嘴环相邻并与喷嘴环同心布置，促动器环可相对于喷嘴环围绕轴线旋转。在一些实施例中，促动器环可以同心围绕喷嘴环的一部分，使得促动器环与喷嘴环的该部分共面。促动器环限定了多个周向间隔的第一连接元件。

每个叶片还包括臂，臂具有最接近翼面部分第一端与叶片固定连接的近端。臂的远端偏离叶片的旋转轴线并限定了构造为与促动器环的第一连接元件中的一个连接的第二连接元件。将每个叶片的轴杆插入到喷嘴环的孔之一中也有效地连接叶片的第二连接元件和促动器环的第一连接元件之一，从而连接叶片的臂到促动器环。因此，促动器环的旋转使臂移动并由此引起叶片围绕其旋转轴线旋转，从而调整叶片的旋转取向。

在一些实施例中，每个叶片和与它相关的轴杆和臂包括一体的结构。该结构可以通过铸造、对单块的原材料进行机械加工、金属注模(MIM)或任何其它适合的技术来形成。

因此，可变叶片机构具有相对简单的结构。特别是，在一些实施例中，所有的叶片相互都是一样的，因此使得整个组件只包括三个部件构造：(1)喷嘴环，(2)促动器环，和(3)叶片。与其中叶片和臂在组装之前是分开的现有的叶片组件相比，部件的数量也大量减少了。组装的过程也被大量简化，因为在组装过程中无须焊接或其它的将臂接附到叶片的步骤。

按照本发明的另一方面，组装叶片组件的方法包括以下步骤：(1)提供环绕着轴线的喷嘴环，该喷嘴环具有通常与轴线垂直的环形表面并限定了多个延伸通过所述环形表面的周向间隔的孔；(2)将促动器环与喷嘴环组装在一起，使促动器环邻近喷嘴环且与喷嘴环同心，促动器环限定了多个周向间隔的第一连接元件且可相对于喷嘴环旋转；(3)提供多个叶片，每个叶片包括从第一端轴向延伸到相对的第二端的翼面部分，和与翼面部分的第一端固定连接并沿远离第二端的方向从其轴向延伸的轴杆，该轴杆限定了叶片的旋转轴线，每个叶片还包括臂，其具有最接近翼面部分的第一端与叶片固定连接的近端，臂的远端偏离叶片的旋转轴线并限定了构造为与促动器环的第一连接元件中的一个连接的第二连接元件；和(4)将每个叶片的轴杆插入喷嘴环的孔之一中，插入轴杆的运动也有效地将叶片的第二连接元件置于与促动器环的第一连接元件之一相连接的位置。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行概括性的描述，附图不需要按比例进行绘制，其中：

图1表示按照本发明的一个实施例的具有可变叶片组件的涡轮增压器的部分组件的透视图；

图2表示图1中的部分组件的分解图；

图3表示按照本发明的一个实施例的具有整体臂的叶片的透视图；

图4表示叶片的另一个透视图；

图5表示按照本发明的一个实施例的可变叶片组件的透视图；

图6表示图1中的部分组件的部分截面透视图。

具体实施方式

下面将参考显示本发明的一些，但不是全部实施例的附图对本发明进行更详细的描述。实际上，这些发明可以具有许多不同形式的实施例，而不应当被解释为限定在这里提到的实施例的范围内；而是这些实施例的提供是为了使本发明公开的内容满足适用法律的要求。贯穿全文相同的附图标记表示相同的元件。

按照本发明的一个实施例中的涡轮增压器的部分组件10显示在透视图1、分解图2和部分截面透视图6中。部分组件包括安装在轴14的一端的涡轮机轮12。该涡轮机轮是涡轮机的一部分，涡轮机包括包围涡轮机轮的涡轮机壳体组件。涡轮机壳体组件包括涡轮机壳体15和具有通常为管状部分18的插入体16，其插入到涡轮机壳体的通常为圆柱的孔口中并形成废气通过涡轮机轮的流动通道的一部分。插入体16的管状部分18结合到从管状部分的端部径向向外延伸的通常环形部分20上。环形部分20形成引导废气从限定在涡轮机壳体15内的通常的环形室径向向里进入涡轮机轮12的喷嘴的一个壁。

喷嘴的相对壁部分地由固定在部分组件10的中心壳体24上的通常为环形的盖或盘22形成。盖22在其外径上具有与中心壳体的通常为圆柱形的凸缘的径向外表面接合的通常为圆柱形的凸缘。中心壳体容纳着用来使轴14穿过中心壳体的轴承25。与涡轮机轮12相对的轴14的端部连接到由涡轮机轮12驱动的压缩机轮(图中未示出)上。

参照图2，与插入体16的环形部分20相对的喷嘴的相对壁也部分地由喷嘴环26形成。喷嘴环26通过多个围绕喷嘴环圆周间隔开的隔离物28连接在环形部分20上。隔离物28保持喷嘴环26和环形部分20相互的轴向距离基本不变。喷嘴环26也与固定在中心壳体24上的罩30和定位环31接合，以保证喷嘴环相对于中心壳体基本同心。罩31也可以用作热屏蔽件，防止中心壳体受到通过涡轮机的热的废气的影响。

喷嘴环26支撑着多个布置在喷嘴内的可调叶片32，喷嘴位于由喷嘴环26和盘22形成的壁与由插入体16的环形部分20形成的相对壁之间。叶片32围绕喷嘴环的圆周周向间隔开。参照图3和图4，每个叶片32具有翼面部分34，它被流经喷嘴进入涡轮机轮的废气浸湿，并与相邻叶片协作作用以确定或影响流经叶片之间通道的废气的流动方向。在翼面部分34的近端，轴杆36与翼面部分固定连接以形成翼面/轴杆组件。喷嘴环围绕其圆周限定了多个周向间隔开的孔38。每个孔38接收叶片之一的轴杆36。轴杆36在孔38内可围绕轴杆的轴线旋转来调整翼面部分34的设置角。孔38延伸通过喷嘴环的通常环形表面40，环形表面40通常与喷嘴环的中心轴线垂直并面向插入体16的环形部分20。每个叶片32的翼面部分34轴向从邻近环形表面40的翼面部分的近端延伸至相对的远端。翼面部分34的远端可以是如图所示的自由端，或可以替代地远端包括与插入体16的环形部分20上的孔接合的轴杆。有利地，翼面部分34的近端紧邻喷嘴环26的环形表面40，并且翼面部分34的远端有利地紧邻环形部分20，使得基本防止流经喷嘴的废气在翼面部分的端部和喷嘴的邻近壁之间的泄漏。

每个叶片32还包括与翼面/轴杆组件固定连接的臂42。臂42连接在翼面部分34的远端和轴杆36的远端中间的位置，与臂连接到轴杆的远端的现有技术的叶片相反。有利地，臂连接到最接近翼面部分34的近端的位置。臂42垂直于轴杆36的轴线延伸，并在远端44终止。远端包括远离翼面部分34的近端沿与轴杆36相同的方向轴向延伸的凸起46。叶片32和与它相关的轴杆36和臂42做成一体的结构。该结构可以通过将翼面部分34和轴杆36一起制造成单一的部件(例如，通过铸造或机械加工)，将臂42制造成分开的部件，然后通过焊接或类似的方法将两部件结合一起来形成。但是，替代地，整个叶片结构也可以作为单一的部件通过铸造、机械加工、金属注模(MIM)或任何其它适合的技术来形成。

参照图5，对构成图1和图2中描述的部分组件10的一部分的可变叶片组件单独进行说明。可变叶片组件包括喷嘴环26、叶片32和促动器环48。促动器环包围着具有用于叶片轴杆的孔38的喷嘴环26的部分。更具体地，喷嘴环26是具有结合到较小直径部分的较大直径部分的阶梯构造。促动器环包围着较小直径部分，并且较大直径部分布置成轴向邻近促动器环。促动器环可围绕着喷嘴环的轴线旋转。促动器环与叶片32的臂42接合，使得促动器环的旋转可以使叶片围绕轴杆36的轴线旋转。促动器环48和叶片臂42位于喷嘴环26的前面或“流动”侧。

更具体地，每个叶片臂42的远端限定了与由促动器环48限定的协作的连接元件连接的连接元件。在图示的实施例中，促动器环48的连接元件具有限定在促动器环中的容器50，并且叶片臂的连接元件具有接收在容器50内的凸起46。可替换地，促动器环可以限定接收在限定在叶片臂内的容器内的凸起，或者，叶片臂和促动器环之间的连接可以采用其它的方式实现。

在如图所示的优选实施例中，可变叶片组件被构造为可以简化部件的组装。特别地，在组装过程中，促动器环48组装到喷嘴环26上并相对于喷嘴环可转动地定位，使得容器50基本与喷嘴环中的每个孔38对齐。叶片的轴杆36以叶片臂42上的凸起46接收到容器50内的取向插入喷嘴环的孔38中。喷嘴环的每个孔38具有接收轴杆36中的一个并为其形成轴承表面的相对小的直径部分，和在喷嘴环的环形表面40处包围所述小直径部分的相对较大直径的埋头部分。邻近臂的近端的每个叶片的臂42的纵向部分容纳在相应孔的埋头部分中。将轴杆36插入到孔38中的运动使叶片臂凸起46与促动器环的协作的连接元件(即，容器50)基本同时连接，或者至少使凸起46位于待与促动器环连接的位置。因此，按照本发明的做成一体的叶片和将叶片臂和促动器环连接的布置避免组装过程中所需的叶片部件的焊接。这与现有的一些可变叶片组件不同，在现有的叶片组件中，每个叶片形成为2个分开的部件，其在组装过程中必须焊接在一起。

主要参照图2，促动器环限定了用来接收在喷嘴环26与促动器环48相对的一侧上布置在中心壳体24一侧的曲柄臂56上的接头54的凹槽或狭缝52(图5)。曲柄臂56与布置在中心壳体24的相对一侧的另一个曲柄臂60的轴58固定连接。轴58延伸通过套筒62，套筒62贯穿通过中心壳体24，并且轴58的端部与曲柄臂56固定连接。曲柄臂60被促动器(图中未示出)转动，这使曲柄臂56旋转，使得接头54使促动器环48旋转。用这种方法，叶片32的设置角可以调整为任意期望的角度，从而调节废气流入涡轮机轮12。

在这里进行显示和描述的示意性实施例中，促动器环48具有由促动器环的径向内表面上的凹槽形成的用于叶片臂42的容器50。但是，可替换地，容器也可以由促动器环的径向外表面上的凹槽形成。在示意性实施例中，盖22也限定了用来容纳叶片臂42的凹槽23(图1)。凹槽23沿圆周被延长以适应叶片臂42的圆周运动的范围。

喷嘴环内形成叶片轴杆36的轴承表面的孔38可以是盲孔，或可以整个延伸通过喷嘴环到它的背面。盲孔的优点是，废气不能通过孔泄漏到喷嘴环的背面，但是除非增加喷嘴环的轴向厚度，在盲孔的情况下轴承表面的长度不能和在通孔的情况下一样大。

在示意性实施例中，叶片臂42与邻近翼面部分34近端的轴杆36连接，因此，臂42没有进入流经喷嘴的废气气流中，或者至少它们进入气流的程度最小。但是，可替换地，臂42可以接附到翼面部分34上，虽然这不是优选的方案，因为臂将会进入废气气流中并因此产生空气动力学损失，从而引起涡轮机效率的降低。

本发明所属技术人员通过前述说明书和相关附图中呈现的教示的益处可以想到在此说明的本发明的很多修改和其它的实施例。因此，可以理解的是，本发明并未限定为公开的具体实施例，并且修改和其它的实施例应当包含在所附的权利要求书的范围中。虽然在此使用了特定的术语，但是它们仅仅是一般性和描述性的，而不是对本发明的限定。

Claims (21)

1.一种可变喷嘴涡轮机，包括：

连接到轴上以随其旋转的涡轮机轮；

包围着涡轮机轮的涡轮机壳体，涡轮机壳体限定围绕涡轮机轮用来接收废气的通常为环形的室，并包括限定了废气从室径向向里通到涡轮机轮的流动通道的喷嘴，该流动通道限定在轴向间隔的第一和第二壁之间；

环绕着轴线的固定喷嘴环，该喷嘴环具有流动侧和相对的背侧，流动侧限定了通常与所述轴线垂直并至少部分地形成第一壁的环形表面，该喷嘴环限定了多个轴向延伸通过所述环形表面的周向间隔的孔；

与喷嘴环的流动侧相邻并与喷嘴环同心布置的促动器环，该促动器环可相对于喷嘴环围绕所述轴线旋转，促动器环限定了多个周向间隔的第一连接元件；

周向间隔的叶片的环，每个叶片包括从最接近喷嘴环的环形表面的第一端轴向延伸到相对的第二端的翼面部分，和与翼面部分的第一端固定连接并沿远离第二端的方向从其轴向延伸的轴杆，该轴杆限定了叶片的旋转轴线，叶片的轴杆布置在喷嘴环的孔内，使得轴杆可以在孔内旋转；并且

每个叶片还包括臂，该臂具有最接近翼面部分的第一端与叶片固定连接的近端，臂的远端偏离叶片的旋转轴线，且限定了与促动器环的第一连接元件中的一个可拆卸地连接的第二连接元件，所述叶片的臂位于喷嘴环的流动侧上。

2.如权利要求1所述的可变喷嘴涡轮机，其特征在于，每个叶片的臂最接近叶片的翼面部分的第一端与轴杆固定连接。

3.如权利要求1所述的可变喷嘴涡轮机，其特征在于，每个叶片的臂与叶片的翼面部分固定连接。

4.如权利要求1所述的可变喷嘴涡轮机，其特征在于，每个叶片和相关的轴杆和臂包括做成一体的结构。

5.如权利要求1所述的可变喷嘴涡轮机，其特征在于，促动器环包围着喷嘴环的一部分，促动器环和喷嘴环共同形成喷嘴的第一壁的至少一部分。

6.如权利要求5所述的可变喷嘴涡轮机，其特征在于，形成喷嘴的第一壁的至少一部分的促动器环和喷嘴环的部分的各自的表面基本互相齐平。

7.如权利要求1所述的可变喷嘴涡轮机，其特征在于，促动器环的第一连接元件包括阴连接元件，每个叶片的臂的远端限定了接合在阴连接元件中的一个中的阳连接元件，以将臂连接到促动器环。

8.如权利要求7所述的可变喷嘴涡轮机，其特征在于，促动器环的阴连接元件包括在促动器环的径向内表面内的凹槽。

9.如权利要求7所述的可变喷嘴涡轮机，其特征在于，促动器环的阴连接元件包括在促动器环的径向外表面内的凹槽。

10.如权利要求1所述的可变喷嘴涡轮机，其特征在于，喷嘴环是具有结合到较小直径部分的较大直径部分的阶梯构造，促动器环包围着较小直径部分，较大直径部分轴向邻近促动器环布置。

11.如权利要求1所述的可变喷嘴涡轮机，还包括多个连接在喷嘴环和喷嘴的第二壁之间的隔离物。

12.一种涡轮机喷嘴的可变叶片组件，包括：

环绕着轴线的固定喷嘴环，该喷嘴环具有流动侧和相对的背侧，流动侧限定了通常与轴线垂直并至少部分地形成第一壁的环形表面，该喷嘴环限定了多个轴向延伸通过所述环形表面的周向间隔的孔；

与喷嘴环的流动侧相邻并与喷嘴环同心布置的促动器环，该促动器环可相对于喷嘴环围绕所述轴线旋转，促动器环限定了多个周向间隔的第一连接元件；

周向间隔的叶片的环，每个叶片包括从最接近喷嘴环的环形表面的第一端轴向延伸到相对的第二端的翼面部分，和与翼面部分的第一端固定连接并沿远离第二端的方向从其轴向延伸的轴杆，该轴杆限定了叶片的旋转轴线，叶片的轴杆布置在喷嘴环的孔内，使得轴杆可以在孔内旋转；并且

每个叶片还包括臂，该臂具有最接近翼面部分的第一端与叶片固定连接的近端，臂的远端偏离叶片的旋转轴线，且限定了与促动器环的第一连接元件中的一个可拆卸地连接的第二连接元件，所述叶片的臂位于喷嘴环的流动侧上。

13.如权利要求12所述的可变叶片组件，其特征在于，每个叶片的臂最接近叶片的翼面部分的第一端与轴杆固定连接。

14.如权利要求12所述的可变叶片组件，其特征在于，每个叶片的臂与叶片的翼面部分固定连接。

15.如权利要求12所述的可变喷嘴涡轮机，其特征在于，每个叶片和相关的轴杆和臂包括做成一体的结构。

16.如权利要求12所述的可变喷嘴涡轮机，其特征在于，喷嘴环内的孔包括盲孔。

17.如权利要求12所述的可变喷嘴涡轮机，其特征在于，喷嘴环的每个孔具有接收轴杆中的一个并为其形成轴承表面的相对的小直径部分，和在喷嘴环的环形表面处包围小直径部分的相对的较大直径的埋头部分，邻近臂的近端的每个叶片的臂的纵向部分容纳在相应的孔的埋头部分中。

18.一种可变喷嘴涡轮机的可变叶片组件的组装方法，包括如下步骤：

提供环绕着轴线的喷嘴环，该喷嘴环具有流动侧，所述流动侧限定了基本与所述轴线垂直的环形表面，并且限定了多个延伸通过所述环形表面的周向间隔的孔；

将促动器环与喷嘴环组装在一起，使促动器环邻近喷嘴环的流动侧且与喷嘴环同心，促动器环限定了多个周向间隔的第一连接元件且可相对于喷嘴环旋转；

提供多个叶片，每个叶片具有从第一端轴向延伸到相对的第二端的翼面部分，和与翼面部分的第一端固定连接并沿远离第二端的方向从其轴向延伸的轴杆，该轴杆限定了叶片的旋转轴线，每个叶片还包括臂，所述臂具有最接近翼面部分第一端与叶片固定连接的近端，臂的远端偏离叶片的旋转轴线，且限定了构造为与促动器环的第一连接元件中的一个连接的第二连接元件；以及

将每个叶片的轴杆插入喷嘴环的孔之一中，将轴杆插入的运动也有效地将叶片的第二连接元件置于与促动器环的第一连接元件之一相连接的位置。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，在轴杆插入孔之前将促动器环与喷嘴环组装，并且插入轴杆的运动也有效地将叶片的第二连接元件与促动器环的第一连接元件连接。

20.一种用于涡轮增压器的可变喷嘴的叶片，包括：

具有近端和相对的远端的翼面部分；

具有与翼面部分的近端连接的近端的轴杆以形成翼面/轴杆组件，该轴杆具有相对的远端，该轴杆限定了叶片的旋转轴线；以及

在翼面部分的远端和轴杆的远端的中间位置连接到翼面/轴杆组件上的臂，该臂从轴杆向外延伸，以与促动器接合以使叶片围绕旋转轴线旋转。

21.如权利要求20所述的叶片，其特征在于，该臂最接近近端连接到轴杆上。

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