CN101363329B - 具有半分式喷嘴和半圈式活塞的涡轮组件 - Google Patents

Abstract

用于涡轮增压器的一种涡轮组件，该组件包含由滑动的半圈式活塞形成的可变喷嘴。第一级喷嘴包含由第一喷嘴环支撑并且沿轴向延伸的多个第一叶片。第二级喷嘴具有连接到第一叶片的端部的第二喷嘴环和多个沿轴向延伸的第二叶片。当活塞完全关闭时，活塞调整流经第二级喷嘴的流量，而第一级喷嘴保持打开。第二喷嘴环至少部分将第一叶片与第二叶片分隔开。半圈式活塞包含容纳第二叶片且仅仅部分围绕每个第二叶片的周长的凹槽。

Description

具有半分式喷嘴和半圈式活塞的涡轮组件

技术领域

本发明通常涉及涡轮增压器，更特别是涉及具有轴向滑动活塞的排出气体驱动涡轮增压器，上述滑动活塞用于改变通到涡轮轮体的喷嘴尺寸从而调整进入涡轮轮体的流量。

背景技术

对通过排出气体驱动涡轮增压器的涡轮的排出气流的调整，在提高能力来控制由涡轮增压器递送到相关联的内燃机的增压量的方面，提供已知的操作优点。通过在通到涡轮轮体内的喷嘴中合并可变的几何形状来完成排出气流的调整。通过改变喷嘴流动区域的大小，可以调整进入涡轮轮体的流量，进而调整由涡轮增压器压缩机提供的整体增压。

用于涡轮增压器的可变几何形状喷嘴通常分为两个主要类型：可变叶片喷嘴和滑动活塞喷嘴。叶片通常包含在涡轮喷嘴中，用于在有利的方向引导排出气体到涡轮中。典型地，一排在圆周上间隔的叶片沿轴向延伸过喷嘴。从环绕涡轮轮体的腔排出的气体通常沿径向向内流动通过叶片间的通道，并且叶片使流体转向以沿期望的方向引导流入涡轮轮体。在可变叶片喷嘴中，叶片绕其轴线旋转用以改变其所设置的角度，从而改变叶片间通道的流动区域。

在滑动活塞式的喷嘴中，喷嘴也可以包括叶片，但是通常叶片不是绕其轴线旋转来调整到涡轮轮体的流动。而是通过轴向滑动活塞在涡轮壳体的孔中滑动用以改变喷嘴流动区域。活塞是管状的，并且位于喷嘴的刚好径向内侧。活塞的轴向运动有效地改变通到在涡轮轮体内的喷嘴开口的轴向长度。当喷嘴包含叶片时，活塞能够毗邻叶片的径向内部边缘(即，后缘)滑动；可选择地，活塞和叶片在径向上交迭，并且活塞包含凹槽用以当活塞轴向滑动以调整喷嘴开度时容纳叶片的至少一部分。

滑动活塞式喷嘴的设计挑战之一是优化在活塞整个冲程中流入涡轮轮体的排出气体的空气动力学特性。在一些滑动活塞式可变喷嘴中，特别是在活塞冲程的开始，当活塞开始从闭合位置向打开一些的位置移动的时候，会发生流动扰动。特别的是，当活塞开始打开甚至很小的量时，进入涡轮的流量会突然增加，使得很难足够精确地调整活塞冲程以防止突然的流动浪涌。

发明内容

本公开涉及在涡轮增压器中可变喷嘴的滑动活塞装置的改进。按照公开的一个方面，用于涡轮增压器的一种涡轮组件包含：涡轮壳体，该壳体限定沿轴向延伸的孔和限定用于接收排出气体的围绕所述孔的室，该室在室的径向内侧向孔打开；第一级喷嘴，该喷嘴包含安装在涡轮壳体上的第一喷嘴环和多个沿圆周间隔的第一叶片，每个第一叶片具有连接到第一喷嘴环的第一端，并且每个第一叶片通常平行于轴向从第一端向相对的第二端延伸；第二级喷嘴，该喷嘴包含连接到第一叶片的第二端的第二喷嘴环和多个沿圆周间隔的第二叶片，每个第二叶片具有连接到第二喷嘴环的第一端，并且每个第二叶片通常平行于轴向从第一端向相对的第二端延伸；和位于涡轮壳体的孔中的管状活塞，该活塞沿着室的径向内侧相对于涡轮壳体轴向可滑动，因此根据活塞轴向位置，该活塞阻断第二级喷嘴的轴向长度的可变部分。

活塞在关闭位置时大致地关闭第二级喷嘴，而第一级喷嘴保持打开，从而排出气体通过第一级喷嘴流向涡轮轮体。活塞在非关闭位置时允许流过第二级喷嘴。

当排出气体流量相对低时，第一级喷嘴能够被优化或者设计以达到高效率。当发动机在高速和/或高负载运行时，第二级喷嘴主要被设计成通过大量流体。

第二喷嘴环作为分隔器，至少部分地分隔第二级喷嘴和第一级喷嘴。在一个实施例中，第二喷嘴环将每个第一叶片的所有第二端与每个第二叶片的所有第一端分隔开。

在另外一个实施例中，第二喷嘴环仅将每个第一叶片的一部分与每个第二叶片的一部分分隔开。特别的是，第二喷嘴环将每个第一叶片的第二端的前缘区从每个第二叶片的第一端的前缘区分隔开，而第一和第二叶片的后缘区不被第二喷嘴环分隔开。例如，每个第一叶片的后缘和每个第二叶片的后缘在轴向包含连续的叶片部分。相反地是，例如，每个第一叶片的前缘可以被设置成与每个第二叶片的前缘不同的攻角。

在一些实施例中，活塞是“半圈式”活塞，该活塞具有径向外表面，在其中形成有凹槽，用于分别地接纳第二叶片，使得每个第二叶片的径向面向内表面面对每个相应凹槽的径向面向外壁。活塞上的凹槽仅围绕每个第二叶片的周长的一部分，所以术语“半圈式”被应用于此活塞。

活塞也可以限定通常轴向面对第二喷嘴环的端面，并且具有容纳第二喷嘴环的部分的凹槽。

在一些实施例中，每个第二叶片的第二端包含自由端，并且第二叶片的第二端在活塞处于关闭位置时邻接活塞壁，而在活塞处于非关闭位置时与活塞壁分开。

在可变的实施例中，第二叶片以大致阻止活塞绕其轴线旋转的方式与活塞接合。

附图说明

已经以常规的术语描述了公开内容，相关的附图将被用以参考，该附图不是必须按照一定比例绘制，其中：

附图1是依照本发明的一个实施例的涡轮组件的子组件的透视图，显示了活塞处于关闭的位置；

附图2是依照本发明的一个实施例的通过涡轮组件的轴向剖视图；

附图3是沿着附图2的线3-3的剖视图，显示了活塞处于关闭位置；

附图4是类似于附图1的子组件的透视图，但是活塞处于打开位置；并且

附图5是类似于附图2的轴向剖视图，但是活塞处于部分打开位置。

具体实施方式

以下将参照附图对本发明进行更详细描述，其中显示了本发明的一些而不是所有实施例。实际上，本发明可以具体为很多不同的形式，不能认为仅仅限制于下述的实施例；相反地，这些实施例被提供以使公开满足适用的法律规定。下文同样的元件对应同样的标记。

依照本发明的一个实施例的涡轮组件100显示在附图2，3和5。涡轮组件的组件200单独显示在附图1和4中。初始参考附图2和3显示了完整的涡轮组件100，该组件包括其中限定了孔112的涡轮壳体110，该孔沿着轴线A延伸。当组件100安装在涡轮增压器(图上没有显示)中，涡轮轮体(没有显示)安装在孔112的上游(左手)端，且连接到其相对端连接到压缩机轮(没有显示)的旋转轴(没有显示)。涡轮壳体110同样限定了围绕孔112的通常为环形的或环状的室114，该室在其径向内侧开口从而室114的内部和孔112流体连通。从内燃机供应给室114的排出气体通过打开的径向内侧从室流入安装在孔中的涡轮轮体，气体驱动涡轮轮体，该轮体又驱动压缩机轮。排出气体通过涡轮轮体之后，通常轴向(与轴线A平行)地流动经过孔112(在附图2地从左到右的方向)并从其排出。

安装在涡轮壳体的孔112中的是子组件200，单独地如图1和4所示。该子组件包括固定地安装在涡轮壳体上的喷嘴环/叶片组件300，和安装为可沿着平行于轴线A的方向相对于涡轮壳体和喷嘴环/叶片组件轴向滑动的滑动半圈式活塞400。该喷嘴环/叶片组件300包含通常环形结构的第一喷嘴环310和多个第一叶片320，第一叶片的第一端固定在第一喷嘴环上并且沿着环的圆周在圆周上间隔。每个第一叶片320通常平行于轴线A从第一端延伸到相对的第二端。喷嘴环/叶片组件300进一步包括第二喷嘴环330，该喷嘴环固定在第一叶片320的第二端的至少部分上。第二喷嘴环通常是环形结构。喷嘴环/叶片组件300同样包括多个第二叶片340，该第二叶片的第一端的至少部分固定在第二喷嘴环330上。第二叶片340沿着第二喷嘴环的圆周在圆周上间隔。尽管不是必须的，有利地，第二叶片340与第一叶片320在结构上不同。每个第二叶片340基本上平行于轴线A从第一端延伸到相对的第二端342，第二端342在该所示实施例中是自由端。

涡轮组件100因此具有限定在第一喷嘴环310和第二喷嘴环330之间的第一级喷嘴，第一级喷嘴具有第一叶片320。涡轮组件也具有限定在第二喷嘴环330和向第二喷嘴环的下游隔开的涡轮壳体110的壁之间的第二级喷嘴，第二级段嘴具有第二叶片340。

半圈式活塞400包含通常管状的结构，该结构具有径向内表面402和径向外表面404。在所示实施例中，外表面404的直径仅仅比涡轮壳体的孔112的内表面的直径小一点，密封环(没有显示)位于活塞外表面404的槽406内，从而在允许活塞400在孔112中往复轴向滑动时靠着孔112的内表面密封。在可选择的实施例中(没有显示)，中间的衬套或承载器(没有显示)可以被固定地安装在孔112上，活塞可以和承载器的内表面密封地接合。活塞400具有在径向与第二叶片340重叠的上游端408(即，在附图1，2，4和5的左手端)，第二叶片以大致防止活塞绕轴线旋转的方式接合活塞。特别地，如附图1-3和5最好所示，活塞的上游端408的径向外表面限定了沿周向间隔的一系列凹槽410，凹槽只有部分延伸通过上游端活塞壁的径向厚度，当活塞处于关闭或者部分打开的位置时，每个凹槽410构造为容纳第二叶片340之一。每个第二叶片340的径向面向内表面344面对相应的凹槽410的径向面向外表面412。在所述的优选实施例中，活塞400上的凹槽410仅包围每个第二叶片340的周长的一部分。例如，但不是作为限制，如图3最好所示，每个凹槽410能够包围小于每个第二叶片340的周长的大约四分之三。在所述实施例中，每个第二叶片340的第二端342包含自由端，当活塞处于如图2所示的关闭位置时，第二端342邻接或者接近邻接活塞的壁414。

在所述的一个实施例中，第二喷嘴环330把每个第一叶片320的第二端的仅一部分与每个第二叶片340的第一端的一部分分开。特别的是，参照附图4，第二喷嘴环330把每个第一叶片320的第二端的前缘区322与每个第二叶片340的第一端的前缘区346分开，但是第一和第二叶片的后缘区没有被第二喷嘴环分开。例如，如附图4所示，每个第一叶片320的后缘324和每个第二叶片340的后缘348可以在轴向包含连续的叶片部分。相反地，例如，每个第一叶片320的前缘322可以被设置成与第二叶片340的前缘346不同的攻角。可选择地，第二喷嘴环330可以完全地把每个第一叶片的整个第二端从每个第二叶片的整个第一端分开。

如图所示，在一个实施例中，活塞400包含通常轴向面向第二喷嘴环330的端面，并且该端面具有凹槽416(附图4)用来接纳第二喷嘴环的一部分。

当涡轮组件100使第二喷嘴环330仅仅部分地把第一叶片320从第二叶片340分开时，与隔开后缘区相比，第二喷嘴环330将叶片的前缘区互相隔开特别有利。在这种方式下，第二喷嘴环330相对于轴A线处于更大的半径，由此减小第二喷嘴环存在带来的负面的流动收缩效果。第二喷嘴环或者“半分隔器”330的使用允许第一叶片320和第二叶片340的形状独立地在前缘区被优化。而且，轮盖轮廓418(附图2和5)可以单独在活塞400上加工，这与使用“完全”分隔器构造时必须的轮盖轮廓部分由分隔器或者第二喷嘴环限定的情况相反。使用半分隔器330，活塞打开时产生的流动限制接近于第二叶片340的中间发生，充分地远离涡轮轮体从而减小对效率的负作用。

在一些实施例中的涡轮组件100可以包括分开的涡壳(没有显示)，在该涡壳中，其第一部分将排出气体供应到第一级喷嘴，其第二部分将排出气体供应到第二级喷嘴。

在一些实施例中，涡轮轮体可以为“带分离机”的涡轮轮体(没有显示)，其中带有与部分长度轮叶交替的全长度轮叶。所述的带分离机的涡轮轮体的一个例子在由Lombard等的公开pct申请WO2004/074643A描述，该申请题目为“Turbine Having Variable Throat”，公开于2004年9月2日，其公开的内容合并在此作为参考引入。全长度轮叶具有在轴向上长于部分长度轮叶的长度。特别的是，全长度轮叶被成形和定位，以使当活塞400完全打开时，全长度轮叶基本上跨过组合的第一级和第二级喷嘴的轴向全部长度。部分长度轮叶被成形和定位，以使其跨过至少第一级喷嘴的轴向长度。因此，排出气体流动通过第一级喷嘴时遇到全长度轮叶和部分长度轮叶。当活塞打开或部分打开时，排出气体流动通过第二级喷嘴时仅仅(或主要)遇到全长度轮叶的在部分长度轮叶后缘区的下游延伸的部分。

根据之前的描述和相应的附图所展示出的教示的益处，本领域技术人员能够想到本发明的很多改进和其它实施例。因此，很容易理解的是，本发明不限于公开的具体实施例，改进和其它实施例也被包括在附带的权利要求书的范围中。尽管特有术语被应用在此，他们也仅应用在一般的和说明性的理解，并不是为了限制。

Claims (14)

1.一种用于涡轮增压器的涡轮组件，包括：

涡轮壳体，该涡轮壳体限定了沿轴向延伸的孔且限定用于接收排出气体的围绕所述孔的室，该室在其径向内侧向孔打开；

第一级喷嘴，其包含安装在涡轮壳体上的第一喷嘴环和多个沿圆周间隔的第一叶片，每个第一叶片具有连接到第一喷嘴环的第一端，并且每个第一叶片平行于轴向从第一端向相对的第二端延伸；

第二级喷嘴，其包含连接到第一叶片的第二端的第二喷嘴环和多个沿圆周间隔的第二叶片，每个第二叶片具有连接到第二喷嘴环的第一端，并且每个第二叶片平行于轴向从第一端向相对的第二端延伸，其中第二喷嘴环仅将每个第一叶片的第二端的一部分与每个第二叶片的第一端的一部分分隔开；和

位于涡轮壳体的孔中的管状活塞，该活塞沿着室的径向内侧相对于涡轮壳体轴向可滑动，从而根据活塞的轴向位置，该活塞阻断第二级喷嘴的轴向长度的可变部分，活塞在关闭位置时关闭第二级喷嘴而第一级喷嘴保持打开，使得排出气体通过第一级喷嘴流入涡轮轮体，活塞在非关闭位置时允许流过第二级喷嘴。

2.根据权利要求1所述的涡轮组件，其中第二叶片的构造与第一叶片不同。

3.根据权利要求1所述的涡轮组件，其中该活塞具有在其中形成用于分别容纳第二叶片的凹槽的径向外表面，使得每个第二叶片的径向面向内表面面对每个相应凹槽的径向面向外壁。

4.根据权利要求3所述的涡轮组件，其中活塞上的凹槽仅围绕每个第二叶片周长的一部分。

5.根据权利要求4所述的涡轮组件，其中凹槽包围小于每个第二叶片的周长的四分之三。

6.根据权利要求3所述的涡轮组件，其中每个第二叶片的第二端包含自由端，并且其中第二叶片的第二端在活塞处于关闭位置时邻接或几乎邻接活塞壁。

7.根据权利要求1所述的涡轮组件，其中每个第二叶片的第二端包含从下游壁轴向隔开的自由端，并且其中第二叶片的第二端在活塞处于关闭位置时邻接或几乎邻接活塞壁。

8.根据权利要求1所述的涡轮组件，其中第二喷嘴环将每个第一叶片的第二端的前缘区从每个第二叶片的第一端的前缘区分隔开，而其中第一和第二叶片的后缘区不被第二喷嘴环分隔开。

9.根据权利要求1所述的涡轮组件，其中该活塞具有在其中形成用于分别容纳第二叶片的凹槽的径向外表面，使得每个第二叶片的径向面向内表面面对每个相应凹槽的径向面向外壁。

10.根据权利要求9所述的涡轮组件，其中活塞包含轴向面向第二喷嘴环的端面，并且具有容纳第二喷嘴环的部分的凹槽。

11.根据权利要求9所述的涡轮组件，其中活塞上的凹槽仅围绕每个第二叶片周长的一部分。

12.根据权利要求11所述的涡轮组件，其中凹槽包围小于每个第二叶片的周长的四分之三。

13.根据权利要求9所述的涡轮组件，其中每个第二叶片的第二端包含从下游壁轴向隔开的自由端，并且其中第二叶片的第二端在活塞处于关闭位置时邻接活塞壁。

14.根据权利要求1所述的涡轮组件，其中第二叶片以阻止活塞绕其轴线旋转的方式与活塞接合。

Images