CN101896704A - 涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明通过简单的构造来降低涡轮叶轮出口的废气的紊乱，谋求提高涡轮的效率。配置成将密封装置(25)比叶片轴(16b)贯通后部排气导入壁(11)的贯通孔(24)的位置更设置在废气的上游侧，该密封装置用于防止涡形通路(8)的废气通过间隙(19)而漏出至涡轮叶轮(4)侧，将与后部排气导入壁(11)的贯通孔(24)连通的间隙(19)的压力(P2)保持为比排气喷嘴(9)内的压力(P1)低，使喷嘴叶片(15)位移至后部排气导入壁(11)侧。

Description

涡轮增压器

技术领域

本发明涉及一种涡轮增压器(turbocharger)，其通过简单的构成而降低涡轮叶轮(turbine impeller)出口的废气的紊乱，从而能够谋求提高涡轮的效率。

背景技术

图1显示了适用本发明的现有的可变容量型涡轮增压器的一个示例。在该涡轮增压器中，涡轮外壳1和压缩机外壳2经由轴承外壳3并通过紧固螺栓3a、3b而组装成一体，配置在涡轮外壳1内的涡轮叶轮4和配置在压缩机外壳2内的压缩机叶轮5通过涡轮轴7而连接，该涡轮轴7经由轴承6而被旋转自如地支承在轴承外壳3。

另外，在上述轴承外壳3的涡轮外壳侧，如图2中放大所示，设置了排气喷嘴9，该排气喷嘴用于将导入至涡轮外壳1的涡形通路8中的废气引向上述涡轮叶轮4。

在轴承外壳3侧的前部排气导入壁10和涡轮外壳1侧的后部排气导入壁11保持所需间隔的状态下，通过例如设在周向3个位置处的固定部件12而将排气喷嘴9组装成一体。并且，在前部排气导入壁10的前面(轴承外壳3侧的面)固定有安装部件13，在组装上述涡轮外壳1和轴承外壳3时，通过用涡轮外壳1和轴承外壳3夹持上述安装部件13而固定上述排气喷嘴9。并且，在上述组装时，通过定位销14而将上述排气喷嘴9相对于轴承外壳3定位。

在前部排气导入壁10和后部排气导入壁11的相互之间，环状地配置有多个喷嘴叶片15，在图1、图2中，固定在各个喷嘴叶片15的两侧的叶片轴16a、16b分别贯通前部排气导入壁10和后部排气导入壁11，在两侧支撑喷嘴叶片15。

图1中，17a、17b、17c、17d是用于经由叶片轴16a而调节上述喷嘴叶片15的开闭角度的连杆式传动机构(linked transmissionmechanism)，18是形成在压缩机外壳2的涡形通路(scroll passage)。

另外，在排气喷嘴9的后部排气导入壁11和涡轮外壳1之间，设置有间隙19。该间隙19本来是不需要的，但由于涡轮外壳1在变冷时和变热时之间发生热变形，以及组装部件存在着精度上的偏差等而设置该间隙。

如果存在上述间隙19，则涡形通路8的废气通过间隙19而向涡轮叶轮出口20浪费地漏出，因而，为了堵塞该间隙19，提出了在后部排气导入壁11向着下游侧延伸的延伸部11′的外周面和与该延伸部11′相对的涡轮外壳1的内面1′之间，配置密封用活塞环21，从而防止气体泄漏并吸收热变形(参考专利文件1)。

在专利文件1中，如图2所示，在后部排气导入部11的延伸部11′的外周面设置了环状的凹槽22，在该凹槽22处，通常以各个切口部的位置不重合的方式错开配置两片密封用活塞环21的位置，从而构成密封装置23，上述密封用活塞环21通过在其外周面被弹性力压接在涡轮外壳1的内面1′而防止了气体泄漏。

专利文件1：日本特开2006-125588号公报

发明内容

如图2所示，在现有的涡轮增压器中，为了防止来自间隙19的气体泄漏，对密封装置23进行各种的钻研，但是，即使这样地对密封装置23的构造悉心钻研，也难以大幅地提高涡轮的效率，并且是有限度的。

因此，发明者在上述气体泄漏的问题之外，对影响涡轮的效率的主要原因实施了各种研讨和试验，结果彻底查明了如果涡轮叶轮出口20的废气的紊乱大，则涡轮的效率低下，如果涡轮叶轮出口20的废气的紊乱小，则涡轮的效率提高。

而且，如图2中所示的现有密封装置23那样，在后部排气导入壁11的延伸部11′的外周面和涡轮外壳1的内表面1′之间具备密封用活塞环21的构造中，由于间隙19的压力P2比排气喷嘴9内的压力P1大，即P1＜P2，因而间隙19的废气如箭头A所示地通过叶片轴16b和贯通孔24的间隙S并流向排气喷嘴9侧。此时，在喷嘴叶片15与前部排气导入壁10和后部排气导入壁11之间，预先存在着用于使喷嘴叶片15能够转动的空隙，并且，该空隙的大小具有基于涡轮增压器的个体差别。所以，明确了由于上述P1＜P2的压力的差而将各个喷嘴叶片15的各个叶片轴16b压向前部排气导入壁10侧，在各个喷嘴叶片15和后部排气导入壁11之间产生大的空隙C。

发明人获得这样的见解，即如果以上述方式在各个喷嘴叶片15和后部排气导入壁11之间产生大的空隙C，则涡轮叶轮出口20的废气的紊乱变大，由此涡轮的效率降低。

本发明是鉴于上述问题而提出的，提供了一种涡轮增压器，其能够通过简单的构成而降低涡轮叶轮出口的废气的紊乱，并提高涡轮的效率。

本发明的涡轮增压器在可旋转地支撑于轴承外壳上的涡轮叶轮的外部具有排气喷嘴，在排气喷嘴的外部具有形成有涡形通路的涡轮外壳，将来自上述涡形通路的废气引向涡轮叶轮的上述排气喷嘴在轴承外壳侧的前部排气导入壁和涡轮外壳侧的后部排气导入壁之间配置有多个喷嘴叶片，固定在该喷嘴叶片的两侧的各个叶片轴分别贯通前部排气导入壁和后部排气导入壁而被可旋转地支撑，后部排气导入壁在与上述涡轮外壳之间具有间隙而配置，其中，

将密封装置比叶片轴贯通后部排气导入壁的贯通孔的位置更设置在废气的上游侧，该密封装置用于防止上述涡形通路的废气通过上述间隙而漏出至涡轮叶轮侧，将与后部排气导入壁的贯通孔连通的间隙的压力保持为比排气喷嘴内的压力低，使喷嘴叶片位移至后部排气导入壁侧。

在上述涡轮增压器中，优选在贯通后部排气导入壁的叶片轴的喷嘴叶片固定部，具备覆盖贯通孔的凸缘。

依照本发明的涡轮增压器，由于将密封装置比叶片轴贯通后部排气导入壁的贯通孔的位置更设置在废气的上游侧，该密封装置用于防止上述涡形通路的废气通过涡轮外壳和后部排气导入壁之间的间隙而漏出至涡轮叶轮侧，因而将与后部排气导入壁的贯通孔连通的间隙的压力保持为比排气喷嘴内的压力低，由此，起到了这样的优异效果，即能够通过简单的构成而使喷嘴叶片位移至后部排气导入壁侧，并将喷嘴叶片和后部排气导入壁之间的空隙保持得较小，能够降低涡轮叶轮出口的废气的紊乱，大幅地提高涡轮的效率。

附图说明

图1是显示现有的涡轮增压器的一个示例的侧剖视图。

图2是图1的喷嘴部附近的侧剖视图。

图3是显示本发明的一个实施例的喷嘴部附近的侧剖视图。

图4是图3中的碟形弹簧密封件的正视图。

图5是图4的碟形弹簧的侧剖视图。

图6是在固定于喷嘴叶片上的叶片轴的固定部上设置的凸缘的说明图。

图7是显示本发明的密封装置的另一个实施例的侧剖视图。

图8是图7中的碟形弹簧密封件的正视图。

图9是显示本发明的又一个实施例的侧剖视图。

图10是显示为了通过数值分析来比较现有的涡轮增压器和本发明的涡轮增压器而使涡轮叶轮的上游侧和下游侧的压力比大致相同的状态的线图。

图11是比较显示现有的涡轮增压器和本发明的涡轮增压器中的涡轮叶轮出口处的径向位置的废气的速度分布的数值分析的结果的线图。

图12是比较显示现有的涡轮增压器和本发明的涡轮增压器中的涡轮的效率的数值分析的结果的线图。

图13是显示为了通过实际测量来比较现有的涡轮增压器和本发明的涡轮增压器而使涡轮叶轮的上游侧和下游侧的压力比大致相同的状态的线图。

图14是比较显示现有的涡轮增压器和本发明的涡轮增压器中的涡轮的效率的实际测量的结果的线图。

部件列表

1涡轮外壳

3轴承外壳

4涡轮叶轮

8涡形通路

9排气喷嘴

10前部排气导入壁

11后部排气导入壁

15喷嘴叶片

16a、16b叶片轴

19间隙

20涡轮叶轮出口

24贯通孔

25密封装置

31凸缘

P1排气喷嘴内的压力

P2间隙内的压力

具体实施方式

以下，参考附图，说明本发明的实施例。

图3显示了适用于图1的涡轮增压器的本发明的一个实施例，喷嘴叶片15配置在排气喷嘴9的前部排气导入壁10和后部排气导入壁11之间，固定在喷嘴叶片15的两侧的叶片轴16a、16b分别贯通前部排气导入壁10和后部排气导入壁11，使得在两侧支撑各个喷嘴叶片15，在上述构成中，将密封装置25比叶片轴16b贯通后部排气导入壁11的贯通孔24的位置更设置在废气的上游侧(涡形通路8侧)，该密封装置用于防止涡形通路8的废气通过涡轮外壳1和后部排气导入壁11之间的间隙19而漏出至涡轮叶轮4侧。

图3的密封装置25，在涡轮外壳1与后部排气导入壁11的垂直面相对而形成间隙19的部分26的外周位置设置台阶部27，在该台阶部27和后部排气导入壁11的后面之间设置碟形弹簧密封件28。上述台阶部27由与后部排气导入壁11相对的垂直的(在图示的示例中，相对于后部排气导入壁11的后面而大致平行，且相对于涡轮叶轮4的轴中心线而大致垂直的)相对面27a和随着远离后部排气导入壁11而直径减小的环状的渐缩面27b形成。此外，台阶部27的底面也可以不是渐缩面27b，例如为在轴中心线方向上直径一定的圆筒面等(由此，也能够保持碟形弹簧密封件28)，但通过成为渐缩面27b，从而能够更稳定地保持碟形弹簧密封件28，进而能够谋求密封效果的提高。另外，例如在组装涡轮外壳时，能够防止碟形弹簧密封件28移动而从台阶部27脱落的问题。

上述碟形弹簧密封件28，如图4所示具有环状，在接近内周端29的位置具有压接在上述相对面27a的垂直方向的直线部30，接着，内周端29具有从直线部30向接近后部排气导入壁11的方向弯曲后并进一步垂直地向内侧延伸的形状，即大致S字状的形状。而且，由于该S字状的形状，使得内周端29容易压入上述渐缩面27b，另外，被压入的内周端29由于上述渐缩面27b的形状而难以从台阶部27拔出。另外，碟形弹簧密封件28的外周端31(比直线部30更靠近外周侧)具有从上述直线部30倾斜延伸，以接近后部排气导入壁11的倾斜部32，在倾斜部32的外周部，具有向离开上述后部排气导入壁11的方向弯曲并压接在上述后部排气导入壁11的弯曲部33。

如图5所示，上述碟形弹簧密封件28具有内周端29和外周端31的位置在沿着轴中心线的方向上偏移的大致截头圆锥形状。而且，上述碟形弹簧密封件28的基于截头圆锥形状的轴中心线方向的高度H，形成为当内周端29嵌合在上述渐缩面27b且直线部30抵接于相对面27a时，外周的弯曲部33压接在后部排气导入壁11的后面的高度。

另外，如图3、图6所示，在以贯通前部排气导入壁10和后部排气导入壁11的方式相对于喷嘴叶片15而固定的叶片轴16a、16b的固定部，设置了以覆盖上述贯通孔24的方式形成的凸缘35。此外，如果设置了这样的凸缘35，则能够抑制异物侵入贯通孔24并抑制废气通过贯通孔24而移动至间隙19。并且，通过利用作用于凸缘35的废气的压力，能够获得用于如后述所述地使喷嘴叶片15向后部排气导入壁11侧移动的充足的力。

图7、图8显示了图3、图4所示的密封装置25的另一个实施例，图7的密封装置25，在涡轮外壳1与后部排气导入壁11的垂直面相对而形成间隙19的部分26的外周位置设置台阶部36，在该台阶部36和上述后部排气导入壁11的后面之间设置碟形弹簧密封件37。上述台阶部36由面向后部排气导入壁11而深深地形成的切口面36a和与上述涡轮轴7的轴中心线平行的圆筒面36b形成。

如图8所示，上述碟形弹簧密封件37具有大致环状，该大致环状具有以0.2～0.8mm左右的宽度将圆周上的一部分切掉的切口部38，内周端29向远离后部排气导入壁11的方向弯曲并紧密地可移动地嵌合在上述圆筒面36b，而且，上述碟形弹簧密封件37具有从该嵌合部向后部排气导入壁11扩大直径的截头圆锥形状，形成在外周端31上的弯曲部33抵接于后部排气导入壁11的后面。

嵌合设置在上述圆筒面36b的碟形弹簧密封件37沿着圆筒面36b而被涡形通路8内的废气的压力(涡形通路8的压力和间隙19的压力的压差)移动，外周端31的弯曲部33自动地压向后部排气导入壁11的后面，此时，预先将碟形弹簧密封件37形成为直径缩小且图8的切口部38消失而成为两端正好接触的状态。在图7的情况中，在设置于喷嘴叶片15的叶片轴16a、16b的固定部上，也设置有覆盖上述贯通孔24的凸缘35。

在图3和图7所示的实施例中，按以下方式工作。

在图3所示的实施例中，在碟形弹簧密封件28的内周端29嵌合于台阶部27的渐缩面27a的状态下，使用紧固螺栓3a而将图1的涡轮外壳1一体地组装在轴承外壳3。此时，如图5所示，由于碟形弹簧密封件28的基于截头圆锥形状的直线部30和弯曲部33的轴中心线方向的高度H比相对面27a和后部排气导入壁11的后面的间隔更大，因而如果进行上述组装，则碟形弹簧密封件28的直线部30压接于相对面27a，碟形弹簧密封件28的外周端31的弯曲部33压接于后部排气导入壁11的后面。这样，通过基于上述碟形弹簧密封件28的密封装置25，能够防止涡形通路8的废气通过涡轮外壳1和后部排气导入壁11之间的间隙19而产生气体泄漏的问题。

另一方面，在图7的实施例中，如果碟形弹簧密封件37的内周端29嵌合配置在形成于涡轮外壳1的台阶部36的圆筒面36b上，则涡形通路8内的废气的压力使得碟形弹簧密封件37的外周端31被自动地压向后部排气导入壁11的后面，而且，同时地，碟形弹簧密封件37进行缩径，图8的切口部38消失而成为接触的状态，通过基于上述碟形弹簧密封件37的密封装置25，能够防止涡形通路8的废气通过涡轮外壳1和后部排气导入壁11之间的间隙19而产生气体泄漏的问题。

此时，由于上述密封装置25比叶片轴16b贯通后部排气导入壁11的贯通孔24的位置更设置在排气的上游侧(涡形通路8侧)，因而碟形弹簧密封件28、37的下游侧的间隙19的压力P2变低，相对于排气喷嘴9内的压力P1而成为P1＞P2的状态，所以排气喷嘴9侧的废气如箭头B所示地流向碟形弹簧密封件28、37的下游侧。上述P1＞P2的压力的差使得喷嘴叶片15被压向后部排气导入壁11侧而位移，各个喷嘴叶片15成为与后部排气导入壁11接触的状态，各个喷嘴叶片15和后部排气导入壁11之间的空隙变得极小。此时，由于在贯通后部排气导入壁11的叶片轴16b向喷嘴叶片15固定的固定部具备覆盖贯通孔24的凸缘35，排气喷嘴9内的排气的压力作用于上述凸缘35，上述凸缘35压接于后部排气导入壁11，以堵塞上述贯通孔24。于是，如箭头B所示的废气的泄漏流量变少。即，能够防止通过前部排气导入壁10和后部排气导入壁11之间的废气逃向贯通孔24和间隙19。所以，能够不产生废气的泄漏而高效地向涡轮叶轮4供给废气，使涡轮叶轮4高效地旋转。此外，即使在假设不存在凸缘35的情况下，通过使间隙19的压力P2比现有小，即，使作用于叶片轴16b的间隙19侧的后部端面的力变小，也能够使喷嘴叶片15移动至后部排气导入壁11侧，但通过设置凸缘35，能够使喷嘴叶片15更可靠地移动。

图9显示了本发明的又一个实施例，显示了这样的情况，即，在涡轮外壳1形成延伸至相对于后部排气导入壁11的外周面而隔开间隔的位置的延长部39，在该延长部39和上述后部排气导入壁11的外周面之间，具备与图1、图2的情况相同地使密封用活塞环21嵌合在形成于延长部39的凹槽22中的密封装置25。

在图9的实施例中，由于密封装置25比叶片轴16b贯通后部排气导入壁11的贯通孔24的位置更设置在废气的上游侧，因而密封装置25的下游侧的间隙19的压力P2变低，相对于排气喷嘴9内的压力P1而成为P1＞P2的状态，所以排气喷嘴9侧的废气如箭头B所示地流向密封装置25下游的间隙19，上述P1＞P2的压力的差使得喷嘴叶片15被压向后部排气导入壁11侧，各个喷嘴叶片15和后部排气导入壁11之间的空隙变得极小。

在现有的涡轮增压器(现有产品)和图3所示的本发明的涡轮增压器(本发明产品)中，在如图10所示地涡轮叶轮4的上游侧和下游侧的压力比大致相同的条件下，发明者通过数值分析(3点)而求出涡轮叶轮出口20的径向位置处的废气的速度分布，图11中显示了其结果。

从图11可明确看出，与现有产品相比，在本发明的涡轮增强器中，半径方向的流速分布的偏差少，流速分布在半径方向上平坦化。该情况表示与现有的涡轮增压器相比，本发明的涡轮增压器的涡轮叶轮出口20的废气的紊乱小。

而且，在上述本发明的涡轮增压器和现有的涡轮增压器中，在对涡轮的效率进行数值分析并进行比较之后，明确了如图12所示，依照本发明的涡轮增压器，相对于现有的涡轮增压器而将涡轮的效率提高了大约10％。

另外，在现有的涡轮增压器(现有产品)和图3所示的本发明的涡轮增压器(本发明产品)中，分别在如图10所示地压力比几乎相同的图13的条件下，发明者对于3种不同的旋转速度a、b、c，通过实际测量(4点)而求出涡轮的效率，在图14中显示了其结果。上述实际测量的情况也与上述数值分析的情况的结果相同，获得了相对于现有的涡轮增压器，本发明的涡轮增压器将涡轮的效率提高了大约10％的结果。

来自涡形通路8的废气穿过排气喷嘴9的喷嘴叶片15之间而被引向涡轮叶轮4，但此时的废气的流动是三维的、复杂的流动，因而很难探求涡轮叶轮出口20处的废气的紊乱的主要原因。

但是，如上所述，通过将密封涡轮外壳1和后部排气导入壁11之间的间隙19的密封装置25比叶片轴16b贯通后部排气导入壁11的贯通孔24的位置更设置在废气的上游侧，能够由密封装置25下游的间隙19的压力和排气喷嘴9内的压力的压力差将各个喷嘴叶片15压向后部排气导入壁11侧，使各个喷嘴叶片15和后部排气导入壁11之间的空隙极小，由此，涡轮叶轮出口20的径向位置处的废气的速度分布平坦化，涡轮叶轮出口20处的废气的紊乱减少，由此提高涡轮的效率，考虑到这一点，因而明确了上述各个喷嘴叶片15和后部排气导入壁11之间的空隙影响了涡轮叶轮出口20处的废气的紊乱，是影响涡轮的效率的主要原因之一。此外，在本发明的实施例中，各个喷嘴叶片15和前部排气导入壁10之间的空隙增加了预先存在的用于使喷嘴叶片15能够旋转的空隙的程度(即，扩大了喷嘴叶片15和后部排气导入壁11之间的空隙减少的程度)，但即使在这样的情况下，也明确了喷嘴叶片15和前部排气导入壁10之间的空隙对涡轮叶轮出口20处的废气的紊乱，进而涡轮的效率几乎没有影向。

所以，在本发明中，通过将密封间隙19的密封装置25比叶片轴16b贯通后部排气导入壁11的贯通孔24的位置更设置在废气的上游侧的简单的构成，使喷嘴叶片15位移至后部排气导入壁11侧，将各个喷嘴叶片15和后部排气导入壁11之间的空隙保持得极小，从而能够大幅地提高涡轮的效率。

在以上的实施例中，虽然碟形弹簧密封件28的截面形状为大致S字状的形状(参考图3)，但并不限定于上述形状。例如，也可以是在图3的碟形弹簧密封件28中省略弯曲部33或直线部30的构成，或者只有倾斜部32的构成(即，为随着向着后部排气导入壁11，直径以一定的增加率增大的截头圆锥形状)。在该情况下，能够简略地形成碟形弹簧密封件28的构造，能够谋求削减生产成本等。

此外，本发明并不仅限于上述实施例，在密封装置能够采用各种构造，另外，当然能够在不脱离本发明的要旨的范围内增加各种变更。

Claims (2)

1.一种涡轮增压器，在可旋转地支撑于轴承外壳上的涡轮叶轮的外部具有排气喷嘴，在排气喷嘴的外部具有形成有涡形通路的涡轮外壳，将来自所述涡形通路的废气引向涡轮叶轮的所述排气喷嘴在轴承外壳侧的前部排气导入壁和涡轮外壳侧的后部排气导入壁之间配置有多个喷嘴叶片，固定在该喷嘴叶片的两侧的各个叶片轴分别贯通前部排气导入壁和后部排气导入壁而被可旋转地支撑，后部排气导入壁在与所述涡轮外壳之间具有间隙而配置，其中，

将密封装置比叶片轴贯通后部排气导入壁的贯通孔的位置更设置在废气的上游侧，该密封装置用于防止所述涡形通路的废气通过所述间隙而漏出至涡轮叶轮侧，将与后部排气导入壁的贯通孔连通的间隙的压力保持为比排气喷嘴内的压力低，使喷嘴叶片位移至后部排气导入壁侧。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，在贯通后部排气导入壁的叶片轴的喷嘴叶片固定部，具备覆盖贯通孔的凸缘。

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