CN102121401A - 具有协调环的可变叶片组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有由滚动件和固定构件径向引导以及由一个或多个固定轴向止动件轴向约束的协调环的可变叶片组件。一种用于可变喷嘴涡轮机的可变叶片组件，包括支撑被固定至叶片臂的多个叶片的喷嘴环，叶片臂被接合在协调环内缘的凹口内。协调环可以围绕喷嘴环的轴线转动以枢转叶片臂，由此协调地枢转叶片。协调环通过径向引导滚动件和被固定至喷嘴环的固定轴向-径向引导销的组合径向约束，并且由固定至喷嘴环的一个或多个轴向止动件轴向约束。

Description

具有协调环的可变叶片组件

技术领域

本发明涉及具有可变喷嘴涡轮机的涡轮增压器，其中可移动叶片的阵列布置在涡轮机的喷嘴内以便调节流入涡轮机的排气。

背景技术

排气驱动的涡轮增压器是与内燃机结合使用的装置，用于通过压缩输送到发动机空气吸入口以便与燃料混合并在发动机内燃烧的空气来增加发动机的功率输出。涡轮增压器包括安装轴在压缩机壳体内的一端上的压缩机轮和安装在该轴在涡轮机壳体内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，并且具有连接在涡轮机和压缩机壳体之间用于容纳该轴的轴承的另一中央壳体。涡轮机壳体限定围绕涡轮机轮并且从发动机接收排气的大致环形的腔室。涡轮机组件包括从腔室通向涡轮机轮的喷嘴。排气从腔室流过喷嘴到达涡轮机轮，并且涡轮机轮由排气驱动。涡轮机因此从排气中提取能力并驱动压缩机。压缩机经由压缩机壳体的入口接收环境空气，并且空气由压缩机轮压缩并随后从壳体排放到发动机空气吸入口。

通过涡轮机增压器增强发动机性能的挑战之一是在发动机的整个运行范围上实现所需的发动机功率输出量。已经发现，该目标通常不容易通过固定几何形状的涡轮机增压器实现，并且已经因此而开发出可变几何形状的涡轮增压器，其目的在于对由涡轮增压器提供的升压量提供更大程度的控制。一种类型的可变几何形状的涡轮增压器是可变-喷嘴的涡轮增压器(VNT)，其包括涡轮机喷嘴内的可变叶片阵列。叶片可枢转地安装在喷嘴内并且连接到使叶片的设置角度能够被改变的机构上。改变叶片的设置角度具有改变涡轮机喷嘴内有效流动面积的效果，并且因此流到涡轮机轮的排气流量可以通过控制叶片位置进行调节。以此方式，即可调节涡轮机的功率输出，这样做与固定几何形状的涡轮增压器通常可以实现的效果相比，允许更大程度地控制发动机的功率输出。

通常，可变-叶片组件包括可转动地支撑靠近喷嘴环一个表面的叶片的喷嘴 环。叶片具有延伸经过喷嘴环内的轴承孔的轴，并且叶片臂刚性地固定至该轴的伸出超过喷嘴环相对面的端部。因此通过枢转叶片臂，叶片可围绕通过轴限定的轴线枢转，以便改变叶片的设置角度。为了协调地枢转叶片，致动器环或“协调环”(unison ring)被靠近喷嘴环的相对面布置，并且包括位于其径向内边缘内的凹口用于接收叶片臂的自由端。因此，协调环围绕喷嘴环轴线的转动造成叶片臂以及叶片枢转，以便改变设置角度。

可变叶片组件因此相对复杂，并且在涡轮增压器的组装方面提出了挑战。同样具有挑战的方面在于如何将协调环支撑在组件内以使其受到约束而限制过度的径向和轴向运动，同时自由转动以调节叶片设置角度。已经尝试了不同的方案来支撑协调环，包括通过喷嘴环支撑的可转动引导滚动件的使用。由于这些引导滚动件通常松配合在喷嘴环的孔内，所以就其本质而言这种引导滚动件容易掉出或以其他方式变得与喷嘴环分离，因而这些引导滚动件使得可变叶片组件的组装复杂化。

发明内容

本发明涉及一种例如用于涡轮增压器内的可变喷嘴涡轮机的可变叶片组件，其中协调环通过固定至喷嘴环的引导滚动件(或者通过引导滚动件和轴向-径向引导销的组合)径向定位并且通过一个或多个固定至喷嘴环的固定轴向止动件轴向约束。

在一个实施例中，所述组件包括围绕轴线并且具有限定在喷嘴环相对的第一和第二面之间的轴向厚度的喷嘴环，喷嘴环具有多个圆周向间隔开的每一个都轴向延伸到第一面内的第一孔以及与第一孔周向隔开并且均从第一面轴向延伸到第二面的多个周向隔开的第二孔。设有多个叶片，每一个叶片都具有从其一端延伸的轴，轴分别从喷嘴环第二面被容纳在第二孔内，并且可以在第二孔内转动以使叶片可以围绕由该轴限定的各自轴线转动，每个轴的远端都从各自的第二孔伸出超过第一面。多个叶片臂分别被刚性地固定至轴的远端，每个叶片臂都具有自由端。协调环与靠近其第一面的喷嘴环共轴设置，协调环具有面向喷嘴环第一面的第一侧并且具有相对的第二侧。协调环具有在其中界定出多个分别容纳叶片臂自由端的凹口的径向内边缘，协调环可以围绕喷嘴环的轴线转动以枢转叶片臂，由此协调地枢转叶片。

多个径向引导滚动件被设置成用于协调环。每一个径向引导滚动件都被支 撑在销上，该销被容纳在喷嘴环内的第一孔中的相应一个内并且被刚性地固定在其中，使得径向引导滚动件被固定至喷嘴环并且被定位成使得协调环的径向内边缘由径向引导滚动件约束以限制沿径向的过度运动。

该组件进一步包括用于协调环的固定轴向止动件，轴向止动件具有被容纳在喷嘴环的第一孔中的另一个内并且被刚性地固定在其中的固定部分，和从第一孔向外突出的止动部。止动部的一部分悬垂在协调环第二侧的上方并与其相对以阻止协调环远离喷嘴环的过度轴向运动。

在一个实施例中，可变叶片组件进一步包括插入喷嘴环的又一个第一孔内并且被刚性地固定在其中的轴向-径向引导销，以使得轴向-径向引导销被不可转动地固定至喷嘴环，其中轴向-径向引导销的引导部分从喷嘴环的第一面轴向伸出。轴向-径向引导销的引导部分具有面对协调环径向内边缘的外表面，使得协调环被轴向-径向引导销约束以限制沿径向的过度运动。因此，径向引导滚动件和轴向-径向引导销协作以将协调环相对于喷嘴环径向定位在正确的位置。

可变叶片组件可以进一步包括至少一个附加的轴向-径向引导销从而约束协调环以限制过度的径向运动。

在可变叶片组件的另一个实施例中，径向引导滚动件全部被设置在将协调环划分为两个半圆的虚拟直线的同一侧，并且一个或多个轴向-径向引导销被设置在虚拟直线的相对侧。轴向止动件也被设置在虚拟直线的所述同一侧。

可变叶片组件还可以包括叶片臂止动件，叶片臂止动件被固定至喷嘴环并且被设置为既用作其中一条叶片臂的硬性止动件，又用于约束协调环以限制沿径向的过度运动。叶片臂止动件可以包括销，该销具有被容纳在喷嘴环的孔内并且被刚性地固定在其中的部分。

在进一步的实施例中，可变叶片组件进一步包括与协调环相接合的主臂，主臂可以枢转以转动协调环并由此移动叶片臂以枢转叶片。还设有主臂止动件，主臂止动件被固定至喷嘴环并且被设置为既用作主臂的硬性止动件，又用于约束协调环以限制沿径向的过度运动。主臂止动件可以包括销，该销具有被容纳在喷嘴环的孔内并且被刚性地固定在其中的部分。

附图简要说明

因此现在将通过参照附图对本发明进行总体介绍，其中，附图不一定是按比例绘制，并且在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的喷嘴环组件的分解图，其包括喷嘴环、径向引导滚动件和轴向-径向引导销；

图2是喷嘴环组件的立体图，其示出了牢固地固定在喷嘴环第一面内的相应孔内的径向引导滚动件和轴向-径向引导销；

图3是包括了图2中的喷嘴环组件、协调环和轴向止动件的组件的分解图；

图4是图3中组件的立体图；

图5是包括了图4中的组件、多个带有连接叶片轴的叶片以及多个叶片臂的组件的分解图；

图6是图5中组件的立体图；

图7是包括了图6中的组件和喷嘴插入件的组件的分解图；

图8是图7中组件的立体图；

图9是包括了图8中的组件和叶片臂止动件的分解图；以及

图10是图9中组件的立体图。

具体实施方式

现在参考在其中示出了本发明的部分而非全部实施例的附图来更加完整地描述本发明。实际上，这些发明可以不同形式体现，并且不应被理解为局限于本文中提出的实施例；相反，提供这些实施例以使本发明可以满足可应用的法律要求。相同的标记在整个附图中表示相同的元件。

图1和图2(分别以分解和组装状态)描述了根据本发明的一个实施例的构成可变叶片组件的一部分的部分组件。部分组件包括喷嘴环20、多个径向引导滚动件30以及多个轴向-径向引导销40。喷嘴环具有第一面21和相对的第二面22(图7)。多个间隔开的孔23，24，25，27和29延伸进入第一面27。只有孔27完全延伸穿过喷嘴环到达第二面22；其他的孔23，24，25和29都是盲孔。孔23，24，25和29在本文中也被称作“第一孔”，而孔27则被称作“第二孔”。孔24和25中的每一个都被由喷嘴环确定的隆起垫圈26围绕。垫圈26突出在喷嘴环的通常是平坦的第一面21的其余部分之外。

径向引导滚动件30中的每一个都包括具有滚花部分34的销32和滚动件36。销32被插入喷嘴环中对应的一个孔23内并且被压入孔内直到滚花部分34与孔的内表面相接合为止。滚动件36由具有中心孔的固定部件和能够在该固定部件上转动的旋转部件组成，中心孔以过盈配合接纳销32的端部。

轴向-径向引导销40中的每一个都包括滚花部分42，滚花部分42被插入喷嘴环中对应的一个孔24内并且被压入孔内直到滚花部分42与孔的内表面相接合为止。每一个轴向-径向引导销都进一步包括径向引导部分44和轴向引导部分46(总称为“引导部分”)。径向引导部分44包括第一直径的大致为圆柱形的部分，而轴向引导部分46则包括具有大于第一直径的第二直径的盖帽。

图3和图4(分别以分解和组装状态)示出了包括图2中的组件、轴向止动件50和协调环60的部分组件。协调环在其径向内边缘64内界定出多个凹口62用于如下进一步介绍的那样容纳叶片臂的末端。协调环径向内边缘64的直径略大于由轴向-径向引导销40的径向引导部分44和引导滚动件30的滚动件36共同确定的圆。协调环60被设置为靠近喷嘴环20的第一面21，与喷嘴环上的隆起垫圈26相接触。轴向止动件50随后被插入喷嘴环的孔25内。轴向止动件50包括被成形为销的固定部分，该销具有滚花部分52、较大直径的圆柱形部分54以及直径甚至更大一些的盖帽或止动部56。销部被压装到孔25内，直到滚花部分52与孔的内表面相接合为止。轴向止动件的盖帽或止动部56直径足够大，以使它的一部分悬难在协调环60的内边缘64上方并且用于阻止协调环远离喷嘴环的过度轴向运动。每一个轴向-径向引导销40中的径向引导部分44都限定面对协调环60径向内边缘的径向引导表面。轴向-径向引导销40因此总体上约束协调环以限制沿径向的过度运动。每一个轴向-径向引导销40的轴向引导部分46都悬垂在协调环内边缘的上方并且限定阻止协调环远离喷嘴环的过度轴向运动的轴向引导表面。

图5和图6(分别以分解和组装状态)示出了包括图4中的组件以及多个叶片70和叶片臂80的又一组件。每一个叶片70都包括接合至轴74的翼形部分72。轴74被插入穿过喷嘴环内的孔27，直到翼形部分72接触到喷嘴环的第二面位置。轴74的末端突出超过喷嘴环的第一面21并且被压装或者以其他方式刚性地固定在叶片臂80的径向内端中限定的孔82内。叶片臂80的径向外端被容纳在协调环60的凹口62内。

协调环60沿一个方向或另一方向的转动促使叶片臂80沿一个方向或另一方向枢转，这就相应地转动轴74以促使翼形部分72沿一个方向或另一方向枢转。

图7和图8(分别以分解和组装状态)示出了包括图6中的组件以及涡轮机壳 体插入件100的又一组件。三个间隔件110被刚性地固定至喷嘴环20并且从其第二面22轴向突出，以用于接合涡轮机壳体插入件100。涡轮机壳体插入件100具有用于容纳间隔件110端部的三个孔102。间隔件具有紧靠喷嘴环的第二面以及插入件100的相对表面的肩部或径向凸台以确定这些面之间的轴向间距。间隔件例如通过焊接被刚性地固定至喷嘴环和插入件。喷嘴环和插入件由此协作以构成其间的通道，并且叶片的翼形部分72被设置在通道内且优选地沿轴向完全跨越通道地延伸，以使流过通道的流体被约束以流过翼形部分之间的间距。

涡轮机壳体插入件100被构造为具有被插入涡轮增压器中的涡轮机壳体孔内的管状部分104。整个可变叶片组件，包括涡轮机壳体插入件100在内，构成了可以装入涡轮机壳体孔内的单元。涡轮机壳体随后被连接至涡轮增压器的中心壳体以使得可变叶片组件被保持在涡轮机和中心壳体之间。

图9和图10(分别以分解和组装状态)示出了根据本发明的一个实施例完整的可变叶片组件。可变叶片组件包括图8中的组件以及最少的流量设置销90，流量设置销90以流量设置销可以围绕其轴线在孔内转动的方式被容纳在喷嘴环20的孔29内。图示实施例中的流量设置销90包括销或类似元件，具有用于接纳螺丝刀或类似工具的有槽头部。流量设置销还包括从流量设置销的轴径向向外延伸的偏心凸轮。流量设置销被设置为使得凸轮能够接触其中一根叶片臂80，并且使得流量设置销围绕其轴线沿一个方向的转动促使凸轮推动叶片臂并造成其围绕由连接至叶片臂的叶片轴74确定的枢转轴线转动。叶片臂的这种转动造成协调环60的转动，这就进而造成其他的叶片臂80与接触销90的叶片臂一致地转动。用运种方式，所有的叶片在流量设置销转动时就都被一致地枢转。

操作人员可以在用于可变叶片组件的标定过程期间使用流量设置销90。在可变叶片组件安装在适当的测试固定装置内以通过由该组件界定的喷嘴提供流体时，操作人员转动流量设置销同时监测流体的流速，流速可以由与流体源相关联的合适的流量计测量。转动流量设置销，直到指示的流速达到预定水平(例如最小流速或者可选地指定数量的流速)为止。流量设置销90随后例如通过将流量设置销焊接至喷嘴环20或者通过将流量设置销进一步压装到孔29内(同时阻止其转动)以使得通过摩擦过盈配合来固定流量设置销而被永久固定在标定过程期间确定的位置。

根据本发明的某些实施例，所有径向引导滚动件30都被定位在将喷嘴环 20划分为两个半圆的半环的虚拟直线或直径的同一侧。换句话说，径向引导滚动件30被限定在相对小于180度的圆弧的喷嘴环周向延伸区域内。轴向-径向引导销40被设置在虚拟直线的相对侧。

三个径向引导滚动件30由于通过主臂(未示出)施加在协调环上的作用力导致的运动特性而处于虚拟直线的同一侧，主臂接合协调环的凹口66。由此，在向下看图9中示出的可变叶片组件时(其中排气沿顺时针方向进入)，并且将零度位置定义为用于主臂的凹口66的位置，滚动件30位于顺时针围绕喷嘴环的大约10度到大约150度之间。因为排气将叶片朝向打开的位置偏置，这会偏置协调环60顺时针转动，这进而需要主臂沿切向方向与滚动件30大致相对地在协调环上施加逆时针的抵抗力，所以将滚动件定位在这个区域内。由此，滚动件30阻止协调环的偏心移动，并且承受协调环上的大部分的反作用力。

轴向止动件50为协调环60提供沿轴向而不是沿径向的约束。因此，轴向止动件50可以被定位在与滚动件30大致相同的区域内，原因在于在该区域中对协调环的径向引导已经通过滚动件实现。因此，轴向止动件50可以和滚动件30一样被设置在前述虚拟直线的相同侧。

轴向-径向引导销40提供协调环的径向引导，特别是在主臂顺时针转动协调环以打开叶片时，这可能往往移动协调环远离引导滚动件30。如上所述，排气往往会向着打开的方向推动叶片，并且因此沿打开方向转动协调环所需的作用力就小于沿关闭方向移动它所需的作用力。固定的轴向-径向引导销40因此就足以在这些状态下径向引导协调环，与关闭叶片时施加在引导滚动件30上的径向力相比，在所述这些状态下的施加在引导销上的径向力相对小并且因此摩擦力也不会太大，在关闭叶片时固定的引导件上的摩擦力将超出预料地高。

本发明某些实施例中的进一步应用是使用组合的径向引导件和臂止动件，也就是既用作协调环60的径向引导件又用作叶片臂80或主臂(未示出)的止动件的销或类似部件。参照图10，除了包括销90以外，可变叶片组件还可以包括结构不同的销，这些销不但用于以类似于销90的方式来限制邻接的叶片臂80的枢转，而且用于径向地引导协调环60。

得益于以上说明和相关附图中给出的教导，与本发明相关的领域内的普通技术人员应该能够想到本文中提出的本发明的很多变形和其它的实施例。例如，尽管已介绍的实施例包括多个固定的轴向-径向引导销40，但是其他的实施例也 可以仅使用一个这样的轴向-径向引导销，或者可以根本就不包括任何的轴向-径向引导销。在后一种情况下，协调环可以由径向引导滚动件30和轴向止动件50或者多于一个的这样的轴向止动件来引导。因此，应当理解的是，本发明并不局限于所披露的特定实施例，并且变型和其它实施例应被认为是包括在所附权利要求的保护范围内。尽管本文中使用了一些特定术语，但是这些术语仅以通用和说明性含义的使用，而并不是为了限制性的目的。

Claims (9)

1.一种用于涡轮增压器的可变叶片组件，包括：

围绕轴线并且具有限定在喷嘴环相对的第一和第二面之间的轴向厚度的喷嘴环，喷嘴环具有均轴向延伸到第一面内的多个周向隔开的第一孔以及与第一孔周向隔开并且均从第一面轴向延伸到第二面的多个周向隔开的第二孔；

多个叶片，每一个叶片都具有从其一端延伸的轴，轴分别从喷嘴环第二面被容纳在第二孔内，并且可以在第二孔内转动以使叶片可以围绕由所述轴限定的各自轴线转动，每个轴的远端都从各自的第二孔伸出超过第一面；

多个叶片臂，分别被刚性地固定至所述轴的远端，每个叶片臂都具有自由端；

协调环，其与靠近其第一面的喷嘴环共轴设置，协调环具有面向喷嘴环第一面的第一侧并且具有相对的第二侧，协调环具有在其中限定出多个分别容纳叶片臂自由端的凹口的径向内边缘，协调环可以围绕喷嘴环的轴线转动以枢转叶片臂，由此协调地枢转叶片；

用于协调环的多个径向引导滚动件，每一个径向引导滚动件都被支撑在销上，该销被容纳在喷嘴环内的第一孔中的相应一个内并且被刚性地固定在其中，使得径向引导滚动件被固定至喷嘴环并且被定位成使得协调环的径向内边缘由径向引导滚动件约束，以限制沿径向的过度运动；以及

用于协调环的固定轴向止动件，轴向止动件具有被容纳在喷嘴环的第一孔中的另一个内并且被刚性地固定在其中的固定部分和从第一孔向外突出的止动部，止动部的一部分悬垂在协调环第二侧的上方并与其相对以阻止协调环远离喷嘴环的过度轴向运动。

2.如权利要求1所述的可变叶片组件，进一步包括插入喷嘴环的第一孔中的又一个内并且被刚性地固定在其中的轴向-径向引导销，以使得轴向-径向引导销被不可转动地固定至喷嘴环，其中轴向-径向引导销的引导部分从喷嘴环的第一面轴向伸出，轴向-径向引导销的引导部分具有面对协调环的径向内边缘的径向引导表面和面对协调环第二侧的轴向引导表面，以使协调环由轴向-径向引导销约束以限制沿径向和轴向的过度运动。

3.如权利要求2所述的可变叶片组件，包括围绕喷嘴环和协调环周向隔开的多个所述轴向-径向引导销。

4.如权利要求2所述的可变叶片组件，其中径向引导滚动件全部被设置在将协调环划分为两个半圆的半环的虚拟直线的同一侧，并且轴向-径向引导销被设置在虚拟直线的相对侧。

5.如权利要求4所述的可变叶片组件，其中轴向止动件被设置在虚拟直线的所述同一侧。

6.如权利要求1所述的可变叶片组件，进一步包括叶片臂止动件，叶片臂止动件被固定至喷嘴环并且被定位成既用作其中一条叶片臂的硬性止动件，又用于约束协调环以限制沿径向的过度运动。

7.如权利要求1所述的可变叶片组件，进一步包括与协调环相接合的主臂，主臂可以枢转以转动协调环并由此移动叶片臂以枢转叶片，还包括主臂止动件，主臂止动件被固定至喷嘴环并且被定位成既用作主臂的硬性止动件，又用于约束协调环以限制沿径向的过度运动。

8.一种用于涡轮增压器的可变叶片组件，包括：

围绕轴线并且具有限定在喷嘴环相对的第一和第二面之间的轴向厚度的喷嘴环，喷嘴环具有均从第一面轴向延伸到第二面内的多个周向隔开的孔；

多个叶片，每一个叶片都具有从其一端延伸的轴，轴分别从喷嘴环的第二面被容纳在所述孔内，并且可以在孔内转动以使叶片可以围绕由所轴限定的各自轴线转动，每个轴的远端都从各自的孔伸出超过第一面；

多个叶片臂，其分别被刚性地固定至轴的远端，每个叶片臂都具有自由端；

协调环，其与靠近其第一面的喷嘴环共轴设置，协调环具有面向喷嘴环的第一面的第一侧并且具有相对的第二侧，协调环具有在其中限定多个分别容纳叶片臂的自由端的凹口的径向内边缘，协调环可以围绕喷嘴环的轴线转动以枢转叶片臂，由此协调地枢转叶片；

与协调环相接合的主臂，主臂可以枢转以转动协调环；以及

臂止动件，其被固定至喷嘴环并且被设置为既用作其中一条主臂和其中一条叶片臂的硬性止动件，又用于约束协调环以限制沿径向的过度运动。

9.如权利要求8所述的可变叶片组件，其中臂止动件包括销，该销具有被容纳在喷嘴环的孔内并且被刚性地固定在其中的部分。

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