CN103016072B

CN103016072B - 带有具有用于叶片的迷宫式密封的可变喷嘴的涡轮增压器

Info

Publication number: CN103016072B
Application number: CN201210449126.8A
Authority: CN
Inventors: P·巴泰勒; E·塞韦兰; N·莫兰; D·耶克尔; D·珀蒂让; P·阿诺; K-H·鲍尔
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Garrett Power Technology (Shanghai) Co.,Ltd.
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: EP2573364A2; US8967955B2; EP2573364B1; EP2573364A3; US20130078083A1; CN103016072A

Abstract

本发明涉及带有具有用于叶片的迷宫式密封的可变喷嘴的涡轮增压器。用于涡轮增压器的可变喷嘴包括可旋转地安装在喷嘴环上并且布置在喷嘴环与相对的喷嘴壁之间限定的喷嘴流动路径中的多个叶片。喷嘴环与喷嘴壁的面中的任一个或两个包括基本上横向于通过喷嘴流动的总体流动方向延伸的凹槽，并且在叶片的端部与邻近面之间存在间隙。通过每个叶片的端部与具有凹槽的相邻面之间的间隙的泄漏流动必须行进穿过凹槽，并且因此将迷宫式流动通道提供给泄漏流动。迷宫式通道比没有凹槽的情况具有更大的流动阻力。因此，因此减小了泄漏流动，其有益于涡轮效率。

Description

带有具有用于叶片的迷宫式密封的可变喷嘴的涡轮增压器

技术领域

本发明总体上涉及一种涡轮增压器，并且尤其涉及一种具有叶片阵列形式的可变涡轮机喷嘴的排气驱动涡轮增压器，所述叶片能在关闭位置与打开位置之间，以及在其间的任意位置围绕它们的轴线枢转，以用于调节通过喷嘴至涡轮机叶轮的排气的流动。

背景技术

在如上所述的典型的涡轮增压器中，叶片可旋转地安装在布置在涡轮增压器中的大体为环形的喷嘴环上，并且喷嘴环围绕涡轮机叶轮绕其旋转的中心轴线。叶片在喷嘴环与由布置在涡轮机壳体中的插件限定的相对壁之间延伸。喷嘴流动路径在喷嘴环与插件之间延伸，并且因此排气从涡轮机壳体腔，在叶片之间径向向内地，流动并且流入涡轮机叶轮。通过枢转叶片，改变了喷嘴的有效流动区域，由此调节了排气至涡轮机叶轮的流动。

叶片通常经由固定在叶片的一端并且接收在延伸通过喷嘴环的轴承孔的轴安装在喷嘴环上。暴露给喷嘴中的排气流的叶片部分是翼型形状的，其相对的端部分别紧紧地邻近喷嘴环的面和相对的插件的面。理论上，翼型部分的每个端部与邻近的面之间的间隙应当为零，从而排气不能通过间隙泄漏。然而，实际上其通常不可能具有零间隙，或甚至非常小的间隙，因为在翼型部分的端部与喷嘴环与插件的邻近面之间将出现束缚。考虑到在涡轮增压器工作期间出现的各种部件的热引起的变形，这尤其如此。各个部件以不同速率和不同量经历热膨胀和收缩。

因此，实际上，标称叶片间隙通常设计为相对较大从而避免了叶片束缚的任何可能性。尽管间隙在某些工作条件下可以更小，但是通过设计在整个期望范围的工况上仍然存在相当大的间隙。这些大间隙公知为引起涡轮机效率的损失。然而，由于需要防止叶片束缚的任何可能性，因此通常认为这样的效率损耗是不可避免的。

发明内容

本发明涉及一种涡轮增压器，其具有设计为基本上没有叶片束缚问题的可变喷嘴，但仍然能使间隙产生的效率损失大大减小。

根据本发明的一个方面，具有可变喷嘴的涡轮增压器包括布置在涡轮机壳体内的涡轮机叶轮，涡轮机壳体限定了轴向延伸孔和围绕该孔用于接收来自内燃机的排气的大体上为环形的腔。大体上为环状的喷嘴环布置在涡轮增压器中并且限定了轴向延伸通过喷嘴环的轴向面对的面且在圆周方向上间隔开的多个轴承孔。喷嘴环与限定了与喷嘴环的所述面相对的面的喷嘴壁轴向地间隔开，喷嘴环与喷嘴壁之间的相对面限定了其间的喷嘴流动路径，所述腔中的排气通过该流动路径大体上径向向内地被引入到涡轮机叶轮中。多个沿圆周方向间隔开的叶片布置在喷嘴流动路径中，每个叶片包括限定了用于叶片的枢转轴线的轴，叶片的轴分别接收在喷嘴环的轴承孔中并且围绕各自的枢转轴线在其中可旋转从而在关闭位置与打开位置之间可调节叶片的设定角度。

每个叶片包括具有外翼型面的空气动力学翼型部分，每个翼型部分连接到各自的轴上并且从第一端至相对的第二端沿枢转轴线延伸。每个翼型部分的第一和第二端分别限定了基本上垂直于枢转轴线的第一和第二端面。在翼型部分的第一端面与喷嘴环的面之间以及在翼型部分的第二端面与喷嘴壁的面之间存在间隙。根据本发明，这些间隙的尺寸可以设计为在所考虑的全部工作条件下避免叶片的束缚。

然而，为了减小间隙产生的效率损失，至少喷嘴环的面(并且，任选地，还有相对的喷嘴壁的面)包括定位成紧邻叶片的翼型部分的相应端面的多个大体上平行的间隔开的凹槽。凹槽的长度方向被取向为大体横向于通过可变喷嘴的叶片之间的通道的排气的流动方向。因此，通过叶片的端部与具有凹槽的面之间的间隙泄漏的任何流动将大体上横向于凹槽的长度方向流动。凹槽与每个叶片的邻近的端面一起限定了迷宫式通道，任何泄漏流动必须通过该迷宫式通道。迷宫式通道比不存在凹槽情况展现出更大的流动阻力。因此，对于穿过叶片翼型的给定压力差，迷宫式通道将比没有凹槽的情况允许更小的泄漏流率。泄漏流动的该减小将对涡轮效率具有有益的影响。

喷嘴环中的凹槽可以以多种方式制造。例如，喷嘴环的面可以被机加工(例如，通过铣床或磨削)以形成凹槽。可替换地，冲压处理，精密冲裁处理，或电腐蚀加工处理都可以用于形成凹槽。

在一个实施例中，凹槽被限制在喷嘴环的面的基本上与在叶片打开位置中的叶片的径向范围重合的区域。

在另一实施例中，凹槽被限制在喷嘴环的面的基本上与在叶片关闭位置中的叶片的径向范围重合的区域。

在进一步的实施例中，喷嘴面包括升高的凸台，当叶片在关闭位置时升高的凸台基本上填满了喷嘴面与叶片的端面之间的间隙，由此大大减小或消除了叶片的关闭位置中的泄漏流动。尽管在叶片的打开位置时凸台对减小泄漏流动没有效果，但在打开位置中来自泄漏流动的涡轮效率损失不及其在关闭位置时那样成问题。

附图说明

因此在以上位术语描述了本发明之后，现在将参考附图，该附图并不一定按比例绘制的，并且其中：

图1是根据本发明的一个实施例的涡轮增压器的轴向截面视图；

图2是示出了根据本发明的一个实施例的可变喷嘴的透视图；

图3是在取一半截面的图2的可变喷嘴的透视图；

图4是移走了可变喷嘴的插件的图2的可变喷嘴的立面图；

图5是图3的放大部分；

图6是沿图4中线6-6的可变喷嘴组件的截面图；

图7是取一半截面的根据本发明的进一步的实施例的可变喷嘴的透视图；

图8是图7的放大部分；以及

图9是具有叠置的叶片的喷嘴环的示意图，示出了根据本发明的另一实施例的凹槽的可替换结构。

具体实施方式

参照附图现在将在下文中更完全地描述本发明，其中示出了本发明的一些并不是全部的实施例。实际上，这些发明可以以许多不同的形式实施并且将不应理解为限制于在此提出的实施例；相反，提供这些实施例从而本发明将满足可实施的法律需求。全文中相同的数字表示相同的元件。

图1示出了根据本发明的一个实施例的涡轮增压器10。涡轮增压器包括安装在轴14上的压缩机叶轮12，该轴14在中心壳体16中通过中心孔延伸并且固定到涡轮机叶轮18上。涡轮机叶轮安装在涡轮机壳体20中。涡轮机壳体限定了轴向延伸孔22以及径向地在孔22的外部并且围绕孔22的大致为环形的蜗壳或腔24。涡轮机壳体还限定了用于导入来自内燃机的排气进入腔24的进口(在图1中不可见)。排气从所述腔径向地向内流动通过喷嘴26并且冲击涡轮机叶轮18的叶片并且流动通过涡轮机叶轮18的叶片流道，由此驱动涡轮机叶轮，其进而驱动压缩机叶轮12。涡轮增压器还包括限定了蜗壳的压缩机壳体(未示出)，该蜗壳用于接收由压缩机叶轮加压的空气，加压空气然后供给到内燃机的进气系统。

涡轮增压器包括可变叶片组件，或可变喷嘴30，据此可调节通过喷嘴的排气流的速率，从而调节由涡轮机产生的功率量，并且因此调节由压缩机实现加压量。可变叶片组件包括布置在中心壳体16与涡轮机壳体20之间的大致为环形的喷嘴环40。喷嘴环基本上与轴14的转动轴线同轴。可变叶片组件还包括以圆周方向间隔开的阵列可旋转地安装到喷嘴环上的多个叶片50。叶片在喷嘴26的流动通道内，在喷嘴环40与相对的喷嘴壁之间大致沿轴向延伸。在示出的实施例中，相对的喷嘴壁由具有大体上为管状部分62的插入件60限定，该管状部分62密封地插入到涡轮机壳体的孔22中，并且具有从管状部分62的上游端径向地向外延伸并且形成喷嘴的相对壁的喷嘴部分64。然而，在其它实施例中，相对的喷嘴壁可以由涡轮机壳体的一部分限定出。喷嘴环40具有基本上为平坦的并且轴向地面对相对的喷嘴壁64的面44。插入件类似地具有基本上为平坦的并且轴向地面对喷嘴环40的面66。刚性的间隔件68将喷嘴环40连接到插入件60。

图2至6示出了可变叶片组件30更多的细节。尤其参考图6，每个叶片都刚性地安装到轴70上。每个轴具有延伸通过在喷嘴环中的圆柱形轴承孔42的部分72。为了改变叶片50的设置角，轴70在轴承孔42内可旋转。每个轴70还包括直径比该轴的其余部分大的轴承部分74，并且具有基本上平坦的表面以靠在喷嘴环40的邻接面上进行支承。

每个轴的延伸通过喷嘴环40中的轴承孔42的部分72刚性地固定到叶片臂76上。叶片臂由可旋转的齐动环80接合，从而齐动环在一个方向或反向方向的转动使得叶片臂在一个方向或反向方向枢转，其随后使得叶片50在一个方向或反向方向枢转。适当的致动器和连杆机构(未示出)用于转动齐动环。

每个叶片50包括空气动力学翼型部分52。每个翼型部分连接至相应的轴70并且沿由该轴限定的枢转轴线从第一端延伸至相对的第二端。邻接喷嘴环50的每个翼型部分52的第一端限定了基本上垂直于旋转轴线的第一端面54(图6)。邻接插入件60的每个翼型部分的第二端限定了基本上垂直于旋转轴线的第二端面56(图6)。

在翼型部分的第一端面54与喷嘴环的面44之间以及在翼型部分的第二端面56与该插入件或喷嘴壁的面66之间存在间隙。当在涡轮增压器工作期间可变叶片组件的各个部分接触加热和冷却时为了避免叶片的束缚必须在叶片端面具有一定量的间隙。在本发明之前，这样的相对大的间隙引起了显著的涡轮效率损失，尤其是当叶片在它们的关闭位置时(即，转动至叶片之间的流动通道具有最小流动面积的位置)尤其存在问题。

根据本发明，如现在主要参考图3至5进行解释的，间隙产生的效率损失可以大大减少或消除。具体地，邻接叶片50的端面54的喷嘴环40的面44设有多个大体平行间隔开的凹槽46。每个凹槽46的纵向方向被取向为大体垂直于排气流动通过相邻叶片50之间的通道的方向。因此，通过叶片的端部与喷嘴环面44之间的任何泄漏流动(其基本上沿总体流动方向进行)基本上横向于每个凹槽的纵向方向行进。因此，凹槽46和每个叶片的相邻的端面54共同限定出泄漏流动必须通过的迷宫式通道。迷宫式通道比不在喷嘴面中设置凹槽的情况呈现出较大的流动阻力。因此，对于穿过叶片翼型的给定的压差，迷宫式通道将比没有凹槽的情况允许较小的泄漏流率。泄漏流动的该减小对涡轮效率具有有益的影响。

在一个实施例中，凹槽46被限制在喷嘴环40的面44的基本上与处于打开位置中的叶片50的径向范围重合的区域。图4示出了叶片50在它们的打开位置(其中叶片具有它们的最大径向范围)，并且可以看到多个凹槽46从每个叶片的前缘一直延伸至后缘。

然而，可替换地，凹槽46可以被限制在喷嘴环面44的较小的径向范围内，例如被限制在当叶片在它们的关闭位置时仅足够覆盖全部径向叶片范围的范围，其中在关闭位置中减少泄漏流动对涡轮效率具有最重要的影响。

如图7和8所示，在可替换的实施例中，喷嘴环面44设有为环状结构的升高的凸台90(即，比面44的其余部分轴向地向相对的喷嘴壁66突出更远的区域)。凸台90可以被限制在喷嘴环面的大体对应于轴70的轴承部分74的位置的区域，并且凸台的径向范围基本上与在关闭位置的叶片的径向范围重合，如注意的，在关闭位置泄漏流动对涡轮效率具有最严重的影响。凸台90具有足够基本上充满间隙的高度，否则在叶片的关闭位置中在叶片50的端面与喷嘴环面44之间将存在这些间隙。因此，在叶片的关闭位置中凸台90大大上减少或消除了通过叶片端部的泄漏流动。

为了产生迷宫式流动通道并且进一步减小泄漏流动，凸台90的面可以设有类似于上述实施例的凹槽46的凹槽。

在本发明的任意实施例中，凹槽46可以采用各种结构。应当注意，凹槽的纵向方向可以垂直于流动方向。由于流动方向在通过叶片之间的通道时是变化的，因此，恒定的凹槽方向不能维持在整个叶片通道上的所需的垂直关系。图9是设计为更接近地维持在整个叶片通道上的垂直关系的更复杂的凹槽结构的示例。如所示，凹槽46′的方向不是恒定的。凹槽46′的纵向方向被取向为在每个叶片通道的入口处更接近径向，并且在叶片通道的出口处更接近周向。这允许凹槽在整个通道中基本上垂直于流动方向。当然，应当理解，这样的基本上的垂直关系不能在全部工作条件下维持，因为叶片设定角度随工作条件变化。因此，凹槽结构可被选择为在特定工作条件或感兴趣的叶片设置角处为最佳，例如泄漏流动可以对涡轮效率具有尤其显著的作用的完全关闭的叶片位置。

其它的凹槽结构也是可能的。作为另一示例，凹槽可以大体上与叶片的外轮廓一致。

根据前面描述和附图中给出的教导，本领域技术人员将想到在此提出的本发明的许多变形以及其它实施例。因此，应当理解，本发明将不限于公开的具体实施例并且变型以及其它实施例也被认为包含在所附的权利要求的范围内。尽管在此采用了专有术语，它们是在广义并且描述性的含义下被使用并且不构成限制。

Claims

1.一种用于涡轮增压器的可变喷嘴，其包括：

环状的喷嘴环，限定了轴向延伸通过所述喷嘴环的轴向面对的面的多个沿圆周方向间隔开的轴承孔；

喷嘴壁，限定了与喷嘴环的所述面轴向地间隔开并且与其相对的面，喷嘴流动路径被限定在喷嘴环与喷嘴壁的相对面之间；以及

布置在喷嘴流动路径中的多个沿圆周方向间隔开的叶片，每个叶片包括限定了用于叶片的枢转轴线的轴，叶片的轴分别接收在喷嘴环的轴承孔中并且围绕相应的枢转轴线在其中可旋转从而在关闭位置与打开位置之间可调节叶片的设定角度，每个叶片包括具有外翼型面的空气动力学翼型部分，每个翼型部分连接到相应的轴并且从第一端至相对的第二端沿枢转轴线延伸，每个翼型部分的第一和第二端分别限定了垂直于枢转轴线的第一和第二端面，在翼型部分的第一端面与喷嘴环的所述面之间以及在翼型部分的第二端面与喷嘴壁的所述面之间存在间隙；

其中至少喷嘴环的所述面包括紧邻叶片的翼型部分的相应端面定位的多个平行的间隔开的凹槽，凹槽与每个叶片的邻近的端面一起限定了迷宫式通道，任何泄漏流动必须通过该迷宫式通道。

2.如权利要求1所述的可变喷嘴，其特征在于，凹槽被限制在喷嘴环的所述面的与在其打开位置中的叶片的径向范围重叠的区域。

3.如权利要求1所述的可变喷嘴，其特征在于，凹槽被限制在喷嘴环的所述面的与在其关闭位置中的叶片的径向范围重叠的区域。

4.如权利要求1所述的可变喷嘴，其特征在于，凹槽的纵向方向被取向为垂直于叶片之间的排气的流动方向。

5.一种用于涡轮增压器的可变喷嘴，其包括：

其中喷嘴环的所述面包括具有环形构造的升高的凸台，所述凸台具有与处于其关闭位置的叶片的径向范围重叠的径向范围，所述凸台填满不然会在所述叶片的关闭位置中存在于喷嘴环的所述面和所述叶片的所述端面之间的间隙。

6.一种涡轮增压器，其包括：

布置在涡轮机壳体内的涡轮机叶轮，涡轮机壳体限定了轴向延伸孔和围绕所述孔的用于接收来自内燃机的排气的环形腔；以及

可变喷嘴，其包括：

喷嘴壁，限定了与喷嘴环的所述面轴向地间隔开并且与其相对的面，喷嘴流动路径被限定在喷嘴环与喷嘴壁的相对面之间，所述涡轮机壳体的所述腔与所述喷嘴流动路径流体连通；以及

其中喷嘴环的所述面和喷嘴壁的所述面中的至少一者包括紧邻叶片的翼型部分的相应端面定位的多个平行的间隔开的凹槽，凹槽与每个叶片的邻近的端面一起限定了迷宫式通道，任何泄漏流动必须通过该迷宫式通道。

7.如权利要求6所述的涡轮增压器，其特征在于，凹槽被限制在喷嘴环的所述面的与在其打开位置中的叶片的径向范围重叠的区域。

8.如权利要求6所述的涡轮增压器，其特征在于，凹槽被限制在喷嘴环的所述面的与在其关闭位置中的叶片的径向范围重叠的区域。

9.如权利要求6所述的涡轮增压器，其特征在于，凹槽的纵向方向被取向为垂直于叶片之间的排气的流动方向。