CN103225516A - 接触叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及接触叶片。组件可包括叶片和基底，基底构造成绕着轴线以径向距离安置叶片，其中每个叶片包括前缘和后缘；在前缘处和后缘处相交的一对侧向表面；从其中一个侧向表面延伸并具有接触表面的延伸部；以及止动表面，用于形成与另一叶片的接触表面的接触从而限定在该叶片和另一叶片之间的最小流量距离。还公开了设备、组件、系统、方法等的各种其它示例。

Description

接触叶片

技术领域

本文公开的主题总体涉及内燃发动机的涡轮机械，并且更具体地涉及可变几何形状机构的叶片。

背景技术

可变几何形状机构可调节气体喉部截面，例如位于通向涡轮机叶轮的入口处或者位于压缩机叶轮的出口处的气体喉部截面。对气体喉部截面的调节能改变气体流动方向、气体流动速度等，这可影响背压、叶轮速度等。

作为示例，GARRETT® VNT®涡轮增压器包括调节位于通向涡轮机叶轮的入口处的废气流的特征（例如，以优化针对所要求载荷的涡轮机功率）。在这种系统中，叶片朝着最小或“关闭”位置的移动能引导废气流更加接近涡轮机叶轮的切线方向，这进而施加更多的能量给涡轮机叶轮，并且因此增加由涡轮机叶轮驱动的压缩机叶轮传递的压缩机增压。相反，叶片朝着最大或“打开”位置的移动能引导废气流更加接近涡轮机叶轮的径向方向，这进而减少到达涡轮机叶轮的能量，并且因此减少由涡轮机叶轮驱动的压缩机叶轮传递的压缩机增压。将叶片移动到最小或“关闭”位置还能限制流动并且建立增加的压力差或者背压（例如，以实现与压缩机、涡轮机、压缩机和涡轮机操作、废气再循环等相关的各种目的中的任一个）。

关于发动机运行状况和几何形状调节，在低发动机速度和小气体流时，朝着最小或关闭位置的移动能增加涡轮机功率并增加压力；而，在发动机全速并且高气体流时，朝着最大或打开位置的移动能有助于避免涡轮机叶轮超速。在涡轮机叶轮驱动压缩机叶轮的情况下，调节可有助于维持或实现期望的压缩机增压压力。控制调节的控制器可包括通过使用压力致动器、使用真空致动器的发动机管理系统等对压缩机压力做出响应的机构。

如所述，可变几何形状机构可包括可旋转的叶片，所述叶片被布置成距离涡轮机叶轮或者压缩机叶轮（例如在扩散器部分中）的旋转轴线一定的径向距离，其中每个叶片包括上游边缘（称为前缘）和下游边缘（称为后缘）。在前缘和后缘之间，每个叶片具有一对光滑的翼型表面。存在各种机械机构以在最小或关闭位置时维持邻近的叶片之间的间距。不过，这种机构通常采用各种部件，这些部件可能随时间流逝而经历磨损，这进而能改变最小或关闭位置时的邻近叶片之间的间距。这种磨损可能是有害的，例如，它可能产生不确定性，这影响性能以及排放。

本文中各种示例中描述的术语、技术等涉及用于可变几何形状机构的叶片，其可被应用到涡轮机、压缩机或者涡轮机和压缩机。

附图说明

结合在附图中示出的示例参考下面的详细描述，可获得对本文描述的各种方法、设备、组件、系统、布置等以及其等同方式的更完整的理解，在附图中：

图1是涡轮增压器和内燃发动机的示例以及控制器的示例的简图；

图2是包括叶片的组件的示例的一系列视图以及能够影响组件的最小流量的因素类型的绘图；

图3是包括部分地限定最小流量距离的延伸部的叶片的示例的一系列视图；

图4是包括叶片的组件的一系列侧视图；

图5是图4的组件的两个叶片的一系列视图；

图6是叶片的示例的一系列视图；以及

图7是方法的示例的框图。

具体实施方式

如本文所述，组件可包括叶片和基底，该基底构造成围绕着轴线以一定的径向距离安置所述叶片。在这种示例中，每个叶片可包括前缘和后缘，在前缘处和后缘处相交的一对侧表面，从侧表面中之一延伸并包括接触表面的延伸部，和止动表面，所述止动表面形成与另一叶片的接触表面的接触以限定在叶片和另一叶片之间的最小流量距离。这种最小流量距离可限定用于流向涡轮机叶轮或从压缩机叶轮流出的气体流的喉部尺寸。

对于装有可变几何形状涡轮机组件（VGT组件）的涡轮增压器，在VGT组件的运行寿命期间，最小流量偏移可能因磨损、温度循环、变形等而发生。本文描述的各种术语、技术等能减少这种偏移，例如，通过提供叶片，其中每个叶片包括延伸部，该延伸部限定了对于叶片的最小流量位置的流动通道的尺寸。如本文中所述，叶片可具有轮廓，该轮廓减少了在叶片的上表面、下表面或者上、下表面附近的泄漏（例如，关于一个或多个板）。例如，在废气泄漏被减少的情况下，更多的废气通过叶片喉部被导向到涡轮机叶轮的导流部分。

如本文中所述，叶片和延伸部可缓解对通过中间壳体上的螺钉、筒上的销等设置或标定最小流量的需要。通过使用叶片和延伸部，可减少或消除在最小流量位置上的磨损、部件的间隙增加/堆叠等的各种后果。作为磨损的示例，在急剧的运行过渡期间，作用在叶片上的力可影响可操作性或寿命。这种力可能源自经过叶片表面的废气流、压差或一个或多个其它因素。如本文中所述，在通过叶片与叶片的接触（例如，延伸部与叶片的接触、延伸部与延伸部的接触）确定最小流量位置的情况下，最小流量位置不太可能在可变几何形状组件的运行寿命期间改变。

如本文所述，组件可包括叶片，其中两个邻近的叶片之间的最小喉部面积由直接的叶片与叶片的接触确定（例如，通过一个叶片的延伸部接触另一个叶片）。对于各种布置，叶片可包括一个或多个延伸部用于接触另一叶片的一个或多个表面。在上述布置中，被接触的表面可能是例如另一叶片的侧表面、另一叶片的延伸部的表面等。这种方式能减少对影响组件的最小流量位置有贡献的因素的数量。

下面，描述了涡轮增压发动机系统的示例，接着是叶片、部件、组件、方法等的各种示例。

涡轮增压器经常被用于增加内燃发动机的输出。参照图1，传统的系统100包括内燃发动机110和涡轮增压器120。内燃发动机110包括发动机缸体118，其容纳一个或多个燃烧室，所述燃烧室操作地驱动轴112（例如通过活塞）。如图1中所示，进气端口114提供了流动路径供空气进入发动机缸体118，而排气端口116提供了流动路径供废气离开发动机缸体118。

如在图1中所示，涡轮增压器120包括空气入口134、轴122、压缩机124、涡轮机126、壳体128和废气出口136。壳体128可被称为中间壳体，因为其被设置在压缩机124和涡轮机126之间。轴122可以是包括多个部件的轴组件。

在运行中，涡轮增压器120用于通过使废气经过涡轮机126（例如，以切向和径向方向将废气引导向涡轮机叶轮127的蜗壳）而从内燃发动机110的废气提取能量。如所示，涡轮机126的涡轮机叶轮127的旋转引起轴122的旋转并因此引起压缩机124的压缩机叶轮125的旋转，以压缩并增加进入到发动机110的入口空气的密度。通过引入最优量的燃料，系统100能从发动机100提取更多的比功率（例如，与相同排量的非涡轮增加的发动机相比）。

对于废气流的控制，在图1的示例中，涡轮增压器120包括可变几何形状组件129和废气门阀135。可变几何形状组件129可用于控制流向涡轮机叶轮127的废气流。废气门阀（或简称废气门）135被定位成紧邻涡轮机126的入口并且能被控制以允许来自排气端口116的废气绕过涡轮机叶轮127。

另外，为了实现废气再循环（EGR），这种系统可包括将废气引导到进气路径的导管。如在图1的示例中示出的，废气出口136可包括支路115，其中通过支路115流向空气入口路径134的流动可经由阀117控制。在这种布置中，废气可在压缩机124的上游被提供。

图1的涡轮增压器120可任选地包括用于压缩机124的可变几何形状组件，例如以控制在压缩机124的扩散器部分中的空气流，其中扩散器部分通向蜗壳并通向进气端口124。

如所述，定位在通向涡轮机的入口处的可调节的叶片可操作以控制流向涡轮机的废气流。例如，涡轮增压器可包括控制器以调节几何形状并且由此调节在通向涡轮机叶轮的入口处的废气流以最优化对于特定载荷的涡轮机功率。存在多种用于控制几何形状的控制方案，例如，与压缩机压力相关联的致动器可控制几何形状，发动机管理系统可使用真空致动器控制几何形状，等等。总之，可变几何形状组件可允许增压压力调节，这可有效地最优化功率输出、燃料效率、排放、响应、磨损等。

在图1中，控制器190的示例被示出为包括一个或多个处理器192、存储器194和一个或多个接口196。这种控制器可包括电路系统，例如发动机控制单元的电路系统。如本文所描述，可联合控制器任选地实施各种方法或技术，例如，通过控制逻辑。控制逻辑可依赖于一个或多个发动机操作条件（例如，涡轮rpm、发动机rpm、温度、载荷、润滑剂、冷却等）。例如，传感器可通过一个或多个接口196传输信息到控制器190。控制逻辑可依赖于这些信息，并且进而控制器190可输出控制信号以控制发动机操作。控制器190可被构造成控制润滑剂流、温度、可变几何形状组件（例如，可变几何形状压缩机或涡轮机或这两者）、废气门、废气再循环阀、电动马达、或与发动机、涡轮机增压器（或多个涡轮增压器）相关联的一个或多个其它部件、等等。

图2示出了组件200的各种视图和可能影响组件的最小流量位置的因素类型的绘图290。如所示，组件200包括带有下板224和上板228的基底210，一系列叶片260以径向距离r围绕着叶轮空间250的z轴布置在基底210上。在图2的示例中，每个叶片包括延伸部270以例如在每个叶片绕它的由柱280限定的枢转轴线同时旋转时定义邻近叶片之间的最小流量间距。虽然图2的示例示出了围绕着z轴以连续的36度间隔布置的十个叶片，但是组件可包括以不同的间隔布置的不同数量的叶片。

在组件200的仰视图中，基底210的各种部件被示出为使得能够实现围绕叶片的各自的枢转轴线同时枢转这些叶片。在组件200的截面侧视图中，叶片260被示出为被设置在下板224和上板228之间。通常，在下板224和上板228之间存在间隙以允许叶片260的枢转。在操作过程中，大多数气体应该通过邻近的叶片260之间的流动空间（例如叶片喉部）被引导到叶轮空间250，不过，在叶片260的上表面和上板228之间的间隙可允许一些气体流到叶轮空间250。类似地，在叶片260的下表面和下板224之间的间隙可允许一些气体流到叶轮空间250。

如本文所描述地，叶片可包括厚度（在侧向表面之间的宽度），所述厚度用于减少在叶片和一个或多个板之间的流量。特别地，叶片可包括在后缘处或附近的增加的厚度以减少在叶片和一个或多个板之间的流量，这进而对于一系列这种叶片来说，用于将更多的流量引导通过由邻近的叶片限定的喉部。叶片和一个或多个板之间的流量可被称为泄漏（例如，质量泄漏），这可影响叶片载荷（例如，在叶片上的压力）。通常，叶片载荷取决于叶片轮廓并且从后缘到前缘逐渐减小（例如，静压在后缘和前缘之间可有约40％的不同）。

关于绘图290，其指示了可能影响针对组件的最小流量位置的邻近的叶片之间的最小流量间距的各种类型的因素（例如，各种类型的磨损，等）。这些类型因素中的一些可任选地被消除，例如，通过使用叶片260，该叶片被布置在组件200内。

图3示出了叶片360的示例的各种视图，其可任选地被用于图2的组件200。如在图3中所示，叶片360包括延伸部370和柱380以及前缘361和后缘362，一对侧向表面363和364在前缘和后缘之间延伸。在图3的示例中，侧向表面363可被称为吸力表面，将被定向为朝着叶轮的旋转轴线；而侧向表面364可被称为压力表面，将被定位为背离叶轮的旋转轴线。叶片360还包括上表面366和下表面367，它们可以是平坦表面。

在侧视图或投影图中，叶片360具有叶片高度h和叶片长度l，而柱380具有柱高度H和柱直径d。柱380包括各种特征（例如，表面、肩部等）以与机构协作从而围绕由柱380限定的枢转轴线枢转叶片（见例如图2的组件200）。

关于延伸部370，上表面376和下表面377在接触表面378处相交。在图3的示例中，叶片360还包括止动表面368。对于这种叶片中的围绕轴线布置并彼此邻近的两个叶片来说，其中一个叶片的接触表面378形成与另一叶片的止动表面368的接触以由此限定在叶片之间的最小流量间距。如本文中所述，最小流量间距可以是喉部宽度，该喉部宽度不受与这些叶片绕它们的相应的枢转轴线枢转相关联的各种类型因数的影响（例如，可实现可再生的最小流量间距）。

在图3的示例中，延伸部370从叶片360的侧向压力表面364延伸到其接触表面378，而止动表面368存在于叶片360的侧向吸力表面363上。如本文所描述的，接触表面和止动表面的其它构造也是可行的（例如见图6）。

图4示出了组件400的示例的各种视图，其包括第一叶片460-1和第二叶片460-2。如在放大图中所示（图4的下图），接触在第一叶片460-1的接触表面478-1和第二叶片460-2的止动表面468-2之间形成。一旦形成接触，就在第一叶片460-1的侧向压力表面464-1和第二叶片460-2的侧向吸力表面463-2之间存在距离s。该距离s可被定义为圆的直径，该圆具有与侧向压力表面464-1和侧向吸力表面463-2都相切的圆周。

在图4的示例中，接触表面478-1具有与止动表面468-2的轮廓匹配的轮廓。如在本文中描述地，止动表面可以是侧向表面的光滑部分，或者可具有不同的形状以例如与接触表面的形状协作。作为示例，考虑延伸部包括平坦的接触表面和对应的平坦的止动表面，其可以是被机加工成叶片的侧向表面的平坦表面。如本文中所描述，这种表面可被成形为在用于最小化应力（或力）的区域上接触。而且，形状可用于确保适当的安置以稳定接触，使得振动、压力波动等不太可能引起侧向表面之间的最小流量间距的变化，而该变化会改变最小流量状况（例如，由喉部的总数以及任选地由泄漏限定）。

如在图4的示例中所示，延伸部470-1包括前缘471-1和后缘472-1。这些缘中的一者或两者可具有轮廓，该轮廓有益于通过至少部分地由延伸部限定的喉部的流动。例如，前缘471-1可被构造成单刃刀片，其中它的平坦侧面将被定位成邻近平坦板（例如见图2的板224和228）而它的斜侧面将被定位在喉部通道中，以部分限定该喉部通道。前缘471-1随着其接近接触表面478-1，其高度可略微增加，以例如确保恰当的安置和力分布。后缘472-1可被成形为带有向下倾斜的斜面并可任选地具有在接触表面478-1处的更大的高度。

图5示出了图4的叶片460-1和460-2的两个俯视图。在一个视图中，对于接触状态510，接触形成在叶片460-1的延伸部470-1和叶片460-2的表面之间。在另一视图中，对于打开状态520，叶片460-1和460-2被示出为被绕它们各自的枢转轴线枢转（例如约10度），使得不再存在接触。如本文所描述的，延伸部可具有基本上不干涉通过喉部的流动的轮廓。例如，延伸部可以是相对平坦的并且被定位成与叶片的下或上表面齐平。延伸部的最大高度可以在叶片的高度的0.1或更小的量级上。

如本文中所述，对于最小流量位置以外的叶片位置（例如，对于打开状态），控制器可能够调节以适应由一个或多个延伸部、一个或多个止动表面等引入的任何差异。再次，最小流量位置（例如关闭状态）可影响性能、排放等。因此，提供增强最小流量位置（例如关闭状态）一致性的特征的益处会比对于大于最小流量位置的位置（例如打开状态）由于延伸部改变流动而可能发生的缺点更有价值。

图6示出了两个叶片的示例的各种近似视图，这两个叶片接触以限定最小流量位置。在示例601中，叶片610-1包括接触叶片610-2的下延伸部。在示例602中，叶片620-1包括接触叶片620-2的上延伸部。在示例603中，叶片630-1包括接触叶片630-2的下延伸部的下延伸部。在示例604中，叶片640-1包括接触叶片640-2的上延伸部的上延伸部。在示例605中，叶片650-1包括接触叶片650-2的延伸部。在示例606中，叶片660-1包括接触叶片660-2的延伸部的延伸部。如在图6的示例中所示，喉部由至少一个延伸部限定在邻近的叶片之间。虽然在示例606中喉部由四个延伸部限定，但是多于四个的延伸部可用于限定喉部。

图7示出了方法700的示例。方法700包括提供块710用于提供包括叶片和延伸部的组件，枢转块720用于绕叶片的各自的枢转轴线枢转叶片，和形成块730用于对于每个叶片形成与至少一个延伸部的接触。

参照图5，方法700的形成可在从打开状态520移动到关闭状态510时发生。如所示，叶片460-1和460-2在绕它们的各自的轴线枢转的同时保持定位成距离轴线一定径向距离。如在本文中描述地，机构可用于实现滑动或其它运动，这些运动任选地与枢转联合，从而引起叶片形成接触。本文中描述的各种叶片可任选地被与这种机构联合使用以有助于确保叶片的最小流量位置。

如在本文中描述地，方法可包括提供包括叶片的可变几何形状组件，其中每个叶片包括枢转轴线和延伸部；绕叶片的各自的枢转轴线枢转叶片；并通过叶片的延伸部形成叶片之间的接触以限定组件的最小流量位置。在这种方法中，所述形成可通过使每个延伸部与邻近叶片的止动表面接触而形成接触。

如在本文中所述，涡轮增压器可包括带有压缩机端和涡轮机端的壳体以及在壳体的涡轮机端处的可变几何形状涡轮机组件，所述组件包括叶片，其中叶片到叶片的接触限定了最小流量位置以供废气从蜗壳流到涡轮机叶轮空间。在这种组件中，每个叶片可包括延伸部，所述延伸部至少部分地限定了在邻近的叶片之间的最小流量距离。在这种组件中，邻近的叶片可限定喉部以供废气从蜗壳流到涡轮机叶轮空间。

如本文中所描述地，方法可包括根据指示操作涡轮增压器，其中所述指示可任选地是一种或多种计算机可读存储介质的形式。例如，在控制器（例如ECU或其它）包括存储指示的存储器的情况下，所述指示可被装载到存储器中以控制涡轮机、压缩机、涡轮机和压缩机等的可变几何形状机构。

如在本文中所描述地，控制器（例如见图1的控制器190）可执行各种动作，其可以是可编程控制器，该可编程控制器被构造成根据指示进行操作。如本文中描述地，一种或多种计算机可读介质可包括处理器可执行指示，以指示计算机（例如控制器或其它计算设备）执行本文描述的一个或多个动作。计算机可读介质可以是存储介质（例如，诸如存储芯片、存储卡、存储盘等的设备）。控制器可能够访问这种存储介质（例如，通过有线或无线接口）并装载信息（例如指示和/或其它信息）到存储器内（例如见图1的存储器194）。如在本文中所示，控制器可以是发动机控制单元（ECU）或其它控制单元。这种控制器可任选地被编程为控制一个或多个可变几何形状机构、废气再循环等。这种控制器可任选地被编程为执行参照本文中描述的示例性方法或其它方法描述的一个或多个动作。

尽管已经在附图中图示了并在前面的具体描述部分中描述了方法、设备、系统、布置等的一些示例，但是应该理解的是，所描述的示例性实施例不是限定性的，而是能够进行数种重新布置、改进和替换，而不脱离由下面的权利要求公开并限定的精神。

Claims (20)

1.一种组件，其包括：

叶片；以及

基底，所述基底构造成围绕轴线以径向距离安置所述叶片，其中每个叶片包括：

前缘和后缘；

在前缘处和后缘处相交的一对侧向表面；

延伸部，其从其中一个侧向表面延伸并且包括接触表面；以及

止动表面，用于形成与另一叶片的接触表面的接触从而限定在该叶片和另一叶片之间的最小流量距离。

2.如权利要求1所述的组件，其中延伸部从包括叶片的压力表面的侧向表面延伸。

3.如权利要求1所述的组件，其中止动表面包括侧向表面的包括该叶片的吸力表面的部分。

4.如权利要求1所述的组件，其中延伸部从包括叶片的压力表面的侧向表面延伸并且其中止动表面包括侧向表面的包括该叶片的吸力表面的部分。

5.如权利要求1所述的组件，其中延伸部从包括叶片的吸力表面的侧向表面延伸。

6.如权利要求1所述的组件，其中止动表面包括侧向表面的包括该叶片的压力表面的部分。

7.如权利要求1所述的组件，其中延伸部从包括叶片的吸力表面的侧向表面延伸并且其中止动表面包括侧向表面的包括该叶片的压力表面的部分。

8.如权利要求1所述的组件，包括从其中一个侧向表面延伸的另一延伸部。

9.如权利要求8所述的组件，其中所述另一延伸部包括止动表面。

10.如权利要求8所述的组件，其中所述另一延伸部包括另一接触表面。

11.如权利要求1所述的组件，其中每个叶片包括限定枢转轴线的柱。

12.如权利要求1所述的组件，其中延伸部包括前缘和后缘。

13.如权利要求12所述的组件，其中所述延伸部的缘中的至少一个包括斜缘。

14.如权利要求1所述的组件，其中基底包括可变几何形状涡轮机基底。

15.如权利要求1所述的组件，其中基底包括可变几何形状压缩机基底。

16.一种涡轮增压器，其包括：

壳体，其包括压缩机端和涡轮机端；以及

在壳体的涡轮机端处的可变几何形状涡轮机组件，其包括叶片，其中叶片到叶片的接触限定了供废气从蜗壳流到涡轮机叶轮空间的最小流量位置。

17.如权利要求16所述的涡轮增压器，其中每个叶片包括延伸部，所述延伸部至少部分地限定了在邻近的叶片之间的最小流量距离。

18.如权利要求16所述的涡轮增压器，其中邻近的叶片限定喉部以供废气从蜗壳流到涡轮机叶轮空间。

19.一种方法，其包括：

提供包括叶片的可变几何形状组件，其中每个叶片包括枢转轴线和延伸部；

绕叶片的各自的枢转轴线枢转叶片；以及

通过叶片的延伸部形成叶片之间的接触以限定该组件的最小流量位置。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述形成通过每个延伸部接触邻近的叶片的止动表面形成接触。

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