CN104204445B - 用于vtg涡轮增压器的叶片套件组件 - Google Patents

Abstract

在此提供了一种叶片套件组件，该叶片套件组件可以将上部与下部叶片环之间的这些间隔件移到穿过叶片环的排气流之外的一个位置。具体而言，将这些间隔件定位在这些叶片中。进一步，该组件可以有效地保留使用这些小块，以改变这些叶片在其相关联的叶片枢轴短柱上的角度。具有此种构型的叶片套件可以使用廉价的零件、消除了对叶片套件的焊接需要和/或简化了叶片套件组装过程。进一步，该叶片套件可以与涡轮机壳体上解除联接，由此避免了与热膨胀差异有关的问题。

Description

用于VTG涡轮增压器的叶片套件组件

技术领域

实施例总体上涉及涡轮增压器，并且更具体地涉及可变涡轮几何形状涡轮增压器的叶片套件。

背景技术

涡轮增压器是一种强制进气系统。它们将空气以与在正常吸气构型中的可能情况相比更大的密度传送到发动机进气中，从而允许燃烧更多的燃料，因此在没有明显增加发动机重量的情况下提升了发动机的马力。一个更小的涡轮增压发动机取代一个更大物理尺寸的正常吸气的发动机，这将减小质量并且可以减小车辆的空气动力学的前端面积。

参见图1，涡轮增压器（10）利用来自发动机排气歧管的排气流来驱动一个位于该涡轮机壳体（14）内的涡轮机叶轮（12）从而形成一个涡轮机级（16）。涡轮机叶轮（12）提取的能量被转化为一种旋转运动，这种旋转运动接着驱动位于一个压缩机盖件（20）之内的一个压缩机叶轮（18）从而形成一个压缩机级（22）。该压缩机叶轮（18）将空气抽入涡轮增压器（10）中、将该空气压缩、并且将其输送至发动机的进气侧。涡轮增压器（10）具有一条相关轴线（11）。

可变几何形状涡轮增压器典型地使用多个可旋转叶片（24）来控制排气的流动，排气撞击在涡轮机叶轮（12）上并且控制了涡轮机级（16）的功率。这些叶片（24）因此还控制了由压缩机级（22）产生的压力比率。在通过使用高压排气再循环（HP EGR）技术而控制NOx的产生的发动机中，叶片（24）在VTG中的功能还提供了控制并产生排气背压的手段。

一个阵列的可枢转叶片（24）位于一个大体上环形的上部叶片环（UVR）（26）与一个大体上环形的下部叶片环（LVR）（28）之间。每个叶片在从所述叶片（24）突出的一对相反的轴杆（30）（图2A和2B）上旋转，这些轴杆位于一条共同轴线上。每个轴杆（30）位于LVR（20）中的一个相应孔以及UVR（30）中的一个相应孔中。UVR（26）相对于LVR（20）角取向被设定为使得叶片环（26，28）中的这些互补孔是与叶片（24）的轴杆（30）的轴线同心的，并且叶片（24）围绕这两个轴杆（30）的轴线（32）自由旋转，该轴线是与现在建立的这两个孔的中心线同心的。叶片（24）的UVR侧的每个轴杆（30）突出而穿过UVR（26）并且被附连到一个叶片臂（34）上，该叶片臂控制着叶片（24）相对于叶片环（26，28）的旋转位置。典型地，有一个分开的环经由多个小滑块（48）控制着所有叶片臂（34）的联合体。这个联合环（50）被一个致动器控制，该致动器是操作性连接的以使该联合环（50）旋转。该致动器典型地被发动机电子控制单元（ECU）所命令。由该多个叶片（24）和这两个叶片环（26，28）组成的组件典型地被称为叶片套件。典型地，有一个分开的环经由多个小滑块（48）控制着所有叶片臂的联合体。

由于涡轮机壳体（14）在径向平面内不是对称呈圆形的，并且因为涡轮机壳体（14）内的热通量也不是对称的，涡轮机壳体（14）受到不对称的应力以及不对称的热变形。

可旋转叶片（24）之间、更具体地在叶片（24）的颊部（36）与上部和下部叶片环（26，28）的内表面（38，40）之间的间隙是在被允许撞在涡轮机叶轮（12）上的排气的控制以及涡轮机叶轮（12）上游的背压产生这两方面的效率损失的主要原因。叶片侧颊部（36）与叶片环（26，28）的内表面（38，40）之间的间隙被保持为最小，以便提高该叶片套件的效率。

不幸的是，由于这些侧向间隙得到的效率提高与该叶片套件的磨损、由于正被传递至该叶片套件的涡轮机壳体（14）中的热变形造成的粘连、或者完全拥塞倾向成反比。因此，该叶片套件需要被准确放置且约束在涡轮机壳体（14）内，其方式为使得热引发的扭曲的传递最小化。虽然处于叶片套件内部，但上述间隙的大小可以确定成在将粘连、拥塞和磨损的可能性最小化的同时将效率最大化。

在一些VTG中，如图2B中所绘，上部叶片环（UVR）（26）和下部叶片环（LVR）（28）被多个螺柱或螺栓（42）、有时用螺母（44）保持在一起，该螺柱或螺栓用于在叶片环（26，28）上并且在叶片环（26，28）之间布置的多个间隔件（46）上施加一个夹紧负载，这样使得间隔件（46）的长度决定了UVR（26）与LVR（28）之间的距离、并且因此决定了叶片（24）的颊部（36）与叶片环（26，28）的内表面（38，40）之间的间隙。螺栓或螺柱（42）还用于提供这些孔的角向定向，叶片（24）的轴杆（30）被约束在这些孔中。当使用螺柱时，往往将该螺柱拧入涡轮机壳体（14）中，并且将该叶片套件直接组装到涡轮机壳体（14）上。然而，将螺柱固定而使得它们在振动情况下不会松开是困难的，尤其是在存在高温（从740°C到1050°C）的情况下。类似地，在温度位于从低于冰点到类燃烧高温（从740°C到1050°C）的范围内的情况下，使得螺母不会由于该夹紧负载组件中这些部件的材料的热膨胀系数的差异而变松地用螺母维持夹紧负载是困难的。

另外，当使用圆柱形间隔件（46）来确定并维持UVR（26）与LVR（26）之间的间距时，这些典型地圆柱形的间隔件（46）周围的气体流动造成了被称为漩涡脱落的空气动力学现象，其中该流动周期性地从该柱体的下游侧以通断循环进行分离，该通断循环可以在该流动中累积形成共振。漩涡脱落可以在涡轮机叶轮（12）的薄叶片中产生具有潜在损害性的、空气动力学引发的循环振动。

在该叶片套件的组装过程中，付出了很多努力来确保以正确的取向使用正确的部件并且施加正确的夹紧负载。松散组件的运输一直都是困难的，因为该联合环的移除可能允许这些单独的滑块改变其相对于该联合环中的槽缝的取向从而使得重新组装相当困难。

在典型的VTG叶片套件中，叶片轴杆（30）的上端是被焊接至叶片臂（34）上，这是在设备和时间的意义上昂贵的一个过程。由于所涉及的部件（叶片和叶片臂）必须忍受高温并且通常必须忍受发动机燃烧的腐蚀性副产物，它们典型地是由高镍特殊材料制成、必须在惰性气氛中进行焊接。在大规模生产中，这个焊接过程要求高资本的设备投资。由于必须从所焊接的部件的紧密的周围吹除所有空气，这个过程通常是相当耗时的，将制造时间增加了至少90秒。

因此，需要一种允许有效组装、运输和/或安装到涡轮机壳体中的叶片套件构型。

发明内容

本文的实施例针对一种叶片套件组件，该叶片套件组件对于决定叶片环之间的距离的这些间隔件进行了重新定位。具体而言，间隔件被从排气流之内重新定位到位于叶片之内，在此它避开了排气流。一个螺栓或其他紧固件延伸穿过该中空间隔件。这个螺栓可以将这些叶片环相对于彼此进行角向定向、提供一个叶片可以绕之旋转的枢轴、并且提供用于在输送到组装区域的过程中维持该叶片套件完整性的一个夹紧机构。在本文中根据本发明配置的一个叶片套件可以使用廉价的零件、消除了对叶片套件的焊接需要和/或简化了叶片套件组装过程。

附图说明

在附图中通过举例而非限制的方式展示了本发明，在附图中类似的参考号表示相似的部件，并且在附图中：

图1是典型的可变几何形状涡轮增压器的截面视图；

图2A是典型的叶片套件的一部分的视图；

图2B示出了沿着图2A中的线2B-2B截取的典型的叶片套件的一个截面视图；

图3示出了已知叶片的俯视立面视图和侧视立面视图；

图4示出了根据本文的实施例配置的叶片的一个实例；

图5示出了根据本文的实施例配置的、被接纳在涡轮机壳体中的一个组装后的叶片套件的视图；

图6A至6B是根据本文的实施例的叶片套件，示出了叶片随着一个联合环的旋转而进行旋转；并且

图7A至7B示出了根据本文的实施例的一个叶片套件组件的一部分的截面视图。

具体实施方式

在此描述的安排涉及一种用于VTG涡轮增压器的叶片套件组件的系统和方法。在此披露了详细的实施例；然而，应理解的是，所披露的这些实施例仅旨在是示例性的。因此，在此披露的具体的结构上和功能上的细节不得理解为限制性的，而是仅作为权利要求书的基础并且作为教导本领域技术人员在事实上并且适当程度上详细的结构中以不同方式采用本文这些方面的代表性基础。此外，在此使用的术语和短语并不旨在是限制性的、而是为了提供对可能实施方式的可理解的说明。在图4至图7B中示出了多种安排，但这些实施例不局限于所展示的结构或应用。

参见图4，示出了根据本文的实施例的一个叶片（60）的实例。叶片（60）可以具有相反的颊部表面（65）。叶片（60）可以具有比当前使用的叶片更厚的本体（62），例如在图3中描绘的这个本体。叶片（60）可以包括一个前导边缘（64）和一个尾随边缘（66）。叶片（60）可以包括一对枢轴。一个前叶片枢轴（61a）可以设置在前导边缘（64）处并且可以包括一个叶片枢轴短柱（68）。叶片枢轴短柱（68）可以与美国专利号7,137,778中描述的叶片相似，该专利通过引用以其全文结合在此。一个后叶片枢轴（61b）可以设置在叶片（60）的尾随边缘（66）处并且可以包括一个孔（70）。

如图7B所示，一个紧固件，例如螺栓或短柱（72），可以与一个中空间隔件/衬套（74）一起被接纳在孔（70）中。螺栓（72）可以固定UVR（26）相对于LVR（28）的角位置和径向位置。一个联合环（80）可以驱动一系列小滑块（82），这些滑块可以被装配到这些叶片（60）的叶片枢轴短柱（68）上。该联合环（80）可以具有一个内周表面（81），该内周表面可以限定其内直径（参见图6A）。该联合环（80）还可以具有一个外周表面（85），该外周表面可以限定其外直径（参见图6A）。这些滑块（82）各自可以围绕一个相应叶片（60）的叶片短柱（68）旋转并且在该联合环（80）中设置的多个槽缝（84）中相应的一者中滑动。在一个实施例中，这些槽缝（84）可以向内开向该联合环（80）的内直径。然而在另一个实施例中，这些槽缝（84）可以位于该联合环（80）的内直径与外直径之间。这些小滑块（82）和该单一大滑块（86）被装配到该联合环（80）上。

图6A至6B示出了根据本文实施例配置的一个叶片套件（100）。该联合环（80）可以相对于UVR（26）和LVR（28）围绕该涡轮增压器的轴线（88）进行旋转。当该大滑块（86）使该联合环（80）围绕涡轮增压器轴线（88）进行旋转时，小滑块（82）的轴杆也相对于涡轮增压器轴线（88）进行旋转，从而致使叶片短柱（68）围绕后叶片枢轴（61b）（螺栓（72）和间隔件/衬套（74））进行旋转，从而改变了叶片（60）的攻角并且改变了排气到涡轮机叶轮（10）的流动。参见图7A至7B，现在将描述根据本文的实施例的一种组装叶片套件（100）的方式。可以提供多个螺栓（72）。这些螺栓（72）可以在一端包括一个头部（90）。这些螺栓（72）各自被装配到在LVR（28）中形成的多个孔（91）中对应的一者之中，而使得这些螺栓（72）的头部（90）被接纳在多个沉孔（92）中并且基本上与LVR（28）的外表面（94）齐平或从该外表面下凹。

可以提供多个中空间隔件/衬套（74）。这些中空间隔件（74）可以各自布置在螺栓（72）上而使得这些间隔件（74）和螺栓（72）从LVR（28）的内表面（40）突出。这些叶片（60）可以布置在这些间隔件（74）和螺栓（72）上而使得它们被接纳在叶片（60）的孔（70）中。这些叶片（60）可以围绕轴线单独间隔件（74）和孔（72）的轴线（96）进行旋转。每个间隔件（74）的末端可以抵靠LVR（28）的内表面（40）。

提供了多个小滑块（82）。每个小滑块（82）可以装配到叶片短柱（68）中的相应一者上。每个小滑块（82）可以包括在其中形成的、用于接纳叶片短柱（68）的一个开孔（83）。该联合环（80）可以装配到小滑块（82）上而使得每个滑块（82）被接纳在该联合环（80）中所设置的这些槽缝（84）之一中。

UVR（26）在该多个螺栓（72）上进行滑动，这样使得UVR（26）的内表面（38）抵靠着间隔件（74）的末端，因此确定并维持了叶片环（26，28）的内表面（38，40）之间的距离。螺栓（72）可以被接收在UVR（26）中形成的相应孔（93）中。UVR（26）的外凸缘（98）可以部分地覆盖这些小滑块（82）。因此，一旦UVR（26）被固定到LVR（28）上，如果叶片套件（100）转动成上下颠倒，这些滑块（82）就不能滑动离开其相应的叶片短柱（68）。可以将多个螺母（102）装配到各个螺栓（72）上并且固定。现在UVR（26）可以定位在与LVR（28）相距一个设定距离（由间隔件（74）确定和维持）处，这些叶片（60）被捕捉在这些叶片环（26，28）之间。这些小滑块（82）可以被捕获在UVR（26）的凸缘（98）下方，并且叶片套件（100）可以从叶片套件组件的场所被容易地转移至涡轮增压器组件的场所，而不必担心叶片套件分开。

一个弹簧构件（104），例如贝尔维尔垫片，可以装配到UVR（26）的顶侧上的一个凸缘上。涡轮机壳体关闭件（108）的一部分（例如，向内延伸的突出部（106））可以抵靠该弹簧构件（104）以便对该弹簧构件（104）施加一个力并且因此对上部叶片环（26）施加一个力。这个弹簧构件（104）不仅供该叶片套件（100）就坐在涡轮机壳体（14）中、而且还提供了密封而防止穿过UVR（26）、联合环（80）和小的转动块（82）的相对高压的排气的逸出和烟灰逸出。在一些情况下，弹簧构件（104）可以用替代性的、用于将叶片套件（100）固持在涡轮机壳体（14）中的装置来替代，例如螺栓或螺柱或将叶片套件轴向地约束在涡轮机壳体中的卡扣环。在此类情况下，弹簧构件（104）的密封功能可以用一个适当的密封件、例如迷宫密封件来替代，由此将加压的排气和烟灰的逸出最小化。

将认识到，在此描述的叶片套件组件的实施例可以提供众多益处。例如，该构型可以允许使得最终的组装便利。进一步，该组件可以使用相对廉价的零件并且避免使用由特殊材料制成的零件。进一步，该叶片套件被配置成避免对该组件的零件进行焊接的需要。此外，该叶片套件组件从排气流动路径中移除了间隔件，由此避免了影响当前的叶片套件设计的漩涡脱落问题，。用根据本文的实施例配置的叶片套件，可以实现这些和其他益处。

在此使用的术语“一个”和“一种”被定义为一个或多于一个。在此使用的术语“多个”被定义为两个或多于两个。在此使用的术语“另一个”被定义为至少第二个或更多。在此使用的术语“包含”和/或“具有”被定义为包括（即，开放式语言）。

在此描述的方面可以按其他方式和组合来实施，而不背离其精神或实质性属性。因此，当然将应该理解本发明不限于仅通过举例方式给出的在此所说明的这些具体细节，并且应该理解在以下的权利要求书中所限定的本发明的范围之内不同的变更和修改是可能的。

Claims (16)

1.一种用于可变几何形状涡轮增压器的叶片套件（100），包括：

一个上部叶片环（26）和一个下部叶片环（28）；

操作性地定位在该上部叶片环与该下部叶片环（26，28）之间的多个叶片（60），每个叶片（60）具有相反的颊部表面（65），其中一个叶片短柱（68）从这些颊部表面（65）之一突出，一个孔（70）延伸穿过每个叶片（60）；

多个紧固件（72），这些紧固件在一端具有一个头部（90），每个紧固件（72）延伸穿过该上部叶片环和该下部叶片环（26，28）以及这些叶片（60）中的相应一者的孔（70）；以及

用于维持该上部叶片环与该下部叶片环（26，28）之间的最小距离的多个间隔件（74），每个间隔件（74）被接纳在这些叶片（60）中的相应一者的孔（70）中，

这些叶片（60）是围绕该叶片短柱（68）或该紧固件（72）可枢转的，由此这些间隔件（74）不是位于该上部叶片环与该下部叶片环（26，28）之间的流动路径内。

2.如权利要求1所述的叶片套件，其中，这些紧固件（72）的头部（90）被接纳在该下部叶片环（28）的一个沉孔（92）中，以便与该下部叶片环（28 ）的外表面（94）基本上齐平的或从该外表面下凹。

3.如权利要求1所述的叶片套件，进一步包括多个小滑块（82），其中每个小滑块（82）包括一个开孔（83），其中每个小滑块（82）接纳这些叶片（60）中的相应一者的一个叶片短柱（68），并且其中每个小滑块（82）的至少一部分是操作性地定位在该叶片颊部表面（65）与该上部叶片环（26）之间。

4.如权利要求3所述的叶片套件，进一步包括一个大体上环形的联合环（80），该联合环具有设置在其中的多个槽缝（84），该联合环（80）被定位成使得每个小滑块（82）被接纳在该联合环（80）中的这些槽缝（84）中的对应一者中。

5.如权利要求1所述的叶片套件，其中每个紧固件（72）的一端与一个螺母（102）相接合，这样使得该上部叶片环（26）、该下部叶片环（28）以及该多个叶片（60）被夹紧在该螺母（102）与该紧固件（72）的头部（90）之间。

6.如权利要求1所述的叶片套件，进一步包括：

一个涡轮机壳体关闭件（108）；以及

操作性地定位在该涡轮机壳体关闭件（108）与该上部叶片环（26）之间的一个弹簧构件（104）。

7.一种用于可变几何形状涡轮增压器的叶片套件（100），包括：

一个上部叶片环（26）和一个下部叶片环（28）；

操作性地定位在该上部叶片环与该下部叶片环（26，28）之间的多个叶片（60），每个叶片（60）具有相反的颊部表面（65），其中一个叶片短柱（68）从这些颊部表面（65）之一突出，该叶片（60）是围绕该叶片短柱（68）可枢转的；以及

多个小滑块（82），其中每个小滑块（82）包括一个开孔（83），其中每个小滑块（82）的开孔（83）接纳这些叶片（60）中的相应一者的一个叶片短柱（68），并且其中每个小滑块（82）的至少一部分是操作性地定位在相应的叶片颊部表面（65）与该上部叶片环（26）之间。

8.如权利要求7所述的叶片套件，进一步包括一个大体上环形的联合环（80），该联合环具有设置在其中的多个槽缝（84），该联合环（80）被定位成使得每个小滑块（82）被接纳在该联合环（80）中的这些槽缝（84）中的对应一者中。

9.如权利要求8所述的叶片套件，其中该联合环（80）的一部分是操作性地定位在该叶片颊部表面（65）与该上部叶片环（26）的一个外凸缘（98）之间。

10.如权利要求8所述的叶片套件，其中该联合环（80）的一个内周表面（81）与该上部叶片环（26）大体上相邻，由此这些小滑块（82）在相应槽缝（84）中的滑动运动在径向向内的方向上受到该上部叶片环（26）的约束。

11.如权利要求7所述的叶片套件，进一步包括：

一个涡轮机壳体关闭件（108）；以及

操作性地定位在该涡轮机壳体关闭件（108）与该上部叶片环（26）之间的一个弹簧构件（104）。

12.一种组装用于可变几何形状涡轮增压器的叶片套件（100）的方法，该方法包括：

提供一个下部叶片环（28），该下部叶片环具有在其中形成的多个孔（91）；

提供多个长形紧固件（72），该紧固件在一端具有一个头部（90）；

将一个紧固件（72）插入该下部叶片环（28）中的这些孔（91）中的相应一者中，使得该头部（90）接合该下部叶片环（28）并且该紧固件（72）从该下部叶片环（28）的内表面（40）延伸；

将一个中空间隔件（74）放置在该紧固件（72）的该延伸部分上，使得该间隔件（74）的一个端部接合该下部叶片环（28）的内表面（40）并且使得该紧固件（72）的一部分延伸超出该间隔件（74）的相反端；并且

提供多个叶片（60），该叶片具有相反的颊部表面（65），其中一个叶片短柱（68）从这些颊部表面（65）之一突出，并且一个孔（70）延伸穿过该叶片（60），该间隔件（74）以及该紧固件（72）的一部分被接纳在该孔（70）中。

13.如权利要求12所述的方法，进一步包括：

提供多个小滑块（82），这些小滑块（82）各自包括一个开孔（83）；并且

将每个小滑块（82）插入到这些叶片短柱（68）中的对应一者上，使得每个叶片短柱（68）被接纳在一个相应的开孔（83）中。

14.如权利要求13所述的方法，进一步包括：

提供一个大体上环形的联合环（80），该联合环具有在其中设置的多个槽缝（84）；

定位该联合环（80）以使得每个小滑块（82）被接纳在该联合环（80）中的这些槽缝（84）中的对应一者中。

15.如权利要求14所述的方法，进一步包括：

提供一个上部叶片环（26），该上部叶片环具有在其中形成的多个孔（91），该上部叶片环（26）具有一个外凸缘（98）；

定位该上部叶片环（26）以使得每个紧固件（72）的一部分被接纳在该上部叶片环（26）中的一个相应孔（93）中并且使得这些小滑块（82）被定位在这些颊部表面（65）之一与该上部叶片环（26）的凸缘（98）之间。

16.如权利要求15所述的方法，其中该紧固件（72）的一个端部延伸超出该上部叶片环（26）的外表面，并且进一步包括：

使该端部与一个螺母（102）相接合，以使得该上部叶片环（26）、该下部叶片环（28）以及该多个叶片（60）被夹紧在该螺母（102）与该紧固件（72）的头部（90）之间。