CN104204446A - 用于叶片环组件的保持系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种可变几何形状涡轮增压器包括具有由一对叶片环约束的多个可旋转叶片的一个叶片组，这对叶片环通过多个销来固持在一起。每个销的一个第一末端都可以配置有一个头部。每个销都被接纳在这些叶片环中的一对对准的孔口中，使得每个销的头部都接合这些叶片环中的一个叶片环。使每个销的一个第二末端变形(例如通过轨道铆接)以使得该第二末端接合另一个叶片环。由此，一个夹紧载荷被施加到该这些叶片环上，该夹紧载荷可以控制这些叶片环之间的平行度和距离，使得这些叶片能够以最小间隙运转而不会堵塞。而且，这些销可以使这些叶片环中的叶片轴孔口相对彼此维持在正确的角位置中。这样一种叶片组构形可以减少加工时间和成本。

Description

用于叶片环组件的保持系统和方法
发明领域
实施例总体上涉及涡轮增压器，并且更具体地讲涉及用于可变涡轮几何形状涡轮增压器的叶片组。
发明背景
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。
图1示出了一种典型的可变几何形状涡轮增压器(10)。通常，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涡轮机叶轮(12)，该涡轮机叶轮被定位在一个涡轮机壳体(14)中以形成一个涡轮机级(16)。由涡轮机叶轮(12)提取的能量被转换成旋转运动，该旋转运动然后驱动一个压缩机叶轮(18)，该压缩机叶轮被定位在一个压缩机盖件(20)中以形成一个压缩机级(22)。压缩机叶轮(18)抽取空气进入涡轮增压器(10)、压缩这些空气并且将该空气输送到该发动机的进气侧。
可变几何形状涡轮增压器典型地使用多个可旋转叶片(24)来控制撞击涡轮机叶轮(12)的排气的质量流并且控制涡轮机级(16)的功率。这些叶片(24)因此还控制由压缩机级(22)产生的压力比。在通过使用高压排气再循环(HP EGR)技术来控制NOx的产生的发动机中，该叶片组在可变几何形状涡轮增压器中的功能还提供了一种用于控制和产生排气背压的措施。
多个叶片(24)被提供在一个总体上环形的上部叶片环(UVR)(28)与一个总体上环形的下部叶片环(LVR)(30)之间。由该多个叶片(24)和这两个叶片环(28，30)构成的组件典型地被称作叶片组(26)。每个叶片(24)在从该叶片(24)的相反侧上伸出的一对相反的轴(32)上旋转，这些轴(32)在相同的中心线上。对于每个叶片(24)而言，这些轴(32)中的一个轴被定位在LVR(30)中的一个孔口(34)中，并且另一个轴(32)被定位在UVR(28)中的一个孔口(36)中。UVR(28)的角取向被设定成使得这些叶片环(28，30)中的互补孔口(34，36)与叶片(24)的这些轴(32)同心。叶片(24)围绕这两个轴(32)的中心线自由旋转，该中心线与这两个孔口(34，36)的现在建立的中心线同心。在叶片(24)的UVR侧上的每个轴(32)伸出通过UVR(28)并且被附接到一个对应的叶片臂(38)上，该叶片臂控制该叶片(24)相对于这些叶片环(28，30)的旋转位置。典型地，存在协调地控制所有这些叶片臂(38)的一个分开的协调环。这个协调环是由一个致动器来控制的，该致动器典型地接受发动机电子控制单元(ECU)的命令。
这些可旋转叶片(24)、更确切地讲这些叶片(24)的颊部(40)与该上部叶片环(28)和下部叶片环(30)的内表面(29，31)之间的间隙是在控制允许撞击涡轮机叶轮(14)的排气和产生该涡轮机叶轮(14)的上游侧的背压的两个过程中效率损失的主要贡献者。希望的是使这些叶片颊部(40)与这些叶片环(28，30)的互补内表面(29，31)之间的间隙最小化，并且因此提高该叶片组(26)的效率。不幸的是，由于在涡轮机壳体(14)的热变形被传递到叶片组(26)，由这些侧间隙而导致的效率增大与叶片组(26)的磨损、卡滞、或完全堵塞的倾向成反比。所以需要按一种使热致畸变传递最小化的方式来将该叶片组(26)准确地放置和约束在涡轮机壳体(14)内。而对于叶片组(26)的内部，这些值得注意的间隙需要使得它们使效率最大化而同时使潜在的卡滞、堵塞和磨损最小化。
在一些VTG中，如图2中所描述的，由多个螺栓(42)来约束LVR(30)抵靠涡轮机壳体(14)。通过用于在这些叶片环(28，30)以及放置在这些叶片环(28，30)之间的多个间隔件(46)上施加夹紧载荷的多个柱头螺栓或螺栓(44)来将UVR 30和下部叶片环LVR(20)固持在一起，使得该间隔件(46)的长度确定UVR(28)与LVR(30)之间的距离、并且由此确定这些叶片(24)的颊部(40)与这些叶片环(28，30)的内表面(29，31)之间的间隙。这些螺栓或柱头螺栓(4)还用于这些叶片的轴(32)被约束于其中的孔口(34，36)的角取向。然而，这类柱头螺栓是难以紧固的，这样使得它们在经受振动、尤其是在它们处于高温(从740℃至1050℃)的情形中时不能旋松。类似地，在该温度可以从低于凝固点变化至高的燃烧状温度(从740℃至1050℃)的情形中，通过一个螺母(48)难以维持夹紧载荷，这样使得由于在夹紧载荷组中的部件的材料之间的热膨胀系数的差异而导致该螺母(48)不能变松。因此，可能会出现的情况是，一个简单的夹紧装置(即，螺母和螺栓)实际上是一个复杂的工程学问题，这通常需要这些部件使用外国的且昂贵的材料才能使得该夹紧载荷维持在上述温度范围内。
代替螺栓或柱头螺栓，还已知通过多个销(未示出)来将UVR 30和下部叶片环LVR(20)固持在一起，这些销在两个末端处被轨道铆接以在这些叶片环(28，30)以及放置于这些叶片环(28，30)之间的多个间隔件(46)上施加夹紧载荷。然而，轨道铆接(orbital riveting)这些销的两个末端增加了制造时间，并且在运行过程中和高温下其保持叶片组(26)的能力是不确定的。
在叶片组(26)的组装过程中，许多努力花费在确保使用了正确的部件以及施加了正确的夹紧载荷。因此，需要一种成本有效且相对快速的方式来对叶片组施加期望的夹紧载荷。
发明概述
在此，多个实施例通过使用在一个末端具有头部的多个销可以使以上问题最小化。每个销的另一个末端可以通过任何适合的工艺来使其变形，例如轨道铆接。因为这样一种安排，夹紧载荷可以被施加到这些叶片环和间隔件上。因此，可以控制叶片环轴向间距。进一步地，可以维持这些叶片环之间的角取向，这样使得这些叶片上的轴可以与它们旋转于其中的孔口同心。
附图的简要说明
实施例是通过举例而非限制的方式展示在这些附图中，其中类似的参考数字表示相似的部分，并且在这些附图中：
图1示出了一种典型的可变几何形状涡轮增压器；
图2是一种典型的叶片组的一个截面视图和一个进一步放大的视图；
图3是一种叶片组的一个实例的一个截面视图；
图4是该叶片组的一个视图；
图5是一个用于叶片组的销的一个变形后的第二末端的实例的一个截面视图；并且
图6是一个用于叶片组的销的一个变形后的第二末端的实例的一个截面视图。
发明详细说明
在此描述的安排涉及一种用于叶片环组件的保持系统和方法。在此披露了多个详细的实施例；然而，应当理解的是，这些披露的实施例仅旨在作为示例。因此，在此披露的特定结构性和功能性细节不应被解释为限制，而仅仅是作为权利要求书的基础和作为传授本领域技术人员在几乎任何适当详细的结构中以不同方式采用本文中的这些方面的代表性基础。此外，在此所用的术语和短语并不旨在限制、而是提供对可能实施方式的可理解描述。图3至图6示出了多个安排，但这些实施例并不限于所展示出的结构或应用。
参见图3，在此示出了根据本发明配置的一个叶片组(50)的一个实例的截面视图。叶片组(50)包括一个下部叶片环(LVR)(52)和一个上部叶片环(UVR)(54)。LVR(52)和UVR(54)可以总体上是环形的。LVR(52)可以具有一个外表面(56)和一个内表面(58)。同样，UVR(54)可以具有一个外表面(60)和一个内表面(62)。术语“内”和“外”是相对于被定位在LVR(52)与UVR(54)之间的叶片(80)来使用的。也就是说，这些内表面(58，62)面向这些叶片(80)，而这些外表面(56，60)背离这些叶片(80)。
在LVR(52)中可以提供多个孔口(64)，并且在UVR(54)中可以提供多个孔口(66)。LVR(52)还可以包括被制作到外表面(56)中的一个沉孔(68)。UVR(54)和/或LVR(52)可以被安排成使得LVR(52)中的每一个孔口(64)都基本上对准UVR(54)中的这些孔口(66)中对应的一个开口。
叶片组(50)可以包括多个销(70)。每个销(70)都可以具有一个第一末端(72)和一个第二末端(74)。这些销(70)的第一末端(72)可以包括一个头部(76)。这些销(70)可以具有任何适合的截面尺寸和形状。在一个实施例中，这些销(70)可以具有一种基本上圆形的截面形状。然而，实施例并不受限于这种构造。这些销(70)可以是基本上笔直的。这些销(70)可以由任何适合的材料制成，包括例如PL 23、PLNi40或A286。这些销(70)还可以是由超合金制成的，例如哈氏合金(Hastelloy)。
每个销(70)都可以被接纳在LVR(52)和UVR(54)的对应的一对对准的孔口(64，66)中。每个销(70)都可以从LVR(52)的外表面(56)侧被接纳在其这些孔口(64)的对应的一个孔口中。销(70)和/或LVR(52)可以相对彼此移动，直至该销(70)的头部(76)接合LVR(52)。在一些实例中，该销(70)的头部(76)可以接合LVR(52)的外表面(56)。在多个实施例中，可以在LVR(52)的外表面(56)形成一个沉孔(68)。沉孔(68)的尺寸可以被确定成至少接纳销(70)的头部(76)的一部分。更具体地讲，沉孔(68)的尺寸可以被确定使得在其中接纳销(70)的整个头部(76)。该销(70)的头部(76)可以基本上与LVR(52)的外表面(56)平齐。可替代地，销(70)的头部(76)可以从LVR(52)的外表面(56)凹陷，例如通过被接纳在沉孔(68)中。这样一种状况可能是所希望的，以确保LVR(52)正确地安装在涡轮机壳体(14)内。又可替代地，该销(70)的头部(76)可以伸出超过LVR(52)的外表面(56)。在至少一些实例中，
可以提供多个间隔件(78)来控制LVR(52)的内表面(58)与UVR(54)的内表面(62)之间的轴向距离。每个销(70)都可以穿过这些间隔件(78)中的对应的一个间隔件。这些间隔件(78)可以具有被配置成接纳一个销(70)的一个通道(79)。这些间隔件(78)的长度可以稍微长于这些叶片(80)的轴向长度。这些间隔件(78)可以具有任何适合的构形。例如，这些间隔件(78)可以总体上是圆柱形的，或者它们可以是一种空气动力学有效的形状。
这些叶片(80)中的每一个都可以包括一对叶片轴(82)。对每一个叶片(80)而言，在该叶片(80)的LVR侧的叶片轴(82)可以被插入LVR(52)中的一个对应孔口(83)中。UVR(54)可以被定位在这些销(70)和叶片(80)的UVR侧的这些叶片轴(82)上。每个销(70)的第二末端(74)可以被接纳在UVR(54)的一个对应孔口(66)中。每个销(70)的第二末端(74)可以或可以不延伸超过UVR(54)的外表面(60)。在一些实例中，每个销(70)的第二末端(74)可以基本上与UVR(54)的外表面(60)平齐。每个叶片(80)的UVR侧的叶片轴(82)都可以被接纳在UVR(54)的一个对应孔口(84)中。
参见图6至图7，一旦这些销(70)被插入这些叶片环(52，54)中并且通过它们对应的间隔件(78)，就可以使每个销(70)的第二末端(74)变形。可以使用任何适合的工艺来使每个销(70)的第二末端(74)变形。例如，可以通过轨道铆接来使每个销(70)的第二末端(74)变形。在一些实例中，轨道铆接可以包括一个偏心砧轧制或锤击材料变成所希望的形状。可替代地或额外地，可以通过径向铆接(被称作螺旋式)来使每个销(70)的第二末端(74)变形。在一些实例中，径向铆接可以包括重复冲击材料而同时一个砧沿轨道绕该销的该末端运行。可以通过辊式铆接来使每个销(70)的第二末端(74)变形。可替代地或除了以上可能性之外，可以通过用一个物体、例如夯锤、砧、锤子或其他合适的物体撞击第二末端(74)来使该销(70)的第二末端(74)变形。
当该多个销(70)的第二末端(74)变形时，可以约束这些销(70)的第一末端和第二末端(72，74)之间的部件。进一步地，由于这些销(70)的头部(76)与LVR(52)接合以及这些销(70)的变形后的第二末端(74)与UVR(54)的接合，可以在这些叶片环(52，54)和间隔件(78)上施加夹紧载荷。这些销(70)还可以维持这些叶片环(52，54)相对于彼此的周向的角取向以便使用于这些叶片轴(82)的孔口(83，84)基本上维持对准，以便防止堵塞。
这些销(70)的变形后的第二末端(74)可以或可以不伸出超过UVR(54)的外表面(60)。在一些实例中，取决于用于这些销(70)和间隔件(78)的孔口(64，66)相对于这些叶片环(52，54)中用于这些叶片轴(82)的孔口(83，84)位置的相对位置，销(70)的一个伸出的变形第二末端(74)可能干扰叶片臂(86)的旋转。如果这些销(70)的变形后的第二末端(74)不会干扰叶片臂(86)的旋转，则这个变形后的第二末端(74)的至少一个部分可以伸出超过UVR(54)的外表面(60)，如在图5中所示出的。变形后的第二末端(74)可以具有任何适合的尺寸、形状和/或构形。作为一个实例，变形后的第二末端(74)可以是漏斗式或鼓凸。可以用任何适合的方式来实现这类变形。例如，可以通过一个砧基本上与销(70)的中心线(88)成一直线地冲击来使该销(70)的第二末端(74)移位。可替代地，由于典型地是通过轨道铆接工艺来成形，变形后的第二末端(74)可以是圆顶形的。如果销(70)的圆顶形的第二末端(74)不能伸到UVR(54)的外表面(60)的上方，则可以配置该系统来避免这样一种状况。例如，如图6中所描绘的，可以在UVR(54)中提供一个凹陷(90)(例如一个沉孔或埋头孔)。可以使销(70)的第二末端(74)变形，这样使得来自该销(70)的第二末端(74)的材料在UVR(54)的凹陷(90)中变形而不会伸到UVR(54)的外表面(60)的上方。
可以理解的是，在此描述的系统和方法可以提供许多益处。例如，可以减小用于叶片组的制造时间和处理步骤，因为只使该销的一个末端变形。与使用昂贵的螺母和螺栓来夹紧的现有成果相比，还可以节省成本。此外，实施例在此可以降低涡轮增压器运行过程中和高温下在该叶片组上维持夹紧力的不确定性。额外地，在此描述的叶片组安排可以使该叶片组与该涡轮机壳体脱离联接，由此避免了由于这两种材料的热膨胀和收缩率的差异导致的问题。因为可以通过一个单一的销来实现螺栓或柱头螺栓和螺母的功能，还可以减少该叶片组的零件数量。
应当注意的是，尽管实施例在此已经描述成使销(70)的头部(76)接合LVR(52)以及销(70)的第二末端(74)接合UVR(54)，可以理解的是可以提供相反的安排，也就是说，这些销(70)的头部(76)可以接合UVR(54)并且销(70)的第二末端(74)可以接合LVR(52)。此外，可以理解的是，可以提供这类安排的组合。
在此使用的术语“一”和“一个”被定义为一个或者多于一个。在此使用的术语“多个”被定义为两个或者多于两个。在此使用的术语“另一个”被定义为至少第二个或者更多。在此使用的术语“包含”和/或“具有”被定义为包括(即开放式措辞)。
在此所描述的多个方面可以按其他形式和组合来实施，而不脱离其精神或本质属性。因此，当然可以理解实施例不限于仅通过举例方式给出的在此所描述的这些具体细节，并且可以理解在以下的权利要求书的范围之内不同的修改和变更是可能的。

Claims (16)

1.一种用于可变几何形状涡轮增压器的叶片组(50)，该叶片组包括：
一个第一叶片环(52或54)，该第一叶片环具有一个内表面(58或62)和一个外表面(56或60)，多个孔口(62或64)被提供在该第一叶片环(52或54)中；
一个第二叶片环(52或54)，该第二叶片环具有一个内表面(58或62)和一个外表面(56或60)，多个孔口(62或64)被提供在该第二叶片环(52或54)中，该第一叶片环(52或54)中的该多个孔口(62或64)中的每一个孔口都基本上对准该第二叶片环(52或54)中的该多个孔口(62或64)中对应的一个孔口；
多个间隔件(78)，该多个间隔件位于该第一叶片环和第二叶片环(52，54)之间以用于使它们之间维持一个距离；以及
多个销(70)，每个销(70)都具有一个第一末端(72)和一个第二末端(74)，每个销(70)的第一末端(72)都具有一个头部(76)，每个销(70)都被接纳在该第一叶片环和第二叶片环(52，54)中对应的一对对准的孔口(64，66)中，使得每个销(70)的头部(76)都接合该第一叶片环(52或54)，使每个销(70)的第二末端(74)变形以使得该第二末端接合该第二叶片环(52或54)，由此一个夹紧载荷被施加到该第一叶片环和第二叶片环(52，54)以及该多个间隔件(78)上。
2.根据权利要求1所述的叶片组，其中通过轨道铆接来使这些销(70)的第二末端(74)变形。
3.根据权利要求1所述的叶片组，其中每个销(70)都穿过这些间隔件(78)中对应的一个间隔件。
4.根据权利要求3所述的叶片组，其中这些间隔件(78)与这些销(70)是分开的。
5.根据权利要求1所述的叶片组，其中该第一叶片环是一个下部叶片环(52)，并且第二叶片环是一个上部叶片环(54)。
6.根据权利要求1所述的叶片组，其中该销(70)的头部(76)是与该第一叶片环(52或54)的外表面(56或60)基本上平齐或者从该外表面凹陷。
7.根据权利要求6所述的叶片组，其中该第一叶片环(52或54)包括一个沉孔(68)，并且其中该销(70)的头部(76)被接纳在该沉孔(68)中以使得该销(70)的头部(76)是与该第一叶片环(52或54)的外表面(56或60)基本上平齐或者从该外表面凹陷。
8.根据权利要求1所述的叶片组，其中该销(70)的变形后的第二末端(74)伸出超过该第二叶片环(52或54)的外表面(56或60)。
9.根据权利要求1所述的叶片组，其中该销(70)的变形后的第二末端(74)是与该第二叶片环(52或54)的外表面(56或60)平齐或者从该外表面凹陷。
10.一种用于可变几何形状涡轮增压器的叶片组(50)的保持方法，该方法包括：
提供一个第一叶片环(52或54)，该第一叶片环具有一个内表面(58或62)和一个外表面(56或60)，多个孔口(64或66)被提供在该第一叶片环(52或54)中；
提供一个第二叶片环(52或56)，该第二叶片环具有一个内表面(58或62)和一个外表面(56或60)，多个孔口(64或66)被提供在该第二叶片环(52或54)中；
提供多个销(70)，每个销(70)都具有一个第一末端(72)和一个第二末端(74)，每个销(70)的第一末端(72)都具有一个头部(76)；
将每个销(70)插入该第一叶片环和第二叶片环(52，54)中对应的一对基本上对准的孔口(64，66)中，使得每个销(70)的头部(76)都接合该第一叶片环(52或54)；并且
使每个销(70)的第二末端(74)变形以使得该第二末端接合该第二叶片环(52或54)，由此一个夹紧载荷被施加到该第一叶片环和第二叶片环(52，54)上。
11.根据权利要求11所述的方法，其中，该变形包括轨道铆接。
12.根据权利要求11所述的方法，其中该第一叶片环是一个下部叶片环(52)，并且第二叶片环是一个上部叶片环(54)。
13.根据权利要求11所述的方法，其中该第一叶片环是一个上部叶片环(54)，并且第二叶片环是一个下部叶片环(52)。
14.根据权利要求11所述的方法，其中该销(70)的头部(76)是与该第一叶片环(52或54)的外表面(56或60)基本上平齐或者从该外表面凹陷。
15.根据权利要求11所述的方法，其中该销(70)的变形后的第二末端(74)伸出超过该第二叶片环(52或54)的外表面(56或60)。
16.根据权利要求11所述的方法，其中该销(70)的变形后的第二末端(74)是与该第二叶片环(52或54)的外表面(56或60)平齐或者从该外表面凹陷。
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