CN108729962A - 具有用于径向定位可变喷嘴筒的装置的可变喷嘴涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有可变喷嘴涡轮机的涡轮增压器，所述可变喷嘴涡轮机由被喷嘴环支撑的可枢转叶片形成，所述涡轮增压器包括定位器，所述定位器可径向地弹性变形并且被设置在所述中央壳体的径向地面向外部的表面与所述喷嘴环的相对表面之间，以用于将所述喷嘴环相对于所述中央壳体径向地定位。至少一个通气部被限定在所述定位器的径向最外表面中或者所述喷嘴环的表面中，以允许在定位器的轴向相对侧上的空间之间的压力连通。

Description

具有用于径向定位可变喷嘴筒的装置的可变喷嘴涡轮机

技术领域

本公开涉及具有可变喷嘴涡轮机的涡轮增压器，其中可移动叶片被设置在所述涡轮机的喷嘴中，以用于调节进入到涡轮机中的排气流。

背景技术

排气驱动的涡轮增压器是结合内燃发动机使用的装置，用于通过压缩空气来增加发动机的功率输出，所述空气被输送到发动机的空气进气部以与燃料混合并在发动机中燃烧。涡轮增压器包括在压缩机壳体中被安装在轴的一端上的压缩机轮、以及在涡轮机壳体中被安装在轴的另一端上的涡轮机轮。通常，涡轮机壳体与压缩机壳体分离地形成，并且还存在被连接在涡轮机壳体与压缩机壳体之间的另一中央壳体，以用于包含用于轴的轴承。涡轮机壳体限定大体环形的腔室，所述腔室围绕涡轮机轮并接收来自发动机的排气。涡轮机组件包括从腔室通向涡轮机轮中的喷嘴。排气从腔室流动通过喷嘴到达涡轮机轮，并且涡轮机轮被排气驱动。因此，涡轮机从排气提取功率并驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口接收环境空气，并且空气被压缩机轮压缩，并随后从壳体被排放到发动机空气进气部。

利用涡轮增压器提升发动机性能的挑战之一在于，贯穿发动机的整个操作范围实现所期望的发动机功率输出量。已经发现的是，通常无法利用固定几何形状的涡轮增压器来容易地实现此目的，并且因此，已经开发了可变几何形状的涡轮增压器，其目的在于：对于由涡轮增压器提供的提升的量提供更大程度的控制。可变几何形状的涡轮增压器的一种类型是可变喷嘴涡轮增压器（VNT），其包括涡轮机喷嘴中的可变叶片阵列。叶片被可枢转地安装在喷嘴中，并被连接到使得叶片的安装角能够变化的机构。改变叶片的安装角具有改变涡轮机喷嘴中的有效流动面积的效果，并且因此，可通过控制叶片位置来调节到达涡轮机轮的排气流。以此方式，可调节涡轮机的功率输出，与利用固定几何形状的涡轮增压器通常可能达到的程度相比，这允许在更大的程度上控制发动机功率输出。

可变叶片机构相对复杂，并且因此在涡轮增压器的组装方面呈现挑战。此外，机构被定位在涡轮机壳体与中央壳体之间，所述涡轮机壳体因为其暴露于排气而变得相当热，所述中间壳体比涡轮机壳体的温度低得多。因此，可变叶片机构经受高温并且由于所提到的温度梯度而经受热应力。所有这些因素为如下呈现出挑战：将可变叶片机构径向居中，使得其大体上与涡轮机轮同心。

发明内容

本公开描述上文提到的可变喷嘴涡轮机类型的涡轮增压器的实施例，所述涡轮增压器具有有利的定位器布置结构，以用于将喷嘴环相对于包含涡轮增压器轴承的中央壳体径向地定位。根据第一实施例，具有可变喷嘴涡轮机的涡轮增压器包括：

涡轮机，所述涡轮机包括涡轮机壳体和涡轮机轮，所述涡轮机轮被安装在所述涡轮机壳体中，并且被连接到可旋转轴以便随所述可旋转轴旋转，所述涡轮机壳体限定腔室以及轴向延伸的孔，所述腔室围绕所述涡轮机轮以用于接收排气，排气在穿过所述涡轮机轮后被排放通过所述轴向延伸的孔；

喷嘴，所述喷嘴从所述腔室大体径向向内地通向所述涡轮机轮；

压缩机，所述压缩机包括压缩机壳体和压缩机轮，所述压缩机轮被安装在所述压缩机壳体中，并且被连接到所述可旋转轴以便随所述可旋转轴旋转；

中央壳体，所述中央壳体被连接在所述压缩机壳体和所述涡轮机壳体之间，并且具有邻近所述涡轮机轮的鼻部分，所述鼻部分限定大体径向地面向外部的第一表面、以及大体轴向地面朝所述涡轮机轮的第二表面；

大体环形的喷嘴环，所述喷嘴环具有第一面，并具有相对的第二面以及叶片阵列，所述第一面包括所述喷嘴的一个壁并且与所述喷嘴的相对的壁轴向地间隔开，所述叶片绕所述喷嘴环周向地间隔开并被设置在所述喷嘴中，所述叶片被可旋转地安装到所述喷嘴环，以使得所述叶片的安装角能够变化，以用于调节达到所述涡轮机轮的排气流，邻近所述涡轮机轮的内直径的所述喷嘴环限定大体径向地面向内部的第三表面，所述第三表面与所述中央壳体的所述第一表面间隔开并相对；

弹簧热护罩（spring heat shroud），所述弹簧热护罩能够回弹性地轴向地压缩，所述弹簧热护罩具有与所述喷嘴环的所述第二面的一部分接触的径向外周部分，并且具有与所述中央壳体的面朝所述涡轮机轮的所述第二表面接触的径向内周部分，所述弹簧热护罩在所述喷嘴环和所述中央壳体之间被轴向地压缩；以及

包括金属环的定位器，所述定位器被设置在所述中央壳体的所述第一表面与所述喷嘴环的相对的第三表面之间，并用于将所述喷嘴环相对于所述中央壳体径向地定位，所述定位器能够以可弹性变形的方式被径向地压缩，所述定位器具有径向最外表面以及径向最内表面，所述定位器的所述径向最内表面接触所述中央壳体的所述第一表面，所述定位器的所述径向最外表面接触所述喷嘴环的所述第三表面；

其中，所述定位器的所述径向最外表面和所述喷嘴环的所述第三表面中的至少一个限定至少一个通气部，所述通气部包括在所述表面中径向地延伸的凹部，所述至少一个通气部提供所述定位器的轴向相对侧上的空间之间的流体压力连通。

在本文中描述的一些实施例中，存在绕所述定位器的周边周向地间隔开的多个所述通气部。

根据一个实施例，所述通气部被限定在所述喷嘴环的所述第三表面中。

根据另一实施例，所述通气部被限定在所述定位器的所述径向最外表面中。

附图说明

已经概括地描述了本公开以后，现在将参考附图，附图不一定是按照比例绘出的，并且其中：

图1是根据本发明的实施例的涡轮增压器的轴向端视图；

图2是沿图1中的线2-2的横截面视图；

图3是根据现有技术实施例的用于涡轮增压器的可变喷嘴组件的透视图；

图4是根据图3的现有技术实施例的涡轮增压器的局部轴向横截面视图；

图5是根据本发明的第一实施例的涡轮增压器的可变喷嘴组件的透视图；

图6是根据图5的实施例的涡轮增压器的局部轴向横截面视图；以及

图7是根据本发明的第二实施例的通气定位器的透视图。

具体实施方式

现在将参考上述附图更详细地描述本公开，上述附图描绘了本公开所涉及的发明的一些但非全部实施例。这些发明可以以多种形式（包括未在本文中明确地描述的形式）实施，并且不应被解释为局限于本文中所描述的具体的示例性实施例。在下文的描述中，贯穿全文，相似的附图标记指代相似的元件。

本发明涉及包括可变喷嘴涡轮机（VNT）的涡轮增压器，其中可变喷嘴包括安装在喷嘴环上的可枢转叶片阵列。图1和图2示出本发明所涉及的类型的VNT涡轮增压器10。涡轮增压器包括被安装在可旋转轴18的一端上并被设置在压缩机壳体16中的压缩机轮或叶轮14。所述轴被支撑在轴承19中，所述轴承19被安装在涡轮增压器的中央壳体20中。轴18通过涡轮机轮22旋转，所述涡轮机轮22被安装在轴18的与压缩机轮相对的另一端上，从而可旋转地驱动压缩机轮，所述压缩机轮将通过压缩机入口被吸入的空气压缩，并且将压缩的空气输送到内燃发动机（未示出）的进气部，以用于提升发动机的性能。

涡轮增压器还包括容纳涡轮机轮22的涡轮机壳体24。涡轮机壳体限定大体环形的腔室26，所述腔室26围绕涡轮机轮并且接收来自内燃发动机的排气，以用于驱动涡轮机轮。排气从腔室26大体径向向内地被引导通过涡轮机喷嘴28到达涡轮机轮22。随着排气流动通过涡轮机轮的叶片之间的通道，气体膨胀到较低压力，并且从所述轮排放的气体通过涡轮机壳体中大体轴向的孔32离开涡轮机壳体。

涡轮机喷嘴28是可变喷嘴，用于改变通过喷嘴的横截面流动面积和流动方向，以便调节进入涡轮机轮中的流。参考图2和图3，可变喷嘴包括绕喷嘴周向地间隔开的多个叶片34。每个叶片被附连到穿过大体环形的喷嘴环38中的孔口的销36，所述喷嘴环38相对于涡轮机轮22同轴地安装。每个销36可绕其轴线旋转，以用于旋转所附接的叶片。喷嘴环38形成喷嘴28的流动通道的一个壁。销36中的每个具有叶片臂40，所述叶片臂被附连到所述销从喷嘴环38突出的一端，并被大体环形的协调环（unison ring）42（也被称作致动器环）接合，所述协调环42可绕其轴线旋转并且与所述喷嘴环38同轴。致动器（未示出）被连接到协调环42，以便使协调环42绕其轴线旋转。当协调环被旋转时，叶片臂40被旋转，以造成销36绕其轴线旋转，从而旋转叶片34，以便改变通过喷嘴28的横截面流动面积和流动方向。

在涡轮增压器10中，可变叶片机构被设置成筒（cartridge）50的形式，所述筒50可以作为单元被安装到涡轮增压器中并可以从涡轮增压器移除。筒50包括喷嘴环38、叶片34、销36、叶片臂40、以及协调环42。筒还包括插入部52，所述插入部52具有管状部分54和喷嘴部分56，所述管状部分54被密封地接收到涡轮机壳体的孔32的部分32a中，所述喷嘴部分56从管状部分54的一端大体径向向外延伸，所述喷嘴部分56与喷嘴环38轴向地间隔开，以使得叶片34在喷嘴环38与喷嘴部分56之间延伸。管状部分54的径向外表面具有一个或更多个轴向地间隔开的周向沟槽，密封环被保持在所述周向沟槽中的每个中，以用于密封接合孔部分32a的内表面。

多个间隔器（未示出）被连接在喷嘴环38和插入部52的喷嘴部分56之间，以用于将喷嘴环固定到插入部，并且在喷嘴环38与喷嘴部分56之间保持所期望的轴向间隔。有利地，间隔器由具有良好的高温机械特性以及相对低的热传导性的材料形成，例如不锈钢（例如，310级不锈钢）等，以使得喷嘴环38和插入部52彼此有效地热解耦。

图3和图4示出根据不包括本发明的特征的实施例的筒50。筒还包括金属定位器环80，当筒被安装到中央壳体上时，所述定位器环80被保持在喷嘴环38与中央壳体20之间。定位器环80可以如示出的那样具有C形横截面，或者可替代性地能够具有S形横截面，并被形成为能够在喷嘴环与中央壳体之间以弹性回弹性的方式径向地压缩。定位器具有径向最内表面，所述径向最内表面接合中央壳体20的径向地面向外部的表面，以便建立中央壳体与定位器环之间的大体上的同心。定位器环80的径向最外表面接合喷嘴环38的径向地面向内部的定位表面39（图4），以便将喷嘴环径向地定位成与定位器环大体上同心，并从而与中央壳体同心。以此方式，建立喷嘴环38相对于中央壳体（并从而相对于涡轮机轮22）的同心。

涡轮增压器10还包括由耐高温金属片形成的弹簧热护罩90。弹簧热护罩的径向内周部分接触中央壳体的面向涡轮机轮22的面向轴向的表面，并且弹簧热护罩的径向外周部分接触喷嘴环38的面朝中央壳体的面向轴向的表面。弹簧热护罩在中央壳体和喷嘴环之间被轴向地压缩，并用于在喷嘴环38上朝向插入部52（在图4中，向右）施加轴向力。弹簧热护罩还充当涡轮机和中央壳体之间的热护罩。

已经证明，根据现有技术的具有被C形定位器环80定位的可变喷嘴筒50的涡轮增压器10是有利的构造，但仍寻求进一步改进。特别地，寻求针对用于喷嘴环38的定位器的改进。现在参照图4来解释定位器80的一个缺点。在涡轮机壳体腔室26中的排气的总压力是P1T。排气的大部分流动通过可变喷嘴28到达涡轮机轮22。然而，排气的一小部分泄漏到定位了协调环42和叶片臂的VNT腔室中；用P1表示此VNT腔室中的压力，P1显著地低于P1T。还存在从喷嘴28经过涡轮机轮22的外周到达护罩/轮腔中的少量泄漏流；用P3表示护罩/轮腔中的压力，P3是P1T的根据叶片34的安装角的一部分。通常，P3小于P1。因为定位器的全部外周部接触喷嘴环的圆柱形表面39，并且定位器的全部内周部接触中央壳体20的圆柱形表面，所以被设置在定位器80与弹簧热护罩90之间的定位器/护罩腔被密封。类似地，弹簧热护罩90与中央壳体以及与喷嘴环完全接触。因此，定位器/护罩腔中的压力P2被要么经过定位器要么经过热护罩的微小泄漏流控制，并且因此P2低于P3。结果是，存在跨越弹簧热护罩的负压力差，所述负压力差沿一方向（在图4中，向左）作用，以减小弹簧热护罩在喷嘴环38上的偏置力。本发明旨在减小或消除在弹簧热护罩上的此负压力差。

就此而言，在图5和图6中描绘了本发明的第一实施例。图5示出改型的可变喷嘴筒150，其与上述现有技术的相应筒50大体上相似。然而，改型的筒包括与现有技术筒的喷嘴环38不同的“通气的（vented）”喷嘴环138。特别地，喷嘴环的径向地面向内部的表面（见图4中的表面39）限定至少一个通气部V，所述通气部V包括在喷嘴环的否则是圆柱形的表面中的径向向外延伸的凹部，所述喷嘴环的表面被定位器80的径向最外表面接触。可存在多个这样的通气部；在示出的实施例中，存在绕定位器80的周边周向间隔开的三个通气部V，但本发明不局限于任何具体数量的通气部。排气可穿过通气部到达定位器/护罩腔中，结果是，定位器/护罩腔中的压力P2与VNT腔中的压力P1大体上相同。结果是，定位器/护罩腔中的压力P2高于护罩/轮腔中的压力P3。因此，跨越弹簧热护罩90存在正压力差，其增强喷嘴环138上的偏置力。

图7中描绘了本发明的第二实施例。替代使用前一实施例中的通气喷嘴环，可通过使用如图7中示出的通气定位器180来获得相似的结果。通气定位器包括至少一个通气部V，所述通气部V包括在所述定位器的接触喷嘴环的否则是圆柱形的最外表面中的径向向内延伸的凹部。可如在示出的实施例中一样存在多个周向间隔开的通气部。因为定位器包括通气部，所以喷嘴环的接合定位器的表面可以是圆柱形的而不是通气的。然而，还有可能的是，使用通气的喷嘴环和通气的定位器二者，每者限定至少一个所述的通气部。

基于本公开，本领域技术人员将认识到，在不偏离本文所描述的创造性构想的情况下，可作出本文中所描述的发明的改型和其它实施例。本文中所使用的具体术语被用于解释性目的而非限制的目的。因此，本发明不应被局限于所公开的具体实施例，并且改型和其它实施例意图被包括在所附权利要求的范围内。

Claims (4)

1.一种具有可变喷嘴涡轮机的涡轮增压器，包括：

涡轮机，所述涡轮机包括涡轮机壳体和涡轮机轮，所述涡轮机轮被安装在所述涡轮机壳体中，并且被连接到可旋转轴以便随所述可旋转轴旋转，所述涡轮机壳体限定腔室以及轴向延伸的孔，所述腔室围绕所述涡轮机轮以用于接收排气，排气在穿过所述涡轮机轮后被排放通过所述轴向延伸的孔；

喷嘴，所述喷嘴从所述腔室大体径向向内地通向所述涡轮机轮；

压缩机，所述压缩机包括压缩机壳体和压缩机轮，所述压缩机轮被安装在所述压缩机壳体中，并且被连接到所述可旋转轴以便随所述可旋转轴旋转；

中央壳体，所述中央壳体被连接在所述压缩机壳体和所述涡轮机壳体之间，并且具有邻近所述涡轮机轮的鼻部分，所述鼻部分限定大体径向地面向外部的第一表面、以及大体轴向地面朝所述涡轮机轮的第二表面；

大体环形的喷嘴环，所述喷嘴环具有第一面，并具有相对的第二面以及叶片阵列，所述第一面包括所述喷嘴的一个壁并且与所述喷嘴的相对的壁轴向地间隔开，所述叶片绕所述喷嘴环周向地间隔开并被设置在所述喷嘴中，所述叶片被可旋转地安装到所述喷嘴环，以使得所述叶片的安装角能够变化，以用于调节达到所述涡轮机轮的排气流，邻近所述涡轮机轮的内直径的所述喷嘴环限定大体径向地面向内部的第三表面，所述第三表面与所述中央壳体的所述第一表面间隔开并相对；

弹簧热护罩，所述弹簧热护罩能够回弹性地轴向压缩，所述弹簧热护罩具有与所述喷嘴环的所述第二面的一部分接触的径向外周部分，并且具有径向内周部分，所述径向内周部分与所述中央壳体的面朝所述涡轮机轮的第二表面接触，所述弹簧热护罩在所述喷嘴环和所述中央壳体之间被轴向地压缩；以及

包括金属环的定位器，所述定位器被设置在所述中央壳体的所述第一表面与所述喷嘴环的相对的第三表面之间，并用于将所述喷嘴环相对于所述中央壳体径向地定位，所述定位器能够以可弹性变形的方式被径向地压缩，所述定位器具有径向最外表面以及径向最内表面，所述定位器的所述径向最内表面接触所述中央壳体的所述第一表面，所述定位器的所述径向最外表面接触所述喷嘴环的所述第三表面；

其中，所述定位器的所述径向最外表面和所述喷嘴环的所述第三表面中的至少一个限定至少一个通气部，所述通气部包括在所述表面中径向地延伸的凹部，所述至少一个通气部提供所述定位器的轴向相对侧上的空间之间的流体压力连通。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，存在绕所述定位器的周边周向地间隔开的多个所述通气部。

3.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其中，所述通气部被限定在所述喷嘴环的所述第三表面中。

4.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其中，所述通气部被限定在所述定位器的所述径向最外表面中。