CN111271135A - 用于废气涡轮增压器的涡轮机的阀瓣组件 - Google Patents

用于废气涡轮增压器的涡轮机的阀瓣组件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于废气涡轮增压器的涡轮机的阀瓣组件、尤其用于该涡轮机的废气门阀的阀瓣组件，该阀瓣组件具有：主轴，其用于将该阀瓣组件可旋转地支承在涡轮机壳体中；杠杆臂，其中该杠杆臂与该主轴以及阀瓣盘联接，其中，该阀瓣盘与该杠杆臂联接。该阀瓣盘在该阀瓣盘的径向外部区域中具有柔性部分，使得当该阀瓣盘与该涡轮机壳体内的阀瓣座处于接触时，通过向该阀瓣组件施加闭合力能够引起该阀瓣盘的该柔性部分的弹性和/或塑性变形，从而补偿该涡轮机壳体3的热变形、排气沉积和/或磨损。

Description

用于废气涡轮增压器的涡轮机的阀瓣组件
技术领域
本发明涉及一种用于废气涡轮增压器的涡轮机的阀瓣组件以及一种具有对应阀瓣组件的涡轮机和废气涡轮增压器。
背景技术
已知的废气涡轮增压器具有带有涡轮机叶轮的涡轮机，该涡轮机叶轮由燃烧发动机的排气流驱动。与涡轮机叶轮布置在共同的轴上的压缩机叶轮压缩为了发动机而吸入的新鲜空气，从而提高新鲜空气的压力。由此，供发动机用于燃烧的空气量或者氧气量提高，这进而使得燃烧发动机的功率提升。在此，由于涡轮机叶轮与压缩机叶轮联接，将要形成的压力始终取决于所输送的排气量。在某些运行状态中，需要降低或调节作用在压缩机上的驱动能量。
为此尤其使用废气门阀，这些废气门阀能够释放或封闭旁通通道或废气门通道。排气能够被引导通过废气门阀和旁通管并且由此在涡轮机周围被引导，从而不再使全部排气量都作用在涡轮机叶轮上。这些废气门阀在大多数情况下被设计为由执行器致动的瓣阀。对于已知的阀瓣组件，阀瓣盘与杠杆臂固定相连，其中，杠杆臂与主轴联接，主轴可旋转地支承在涡轮机壳体中。热的排气流使涡轮机剧烈升温，从而使涡轮机壳体达到高温。高温导致涡轮机壳体中发生热膨胀。但是由于并非到处都存在同样的温度且涡轮机壳体的对应区域中的壁厚度可能互不相同，因此热膨胀的程度并非到处都一样大。这可能导致涡轮机壳体内的阀瓣组件的阀瓣座变形。此外，阀瓣座的形状可能因磨损和排气沉积而改变。变形是成问题的，因为尤其对于刚性的阀瓣组件而言变形会导致泄漏，因为刚性的阀瓣盘不再平坦地放置在阀瓣座上。增加的泄漏进而导致性能损失。即使通过执行器借助过高的调整力也仅能够部分地补偿变形的问题。
发明内容
因此，本发明的目标是提供一种用于废气涡轮增压器的涡轮机的阀瓣组件，该阀瓣组件能够补偿变形。
本发明涉及一种根据权利要求1所述的用于涡轮机的阀瓣组件、一种根据权利要求14所述的涡轮机、以及一种根据权利要求15所述的废气涡轮增压器。
根据本发明的用于废气涡轮增压器的涡轮机的阀瓣组件，尤其用于涡轮机的废气门阀的阀瓣组件，包括：主轴，其用于将该阀瓣组件可旋转地支承在涡轮机壳体中；杠杆臂，其中该杠杆臂与该主轴联接；以及阀瓣盘，其中该阀瓣盘与该杠杆臂联接。根据本发明，该阀瓣盘在该阀瓣盘的径向外部区域中具有柔性部分，使得当该阀瓣盘与该涡轮机壳体内的阀瓣座处于接触时，通过向该阀瓣组件施加闭合力能够引起该阀瓣盘的该柔性部分的弹性和/或塑性变形，从而补偿该涡轮机壳体的热变形、排气沉积和/或磨损。通过阀瓣盘的一个区域的柔性设计，阀瓣盘在对应的力加载下可以适配于阀瓣座的改变了的形状/位置，其中，力加载(为了克服由涡轮机壳体的热变形、排气沉积和/或磨损引起的间隙)相对于已知的刚性阀瓣组件而言可以保持很小。此外，根据本发明的阀瓣组件还使得阀瓣盘更好地位于阀瓣座上并由此实现对废气门通道的更好密封。此外，更好地避免可能因阀瓣座变形而引起的阀瓣盘在阀瓣座中卡住(所谓的“Sticking”)。
在设计方案中，该阀瓣盘还可以具有刚性部分，其中，该柔性部分围绕着该刚性部分。
在可与所有迄今为止所述的设计方案组合的设计方案中，阀瓣盘可以是圆形或椭圆形的并且柔性部分可以是环状的区域。
在可与所有迄今为止所述的设计方案组合的设计方案中，阀瓣盘可以具有底面，其中，该底面具有底面积UA，其中，该底面积UA包括指配给该柔性部分的第一子面积TF，以及指配给该刚性部分的第二子面积TS。该第一子面积TF尤其可以大于或等于该底面积UA的0.2倍，尤其大于或等于该底面积UA的0.4倍，特别优选大于或等于该底面积UA的0.5倍。
在可与所有迄今为止所述的设计方案组合的设计方案中，该阀瓣盘在该阀瓣盘的边缘上具有接触点A，在安装后的状态下在该阀瓣组件的关闭过程中该接触点首先与该阀瓣座接触，其中，杠杆长度LH可以被定义为接触点A与第二子面积TS的几何重心之间的距离，并且最大长度(L最大)可以被定义为在该阀瓣盘的该边缘上对置的两个点的最大距离。尤其可以对LH与L最大的关系适用的是：0.20≤LH/L最大≤0.95，尤其0.40≤LH/L最大≤0.90。此外，柔性长度LF可以被定义为接触点A与第二子面积TS的外边缘之间的距离，其中，可以对LF/LH的关系适用的是：0.20≤LF/LH≤0.95，尤其0.40≤LF/LH≤0.95。
在可与所有迄今为止所述的设计方案组合的设计方案中，该阀瓣盘在该柔性部分的外边缘的区域中具有厚度Dt。该阀瓣盘的整个柔性部分可以具有与厚度Dt对应的恒定厚度。替代性地，阀瓣盘的该柔性部分可以具有不同的厚度，尤其在从外边缘朝向刚性部分看的径向方向上。在朝向刚性部分的径向方向上，柔性部分的厚度可以增加。替代性地，在朝向刚性部分的径向方向上，柔性部分的厚度可以减小。
在可与所有迄今为止所述的设计方案组合的设计方案中，柔性部分的底面和/或顶面可以设有至少一个凹口。通过该(这些)凹口可以有针对性地适配或提高柔性部分的灵活度。该至少一个凹口可以是以布置在周向方向上的至少一个凹槽的形式设计的。该凹槽尤其可以沿着周向方向是封闭的凹槽，或者可以延伸过至少一个子区域。
在可与所有迄今为止所述的设计方案组合的设计方案中，该杠杆臂的至少一部分可以被柔性地设计成使得当该阀瓣盘与该涡轮机壳体中的阀瓣座处于接触中时，通过向该阀瓣组件施加闭合力能够实现整个阀瓣盘相对于该主轴的相对运动，从而补偿该涡轮机壳体的热变形、排气沉积和/或磨损。已经证实，通过将阀瓣盘与柔性区域和至少部分柔性的杠杆臂组合，一方面可以实现非常好的密封效果且另一方面可以降低阀瓣组件、尤其杠杆臂中的应力。更低的应力提高部件故障安全性和阀瓣组件的寿命。
在具有柔性的杠杆臂的设计方案中，杠杆臂的仅一个子区域或多个子区域可以设计成柔性的。该或这些柔性的子区域能够具有相比于其余杠杆臂更小的横截面积。
在可与所有迄今为止所述的具有柔性杠杆臂的设计方案组合的设计方案中，该杠杆臂可以被设计成并且相对于该主轴和该阀瓣盘被布置成使得当该涡轮机壳体没有出现热变形或磨损或者不存在沉积时，该柔性的子区域由于该闭合力而基本上承受压力。柔性的子区域的这种布置和设计方案具有如下优点：实际上仅在出现热变形或磨损和/或阀瓣盘由于例如沉积等其他原因而不再完全平坦地放置在阀瓣座上时，才产生该柔性的子区域的所期望的作用(即对热变形、沉积或磨损进行补偿)。如果没有出现热变形或磨损或者不存在沉积，即当阀瓣盘完全平坦地放置在阀瓣座上，则柔性的子区域仅承受压力，从而阀瓣盘与主轴之间几乎不产生相对运动。如果由于热变形、磨损或其他原因(例如沉积)阀瓣盘不再完全平坦地放置在阀瓣座上(产生泄漏)，则在阀瓣组件的闭合位置中向阀瓣组件施加闭合力时向该柔性的子区域中导入力矩。该力矩由于杠杆臂的至少部分的柔性而导致阀瓣盘相对于主轴的相对运动，从而阀瓣盘再次完全平坦地放置在阀瓣座上。因此，与阀瓣盘的柔性部分一起实现特别好的密封。
在可与所有迄今为止所述的具有柔性杠杆臂的设计方案组合的设计方案中，该杠杆臂可以至少具有第一杠杆臂区段和第二杠杆臂区段，其中第二杠杆臂区段的端部与阀瓣盘联接。该或这些柔性的子区域可以布置在该第二杠杆臂区段的区域内，和/或该或这些柔性的子区域可以布置在该第一杠杆臂区段的区域内。在替代性的设计方案中，杠杆臂的大部分、尤其整个杠杆臂都可以设计成柔性的。
在可与所有迄今为止所述的具有柔性杠杆臂的设计方案组合的设计方案中，该杠杆臂的该或这些柔性的子区域可以具有比该杠杆臂的其余部分和/或该主轴更小的弯曲刚度。
在可与所有迄今为止所述的具有柔性杠杆臂的设计方案组合的设计方案中，该阀瓣盘和/或该杠杆臂可以如下地进行尺寸设定并具有如下材料特性，使得当向该主轴引入在0.8至20Nm的范围内、优选在1.5至15Nm的范围内、尤其在2至10Nm的范围内的扭矩时，能够补偿最大达3°的角度α。角度α被定义为阀瓣座的平面与阀瓣盘底面的平面之间的角度。
在可与所有迄今为止所述的具有柔性杠杆臂的设计方案组合的设计方案中，该阀瓣盘和/或该杠杆臂可以如下地进行尺寸设定并具有如下材料特性，使得在该杠杆臂上施加125MPa与350MPa之间的应力水平时，该阀瓣盘可以实现0.10mm至0.80mm之间的、尤其0.24mm与0.4mm之间的偏移。阀瓣盘和/或杠杆臂尤其可以通过如下方式进行尺寸设定并具有如下材料特性，使得在杠杆臂上施加150MPa与200MPa之间的应力水平时，阀瓣盘可以实现0.32mm与0.36mm之间的偏移；当在杠杆臂上施加200MPa与250MPa之间的应力水平时，阀瓣盘可以实现0.32mm与0.34mm之间的偏移；当在杠杆臂上施加300MPa与350MPa之间的应力水平时，阀瓣盘可以实现0.32mm与0.34mm之间的偏移；当在杠杆臂上施加300MPa与350MPa之间的应力水平时，阀瓣盘可以实现0.28mm与0.32mm之间的偏移；当在杠杆臂上施加250MPa与300MPa之间的应力水平时，阀瓣盘可以实现0.38mm与0.40mm之间的偏移；以及当在杠杆臂上施加125Mpa与175Mpa之间的应力水平时，阀瓣盘可以实现0.26mm与0.28mm之间的偏移。
在可与所有迄今为止所述的设计方案组合的设计方案中，主轴和杠杆臂、或者杠杆臂和阀瓣盘可以是单件式地设计的，或者主轴、杠杆臂和阀瓣盘可以是单件式地设计的。
在可与所有迄今为止所述的设计方案组合的设计方案中，该阀瓣盘可以与该杠杆臂固定相连。尤其，杠杆臂能够与阀瓣盘焊接。
在可与所有迄今为止所述的设计方案组合的设计方案中，该阀瓣盘可以在其顶面具有球状凹口，该杠杆臂的球状端部可以布置在该球状凹口中。
在可与所有迄今为止所述的设计方案组合的设计方案中，该阀瓣盘、该杠杆臂和/或该主轴被制造为MIM件。
本发明此外包括一种用于具有涡轮机壳体和废气门阀的废气涡轮增压器的涡轮机，该废气门阀适用于从涡轮机的涡轮机叶轮旁引导排气。该废气门阀包括根据前述设计方案中任一个所述的阀瓣组件。
在涡轮机的设计方案中，涡轮机壳体能够具有衬套孔，在该衬套孔中布置有衬套，其中，阀瓣组件的主轴能够可旋转地支承在衬套中。
本发明还包括一种废气涡轮增压器，其具有根据前述设计方案中任一个所述的涡轮机。
以下借助附图来描述本发明的其他细节和特征。
附图说明
图1示出根据本发明的涡轮增压器的实施例的部分截面中的等轴视图；
图2示出根据本发明的阀瓣组件的第一实施例的等轴视图；
图3示出图2中的实施例的阀瓣盘的放大侧视图；
图4a示出根据本发明的阀瓣组件的第二实施例的阀瓣盘的部分截面中的等轴视图；
图4b示出图4a中的阀瓣盘的截面图；
图4c示出根据本发明的阀瓣组件的第三实施例的阀瓣盘的截面图；
图5a示出根据本发明的阀瓣组件的第四实施例的阀瓣盘的视图；
图5b示出根据本发明的阀瓣组件的第五实施例的阀瓣盘的视图；
图6示出根据本发明的阀瓣组件的第六实施例的侧视图。
具体实施方式
下面借助附图来描述根据本发明的阀瓣组件10的实施例以及具有这种阀瓣组件10的涡轮机2和对应的废气涡轮增压器1。
图1示出废气涡轮增压器1，该废气涡轮增压器可以配备有根据本发明的阀瓣组件10的以下所述的实施方式。废气涡轮增压器1包括涡轮机2，该涡轮机具有涡轮机壳体3和废气门阀，该废气门阀适用于从涡轮机2的涡轮机叶轮4旁引导排气。在此，该废气门阀包括根据本发明的阀瓣组件10。此外，涡轮机壳体3还有衬套孔，该衬套孔中可以布置衬套，其中，阀瓣组件10然后可旋转地支承在衬套中。
参照图2至6，下面将描述根据本发明的阀瓣组件10。尤其如图2中可看见的，阀瓣组件10包括主轴100(其用于将阀瓣组件10可旋转地支承在涡轮机壳体3内)和杠杆臂200。主轴100限定旋转轴线400。杠杆臂200与主轴100联接。此外，该阀瓣组件还包括阀瓣盘300，其中，阀瓣盘300与杠杆臂200联接。根据本发明，阀瓣盘300在阀瓣盘300的径向外部区域中具有柔性部分330。该阀瓣盘300的柔性部分330使得当阀瓣盘300与涡轮机壳体3内的阀瓣座500(参见图6)处于接触时，通过向阀瓣组件10施加闭合力能够引起阀瓣盘300的该柔性部分330的弹性和/或塑性变形，从而补偿涡轮机壳体3的热变形、排气沉积和/或磨损。
在弹性和/或塑性变形过程中，阀瓣盘300的柔性部分330发生变形，以适配变形了的或轻微移位的阀瓣座500。例如，与阀瓣座的最初的形状和位置相比，阀瓣座500可能由于热负荷而弹性和塑性地改变。此外，阀瓣座500的形状也可能因磨损和排气沉积而改变。通过阀瓣盘300的一个部分330的柔性设计，阀瓣盘在对应的力加载下可可以适配于阀瓣座500的改变了的形状/位置，其中，力加载(为了克服由涡轮机壳体的热变形、排气沉积和/或磨损引起的间隙)相对于已知的刚性阀瓣组件而言可以有利地保持很小。此外，根据本发明的阀瓣组件10还使得阀瓣盘300更好地位于阀瓣座500上并且由此实现对阀瓣组件10要封闭的废气门通道的更好密封。此外，更好地避免可能因阀瓣座500变形而引起的阀瓣盘300在阀瓣座中500卡住(所谓的“Sticking”)。
如在图2至4c中能够容易地看到，阀瓣盘300还具有刚性部分335，其中，柔性部分330围绕着刚性部分335。刚性部分335包括或者在此在其径向延伸方向上对应于容纳区域340(参见图2)，在该容纳区域中杠杆臂200与阀瓣盘300联接。
如图2至4c所示，阀瓣盘300可以是圆形的。替代性地，该阀瓣盘也可以是椭圆形的。在此，柔性部分330被设计成环形区域330。但该阀瓣盘300并不局限于特定的形状，而是可以具有适配于对应的应用的任何合理的几何形状。如所示的，该阀瓣盘例如可以是圆形或椭圆形的。在这些情况中，柔性区域330也可以设计为圆形或椭圆形的。例如在图5b示出了阀瓣盘300的替代性的形状。
参照图4a至5b，阀瓣盘300具有底面302，其中，底面302是阀瓣盘300的朝向阀瓣座500的方向示出的那个面。底面302限定了底面积UA。底面积UA可以被划分为指配给柔性部分330的第一子面积TF，以及指配给刚性部分335的第二子面积TS(例如，参见图5a和5b)。第一子面积TF可以大于或等于底面积UA的0.2倍，尤其大于或等于底面积UA的0.4倍，特别优选大于或等于底面积UA的0.5倍。换言之：该第二子面积TS对应于阀瓣盘300的刚性部分335向阀瓣盘300的底面积UA上的投影。然后，该第一子面积TF对应于余下的底面积UA，即，底面积UA减去第二子面积TS。在此，可以是TF≥0.2*UA，尤其可以是TF≥0.4*UA，特别优选地可以是TF≥0.5*UA。再次换用不同的表述方式，针对第二子面积TS与底面积UA的关系可以给出：0.01≤TS/UA≤0.8，优选0.1≤TS/UA≤0.6，特别优选0.2≤TS/UA≤0.5。
参照图3、5a/b和6示出的是，阀瓣盘300在阀瓣盘300的边缘具有接触点A，在安装后的状态下在阀瓣组件10的关闭过程中该接触点首先与阀瓣座500接触(参见图6)。参照图5a和5b，可以经由接触点A将阀瓣盘300的杠杆长度LH定义为接触点A与第二子面积TS的几何重心C之间的距离。此外，还可以将阀瓣盘300的最大长度L最大定义为阀瓣盘300的边缘上对置的两点的最大距离。
在图4a和5a中示出了如下实例，其中阀瓣盘300设计为圆形，直径为D；而该刚性部分335设计为圆形，直径为d。由此产生的圆形的第二子面积TS居中地(且同中心地)布置在底面积UA中，这与杠杆臂200居中地布置在阀瓣盘300上对应。在这样的设计方案中，杠杆长度LH等于阀瓣盘300的半径R(参见图5a)。在杠杆长度L最大方面，对于圆形的实例适用的是：杠杆长度LM与阀瓣盘300的直径D对应。图5b示出了一个替代于此的设计方案。
对于所有设计方案来说，以下内容尤其可以适用于LH与L最大的关系：
0.20≤LH/L最大≤0.95；尤其0.40≤LH/L最大≤0.90。
另外参照图3，还可以为将阀瓣盘300的杠杆长度LF定义为接触点A与第二子面积TS的外边缘之间的距离。以下内容尤其可以适用于LF/LH的关系：
0.20≤LF/LH≤0.95，尤其0.40≤LF/LH≤0.90。
阀瓣盘300在柔性部分330的外边缘的区域中具有厚度Dt(参见图3)。阀瓣盘300的整个柔性部分330可以具有与厚度Dt对应的恒定厚度，同样参见图3。替代性地，阀瓣盘300的柔性部分330也可以具有不同的厚度，尤其在从外边缘朝向刚性部分335看的径向方向上。在朝向刚性部分335的径向方向上，柔性部分330的厚度可以增加。替代性地，在朝向刚性部分335的径向方向上，柔性部分330的厚度可以减小。例如，柔性部分330的厚度可以(至少分段地)增加直至达至少1.1*Dt的厚度。替代性地，柔性部分330的厚度最晚在该厚度在向刚性部分335的过渡区域中再次增加之前可以(至少分段地)减小直至达0.9*Dt的厚度或更小。柔性部分330与刚性部分335之间的界限(更确切地说阀瓣盘300的柔性部分330至刚性部分335的过渡区域)可以被定义为阀瓣盘300的厚度大于约1.2*Dt的区域。换句话说，柔性部分330的厚度小于1.2*Dt。在示例性的实例中，柔性区域330可以具有以下特征：其厚度小于或等于8mm。柔性区域330的厚度尤其可以在1mm至8mm、尤其1mm至5mm、优选1mm至4mm的范围内。
如图4a至4c所示，在阀瓣盘300的柔性部分330的底面302和/或顶面314可以设置至少一个凹口336。通过该(这些)凹口336可以有针对性地适配或提高柔性部分330的灵活度。该至少一个凹口336可以是以布置在周向方向上的至少一个凹槽的形式设计的。该凹槽尤其可以沿着周向方向是封闭的凹槽，或者可以延伸过至少一个子区域。例如，也可以分段式分布地设置一个或多个凹槽，或者还可以径向偏置地设置多个凹槽，这些凹槽延伸过整个周长或仅延伸过周长的子区域/分段。
下面尤其参照图2和6。除了具有柔性部分330的阀瓣盘300之外(或者还替代于此)，阀瓣组件10的杠杆臂200的一部分还可以被柔性地设计成使得当阀瓣盘300与涡轮机壳体3中的阀瓣座500处于接触中时，通过向该阀瓣组件10施加闭合力能够实现整个阀瓣盘300相对于主轴100的相对运动。这进而使得可以补偿涡轮机壳体3的热变形、排气沉积和/或磨损。通过具有柔性的杠杆臂200的阀瓣组件10的设计方案，在闭合状态中对阀瓣组件10进行对应的力加载时，杠杆臂200轻微弹性地和/或塑性地变形，例如弯曲。这样尤其可以还更好地补偿在涡轮增压器运行过程中出现的、阀瓣座500的热变形的差异。这进而使得阀瓣盘300更好地位于阀瓣座500上并由此实现对废气门通道的更好密封。同样的内容适用于补偿可能导致泄漏的(不规则的)磨损和/或排气沉积。更好的密封等同于更少的泄漏，与已知的刚性阀瓣组件相比，更少的泄漏进而可以实现降低施加到阀瓣组件10上的闭合力。此外，进而降低阀瓣组件10卡住(“Sticking”)的危险。
另外已经证实，通过将具有柔性区域330的阀瓣盘300与至少部分地柔性的杠杆臂200组合，可以降低阀瓣组件10、尤其杠杆臂200中的应力。更低的应力提高部件故障安全性和阀瓣组件10的寿命。
根据阀瓣组件的设计方案，杠杆臂200的一个或多个子区域220可以设计成柔性的。例如，该或这些柔性的子区域220能够具有相比于其余杠杆臂200更小的横截面积。杠杆臂300尤其可以被设计成并且相对于主轴100和阀瓣盘300被布置成使得当涡轮机壳体3未出现热变形或磨损或者不存在沉积时，该或这些柔性的子区域220由于闭合力而基本上承受压力。该或这些柔性的子区域220的这种布置和设计方案具有如下优点：实际上仅在出现热变形或磨损和/或阀瓣盘300由于例如沉积等其他原因而不再完全平坦地放置在阀瓣座500上时，才产生该或这些柔性的子区域220的所期望的作用(即对热变形的补偿)。如果没有出现热变形或磨损或不存在沉积(即如果阀瓣盘300完全平坦地放置在阀瓣座500上)，则该或这些柔性的子区域220仅承受压力，从而阀瓣盘300与主轴100之间几乎不产生相对运动。如果由于热变形、磨损或其他原因(例如沉积)阀瓣盘300不再完全平坦地放置在阀瓣座500上(产生泄漏)，则在阀瓣组件10的闭合位置中向阀瓣组件10施加闭合力时向该或这些柔性的子区域220中导入力矩。该力矩由于杠杆臂200的至少部分的柔性而导致阀瓣盘300相对于主轴的相对运动，从而阀瓣盘300再次完全平坦地放置在阀瓣座500上。由此实现特别好的密封。
在图2和6中示出的是，杠杆臂200可以至少具有第一杠杆臂区段230和第二杠杆臂区段240，其中，第二杠杆臂区段240的端部210与阀瓣盘300联接。第一杠杆臂区段230和第二杠杆臂区段240能够例如围成在20°与80°之间、尤其在30°与70°之间、优选在40°与60°之间的角度250。在图2中示出的实施例中，第二杠杆臂区段240基本上垂直于阀瓣盘300的顶面310延伸。该或这些子区域220可以布置在第二杠杆臂区段240的区域内。替代性地或者额外地，柔性的子区域220可以布置在第一杠杆臂区段230的区域内。在替代性的设计方案中，杠杆臂200的大部分、尤其整个杠杆臂200都可以设计成柔性的。
为了在杠杆臂200中实现柔性，杠杆臂200的该或这些柔性的子区域220具有比杠杆臂200的其余部分和/或比主轴100更小的弯曲刚度。
参考图6示出了如下实例，其中热变形、磨损和/或排气沉积导致阀瓣盘300不平整地放置在阀瓣座500上。接触点A已经与阀瓣座500接触，但留有阀瓣盘300的倾斜位置并且因此阀瓣盘300与阀瓣座500之间留有间隙。在此，图6中示例性地绘出了：力和应力在这样的情况中如何作用到杠杆臂200的柔性的子区域220上，从而引起阀瓣盘300的位置的对应适配并且由此可以使整个阀瓣盘300放置在阀瓣座500上。因主轴100的转动而由力矩T产生的闭合力F作用到具有柔性的子区域220的杠杆臂200上。该力具有向量分量FZ和FY。当力F作用到杠杆臂200的柔性的子区域220上时，在柔性的子区域220的所示出的范围内因此产生压缩应力(“Compression”)和拉伸应力(“Tension”)。由于这些拉伸应力和压缩应力，杠杆臂200能够在其柔性的子区域220内变形成使得能够补偿阀瓣盘300相对于阀瓣座500的倾斜位置，从而使阀瓣盘300再次(几乎)完全地放置在阀瓣座500上并达到所期望的密封效果。
在图6中同样可看到角度α，该角度被定义为阀瓣座500的平面与阀瓣盘300的底面302的平面之间的角度。由于阀瓣盘300在闭合状态中基本上平整地放置在阀瓣座500上，因此在安装后的状态中在阀瓣组件10的新状态中角度α为大约0°。如果发生热变形、排气沉积或磨损，则阀瓣座500的位置和/或形状轻微地改变。然后，在阀瓣组件10的闭合位置中(没有向阀瓣盘300施加压紧力)，阀瓣座500和阀瓣盘300各自布置在其中的平面不再一致，从而使得这两个平面之间产生大于0°的角度α并且因此阀瓣盘300不再密封地放置在阀瓣座500上。
在设计方案中，现在阀瓣盘300单独地或杠杆臂200单独地或还有阀瓣盘300和杠杆臂200的组合可以如下地进行尺寸设定/成形并具有如下材料特性，使得当向主轴100施加在0.8至20Nm范围内、优选在1.5至15Nm范围内、尤其在2至10Nm范围内的扭矩时，能够补偿最大达3°的角度α。也就是说，通过阀瓣盘300和/或杠杆臂200的柔性的设计方案可以补偿该角度α，从而实现对废气门通道的更好密封。
在此，阀瓣盘300的柔性部分330和/或杠杆臂200的该或这些柔性的子区域220的变形或位移可以是塑性的、也可以是弹性的。由于阀瓣座500的位移或变化也可能因热作用和/或磨损是塑性的，因此尤其阀瓣盘300和/或杠杆臂200的塑性变化也可以是有利的，因为这可以实现永久改善的密封效果。
阀瓣盘300、杠杆臂200和/或阀瓣盘300与杠杆臂200的组合的灵活性也可通过以下方式来限定。阀瓣盘300和/或杠杆臂200可以如下地进行尺寸设定并具有如下材料特性，使得在杠杆臂200上施加125MPa至350MPa之间的应力水平时，阀瓣盘300可以实现0.10mm至0.80mm之间的，尤其0.24mm与0.4mm之间的偏移。阀瓣盘300和/或杠杆臂200尤其可以如下地进行尺寸设定并具有如下材料特性，使得在杠杆臂200上施加150MPa与200MPa之间的应力水平时，阀瓣盘300可以实现0.32mm与0.36mm之间的偏移；当在杠杆臂200上施加200MPa与250MPa之间的应力水平时，阀瓣盘300可以实现0.32mm与0.34mm之间的偏移；当在杠杆臂200上施加300MPa与350MPa之间的应力水平时，阀瓣盘300可以实现0.32mm与0.34mm之间的偏移；当在杠杆臂200上施加300MPa与350MPa之间的应力水平时，阀瓣盘300可以实现0.28mm与0.32mm之间的偏移；当在杠杆臂200上施加250MPa与300MPa之间的应力水平时，阀瓣盘300可以实现0.38mm与0.40mm之间的偏移；以及当在杠杆臂200上施加125MPa与175MPa之间的应力水平时，阀瓣盘300可以实现0.26mm与0.28mm之间的偏移。
除了部分地柔性的阀瓣盘300和/或(部分地)柔性的杠杆臂200之外，主轴100也可以设计有一定的柔性。例如，主轴100的中间部分可以比主轴100的两个边缘区域(沿轴向方向看)更具柔性。例如，这可以通过减小主轴100的中间部分的主轴直径来实现。通过这样的措施可以进一步改善阀瓣组件10的密封效果。
前面描述了一种柔性的阀瓣组件10，其中，杠杆臂200的部分220或整个杠杆臂200可以设计成柔性的，阀瓣盘300的部分330可以设计成柔性的，和/或主轴100的部分可以设计成柔性的。阀瓣组件10的所期望的柔性在此可以通过之前所述的一项或多项措施来实现。在此，如果在阀瓣组件10的系统刚性为最大2500N/mm且平均材料温度为大约850℃时达到弹性和/或塑性变形(包括蠕变延伸)，则可以认为是本发明意义上的柔性的阀瓣组件10(当主轴100、杠杆臂200和阀瓣盘300共同作用时)。在此，系统刚性涉及由固定/刚性地彼此相连地或单件式地设计的主轴100、杠杆臂200和阀瓣盘300所构成的系统。在此，刚性被定义为F/ΔL。F是在用于确定系统刚性的试验结构中施加到阀瓣盘300的外缘上、施加在接触点A中的力。在此，如果主轴100固定在固定的位置中，则垂直于底面积UA来施加力。ΔL是作用到阀瓣盘300上的力引起的系统的(弹性和/或塑性)变形。
主轴100和杠杆臂200可以是单件式地设计的。“单件式地”意味着，主轴100和杠杆臂200制成为共同的(整体式的)部件(例如作为铸件)。作为替代方案，同样的内容适用于同样可以单件式地设计的杠杆臂200和阀瓣盘300。作为另外一个替代方案，主轴100、杠杆臂200和阀瓣盘300也可以是单件式地设计的。也就是说，一个单独的部件整体式地包括主轴100、杠杆臂200和阀瓣盘300。
在所有设计方案中，阀瓣盘300与杠杆臂200固定相连。尤其杠杆臂200可以与阀瓣盘300焊接。例如，阀瓣盘300在其顶面310上可以具有球状凹口312，杠杆臂200的球状端部210可以布置在该球状凹口中(参见图6)。这种设计方案使得阀瓣组件10的安装和借助于焊接连接使杠杆臂200和阀瓣盘300对齐联接变得容易。
阀瓣盘300、杠杆臂200和/或主轴100可以制造为金属注射成型(MIM)件。主轴100、杠杆臂200和阀瓣盘300可以分别设计为独立的MIM件，然后对应地将其彼此连接。替代性地，主轴100和杠杆臂200、杠杆臂200和阀瓣盘300、或者主轴100、杠杆臂200和阀瓣盘300可以制造为整体式的MIM件。
“与制造由主轴100、杠杆臂200和阀瓣盘300构成的单元无关”是指：杠杆臂200和阀瓣盘300在其连接区域中是彼此刚性相连的。换句话说，在布置于刚性部分335中的这个连接区域中，杠杆臂200和阀瓣盘300之间几乎不会因变形等产生相对运动。
如开篇已经描述的，本发明还包括一种用于废气涡轮增压器1的涡轮机2，该涡轮机具有涡轮机壳体3和废气门阀，该废气门阀适用于从涡轮机2的涡轮机叶轮4旁引导排气。该废气门阀包括根据前述实施例中任一个所述的阀瓣组件10。本发明还包括一种具有这种涡轮机2的废气涡轮增压器1。
虽然以上描述了且在所附权利要求书中限定了本发明，但应该理解的是，替代性地也可以与以下实施方式对应地来限定本发明：
本发明的用于废气涡轮增压器的涡轮机的阀瓣组件、尤其用于该涡轮机的废气门阀的阀瓣组件具有：
主轴，其用于将该阀瓣组件可旋转地支承在涡轮机壳体中；
杠杆臂，其中该杠杆臂与该主轴联接；以及
阀瓣盘，其中该阀瓣盘与该杠杆臂联接；
其特征在于，该阀瓣盘在该阀瓣盘的径向外部区域中具有柔性部分，使得当该阀瓣盘与该涡轮机壳体内的阀瓣座处于接触时，通过向该阀瓣组件施加闭合力能够引起该阀瓣盘的该柔性部分的弹性和/或塑性变形，从而补偿该涡轮机壳体的热变形、排气沉积和/或磨损。
优选规定，该阀瓣盘还具有刚性部分，其中，该柔性部分围绕着该刚性部分。
优选规定，该阀瓣盘是圆形或椭圆形的并且该柔性部分是环状区域。
优选规定，该阀瓣盘具有底面，其中，该底面具有底面积，其中，该底面积包括指配给该柔性部分的第一子面积，以及指配给该刚性部分的第二子面积。
优选规定，该第一子面积大于或等于该底面积的0.2倍，尤其大于或等于该底面积(UA)的0.4倍，特别优选大于或等于该底面积(UA)的0.5倍。
优选规定，该阀瓣盘(300)在该阀瓣盘(300)的边缘上具有接触点(A)，在安装后的状态下在该阀瓣组件(10)的关闭过程中该接触点首先与该阀瓣座(500)接触，其中，杠杆长度(LH)被定义为在该接触点(A)与该第二子面积(TS)的几何重心(C)之间的距离，并且
最大长度(L最大)被定义为在该阀瓣盘(300)的该边缘上对置的两个点的最大距离。
优选规定，对LH与L最大的关系适用的是：
0.20≤LH/L最大≤0.95，尤其0.40≤LH/L最大≤0.90。
优选规定，柔性长度(LF)被定义为该接触点(A)与该第二子面积(TS)的外边缘之间的距离，其中，对LF/LH的关系适用的是：
0.20≤LF/LH≤0.95，尤其0.40≤LF/LH≤0.90。
优选规定，该阀瓣盘(300)在该柔性部分(330)的外边缘的区域中具有厚度(Dt)。
优选规定，该阀瓣盘(300)的整个柔性部分(330)具有与厚度(Dt)对应的恒定厚度。
优选规定，该阀瓣盘(300)的该柔性部分(330)具有不同的厚度，尤其在从外边缘朝向该刚性部分(335)看的径向方向上。
优选规定，在朝向该刚性部分(335)的径向方向上，该柔性部分(330)的厚度增加；或者其特征在于，在朝向该刚性部分(335)的径向方向上，该柔性部分(330)的厚度减小。
优选规定，在该柔性部分(330)的底面(302)和/或顶面(314)设有至少一个凹口(336)。
优选规定，该至少一个凹口(336)是以布置在周向方向上的至少一个凹槽的形式设计的，其中，该凹槽沿着周向方向是封闭的凹槽，或者延伸过至少一个子区域。
优选规定，该杠杆臂(200)的至少一部分被柔性地设计成使得当该阀瓣盘(300)与该涡轮机壳体(3)中的阀瓣座(500)处于接触中时，通过向该阀瓣组件(10)施加闭合力能够实现整个阀瓣盘(300)相对于该主轴(100)的相对运动，从而补偿该涡轮机壳体(3)的热变形、排气沉积和/或磨损。
优选规定，该杠杆臂(200)的仅一个或多个子区域(220)设计成柔性的。
优选规定，该柔性的子区域(220)具有相比于其余的杠杆臂(200)减小的横截面积。
优选规定，该杠杆臂(200)被设计成并且相对于该主轴(100)和该阀瓣盘(300)被布置成使得当该涡轮机壳体(3)未出现热变形或磨损或者不存在排气沉积时，该柔性的子区域(220)由于该闭合力而基本上承受压力。
优选规定，该杠杆臂(200)至少具有第一杠杆臂区段(230)和第二杠杆臂区段(240)，其中该第二杠杆臂区段(240)的端部(210)与该阀瓣盘(300)联接。
优选规定，该或这些柔性的子区域(220)布置在该第二杠杆臂区段(240)的区域内，和/或该或这些柔性的子区域(220)布置在该第一杠杆臂区段(230)的区域内。
优选规定，该杠杆臂(200)的大部分、尤其整个杠杆臂(200)设计成柔性的。
优选规定，该杠杆臂(200)的该或这些柔性的子区域(220)具有比该杠杆臂(200)的其余部分和/或该主轴(100)更小的弯曲刚度。
优选规定，该阀瓣盘(300)和/或如果与实施方式15有关该杠杆臂(200)如下地进行尺寸设定并具有如下材料特性，使得当向该主轴(100)引入在0.8至20Nm的范围内、优选在1.5至15Nm的范围内、尤其在2至10Nm的范围内的扭矩时，能够补偿最大达3°的角度(α)，其中，该角度(α)被定义为该阀瓣座(500)的平面与该阀瓣盘(300)的底面(302)的平面之间的角度。
优选规定，该阀瓣盘(300)和/或如果与实施方式15有关该杠杆臂(200)如下地进行尺寸设定并具有如下材料特性，使得在该杠杆臂(200)上施加125MPa与350MPa之间的应力水平时，该阀瓣盘(300)可以实现0.10mm至0.80mm之间的、尤其0.24mm与0.4mm之间的偏移。
优选规定，该阀瓣盘(300)和/或如果与实施方式15有关该杠杆臂(200)通过如下方式进行尺寸设定并具有如下材料特性，使得在该杠杆臂(200)上施加150MPa与200MPa之间的应力水平时，该阀瓣盘(300)可以实现0.32mm与0.36mm之间的偏移；当在该杠杆臂(200)上施加200MPa与250MPa之间的应力水平时，该阀瓣盘(300)可以实现0.32mm与0.34mm之间的偏移；当在该杠杆臂(200)上施加300MPa与350MPa之间的应力水平时，该阀瓣盘(300)可以实现0.32mm与0.34mm之间的偏移；当在该杠杆臂(200)上施加300MPa与350MPa之间的应力水平时，该阀瓣盘(300)可以实现0.28mm与0.32mm之间的偏移；当在该杠杆臂(200)上施加250MPa与300MPa之间的应力水平时，该阀瓣盘(300)可以实现0.38mm与0.40mm之间的偏移；以及当在该杠杆臂(200)上施加125MPa与175MPa之间的应力水平时，该阀瓣盘(300)可以实现0.26mm与0.28mm之间的偏移。
优选规定，该主轴(100)和该杠杆臂(200)是单件式地设计的，或该杠杆臂(200)和该阀瓣盘(300)是单件式地设计的，或该主轴(100)、该杠杆臂(200)和该阀瓣盘(300)是单件式地设计的。
优选规定，该阀瓣盘(300)与该杠杆臂(200)固定相连，尤其其特征在于，该杠杆臂(200)与该阀瓣盘(300)焊接。
优选规定，该阀瓣盘(300)在其顶面(310)具有球状凹口(312)，该杠杆臂(200)的球状端部(210)布置在该球状凹口中。
优选规定，该阀瓣盘(300)、该杠杆臂(200)和/或该主轴(100)被制造为MIM件。
根据本发明的一种用于废气涡轮增压器(1)的涡轮机(2)具有：
涡轮机壳体(3)；以及
废气门阀，该废气门阀适用于从该涡轮机的涡轮机叶轮(4)旁引导排气；
其特征在于，该废气门阀包括根据前述实施方式中任一项所述的阀瓣组件(10)。
优选规定，该涡轮机壳体具有衬套孔，在该衬套孔中布置有衬套，其中，该阀瓣组件的该主轴可旋转地支承在该衬套中。
本发明涉及一种具有根据上述的涡轮机的废气涡轮增压器。

Claims (15)

1.一种用于废气涡轮增压器(1)的涡轮机(2)的阀瓣组件(10)、尤其用于所述涡轮机(2)的废气门阀的阀瓣组件，所述阀瓣组件具有：
主轴(100)，其用于将所述阀瓣组件(10)可旋转地支承在涡轮机壳体(3)中；
杠杆臂(200)，其中所述杠杆臂(200)与所述主轴(100)联接；以及
阀瓣盘(300)，其中所述阀瓣盘(300)与所述杠杆臂(200)联接；
其特征在于，所述阀瓣盘(300)在所述阀瓣盘(300)的径向外部区域中具有柔性部分(330)，使得当所述阀瓣盘(300)与所述涡轮机壳体(3)内的阀瓣座(500)处于接触时，通过向所述阀瓣组件(10)施加闭合力能够引起所述阀瓣盘(300)的所述柔性部分(330)的弹性和/或塑性变形，从而补偿所述涡轮机壳体(3)的热变形、排气沉积和/或磨损。
2.根据权利要求1所述的阀瓣组件，其特征在于，阀瓣盘(300)还具有刚性部分(335)，其中，所述柔性部分(330)围绕着所述刚性部分(335)。
3.根据权利要求2所述的阀瓣组件，其特征在于，阀瓣盘(300)具有底面(302)，其中，该底面(302)具有底面积(UA)，其中，所述底面积(UA)包括指配给所述柔性部分(330)的第一子面积(TF)以及指配给所述刚性部分(335)的第二子面积(TS)。
4.根据权利要求3所述的阀瓣组件，其特征在于，所述第一子面积(TF)大于或等于所述底面积(UA)的0.2倍，尤其大于或等于所述底面积(UA)的0.4倍，特别优选大于或等于所述底面积(UA)的0.5倍。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的阀瓣组件，其特征在于，所述阀瓣盘(300)在所述阀瓣盘(300)的边缘上具有接触点(A)，在安装后的状态下在所述阀瓣组件(10)的关闭过程中所述接触点首先与所述阀瓣座(500)接触，其中，杠杆长度(LH)被定义为在所述接触点(A)与所述第二子面积(TS)的几何重心(C)之间的距离，并且
最大长度(L最大)被定义为在所述阀瓣盘(300)的所述边缘上对置的两个点的最大距离；尤其，对LH与L最大的关系适用的是：
0.20≤LH/L最大≤0.95，尤其0.40≤LH/L最大≤0.90。
6.根据权利要求5所述的阀瓣组件，其特征在于，柔性长度(LF)被定义为该接触点(A)与所述第二子面积(TS)的外边缘之间的距离，其中，对LF/LH的关系适用的是：
0.20≤LF/LH≤0.95，尤其0.40≤LF/LH≤0.90。
7.根据前述权利要求中任一项所述的阀瓣组件，其特征在于，在所述柔性部分(330)的底面(302)和/或顶面(314)设有至少一个凹口(336)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的阀瓣组件，其特征在于，所述杠杆臂(200)的至少一部分被柔性地设计成使得当所述阀瓣盘(300)与所述涡轮机壳体(3)中的阀瓣座(500)处于接触中时，通过向所述阀瓣组件(10)施加闭合力能够实现整个阀瓣盘(300)相对于所述主轴(100)的相对运动，从而补偿所述涡轮机壳体(3)的热变形、排气沉积和/或磨损。
9.根据权利要求8所述的阀瓣组件，其特征在于，所述杠杆臂(200)的仅一个或多个子区域(220)设计成柔性的。
10.根据权利要求9所述的阀瓣组件，其特征在于，所述杠杆臂(200)被设计成并且相对于所述主轴(100)和所述阀瓣盘(300)被布置成使得当所述涡轮机壳体(3)未出现热变形或磨损或者不存在排气沉积时，所述柔性的子区域(220)由于所述闭合力而基本上承受压力。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的阀瓣组件，其特征在于，该杠杆臂(200)至少具有第一杠杆臂区段(230)和第二杠杆臂区段(240)，其中该第二杠杆臂区段(240)的端部(210)与该阀瓣盘(300)联接；尤其是，所述柔性的子区域(220)布置在该第二杠杆臂区段(240)的区域内，和/或所述柔性的子区域(220)布置在该第一杠杆臂区段(230)的区域内。
12.根据权利要求8所述的阀瓣组件，其特征在于，该杠杆臂(200)的大部分、尤其整个杠杆臂(200)设计成柔性的。
13.根据前述权利要求中任一项所述的阀瓣组件，其特征在于，该阀瓣盘(300)和/或如果与权利要求15有关该杠杆臂(200)如下地进行尺寸设定并具有如下材料特性，使得当向该主轴(100)引入在0.8至20Nm的范围内、优选在1.5至15Nm的范围内、尤其在2至10Nm的范围内的扭矩时，能够补偿最大达3°的角度(α)，其中，该角度(α)被定义为该阀瓣座(500)的平面与该阀瓣盘(300)的底面(302)的平面之间的角度。
14.一种用于废气涡轮增压器(1)的涡轮机(2)，该涡轮机具有：
涡轮机壳体(3)；以及
废气门阀，该废气门阀适用于从该涡轮机的涡轮机叶轮(4)旁引导排气；
其特征在于，该废气门阀包括根据前述权利要求中任一项所述的阀瓣组件(10)。
15.一种具有根据权利要求14所述的涡轮机(2)的废气涡轮增压器(1)。
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