CN114667385A - 用于涡轮增压器护罩的防旋转销构件 - Google Patents

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Abstract

提出一种用于涡轮机的销构件，所述涡轮机具有被布置成在涡轮机壳体内旋转的护罩。销构件被配置为限制该旋转。它是一件式元件，包括圆柱形主体和用于护罩的相反运动的限制表面。

Description

用于涡轮增压器护罩的防旋转销构件
技术领域
本发明涉及用于在诸如涡轮增压器的涡轮机的气体入口处定位的叶片布置。
背景技术
涡轮增压器是众所周知的用于以高于大气压的压力(增压)向内燃机的进气口供应空气的设备。传统的涡轮增压器主要包括被安装在涡轮机壳体内的可旋转轴上的排放气体驱动涡轮机叶轮。涡轮机叶轮的旋转使被安装在压缩机壳体内的轴的另一端上的压缩机叶轮旋转。压缩机叶轮将压缩空气输送到发动机的进气歧管，从而增加发动机功率。涡轮增压器轴通常由轴颈和止推轴承支撑，包括位于被连接在涡轮机和压缩机叶轮壳体之间的中央轴承座内的合适的润滑系统。
在已知的涡轮增压器中，涡轮机级包括：涡轮机腔室，其中涡轮机叶轮被安装在所述涡轮机腔室内；环形入口通道，所述环形入口通道被限定在围绕涡轮机腔室布置的面向的径向壁之间；入口，所述入口围绕入口通道布置；出口通道，所述出口通道从涡轮机腔室轴向延伸。通道和腔室连通，使得被允许进入入口腔室的加压的排放气体经由涡轮机通过入口通道到出口通道流动，并使涡轮机叶轮旋转。
已知通过在入口通道中设置被称为喷嘴叶片的叶片，以便于使流动通过入口通道的气体朝向涡轮机叶轮的旋转的方向偏转，从而改进涡轮机性能。每个叶片大致是薄片状的，并且被定位成一个径向外表面被布置成阻碍在入口通道内的排放气体的运动，即在入口通道内的排放气体的运动的径向内向分量使得引导排放气体抵靠叶片的外表面，并然后被改变方向成周向运动。
涡轮机可以是固定的或可变几何形状类型。可变几何形状类型涡轮机与固定几何形状涡轮机的不同处在于：入口通道的几何形状可以变化以优化质量流动速率的区间中的气体流动速度，使得涡轮机的功率输出可以改变以适应变化的发动机需求。
在可变几何形状涡轮增压器的一种形式中，喷嘴环携带有多个轴向延伸的叶片，所述叶片延伸到空气入口中，并通过在形成空气入口的径向延伸壁的护罩中的相应孔(“槽”)。喷嘴环可通过致动器轴向移动以控制空气通道的宽度。喷嘴环的移动还控制叶片突出通过相应槽的程度。护罩是环形的并且环绕旋转轴线。
这种可变几何形状涡轮增压器的示例在图1(a)和图1(b)中被示出，取自US 8,172,516。图示的可变几何形状涡轮机包括限定入口腔室2的涡轮机壳体1，来自内燃机(未被示出)的气体被输送到入口腔室2。排放气体从入口腔室2经由环形的入口通道4流动到出口通道3。入口通道4在一侧上由构成喷嘴环的可移动环形壁构件5的面限定，而在相对侧上由覆盖在面向壁中的环形凹部8的开口的环形护罩6限定。护罩6是限定中心孔并且环绕旋转轴线的环形构件(一件式单元)。面向的壁由涡轮机壳体1的部分28限定。护罩6通过在护罩6的径向外侧处的支架29被连接到涡轮机壳体1的部分28。在一些布置中，保留环(未被示出)被设置成部分地插入在支架29中的径向向外面向的凹部中，并且保留环的径向外部分被涡轮机壳体1的部分28保持。
从入口腔室2流动到出口通道3的气体穿过涡轮机叶轮9，并因此扭矩被施加到由驱动压缩机叶轮11的轴承组件14支撑的涡轮增压器轴10。压缩机叶轮11围绕旋转轴线100的旋转使在空气入口12中存在的环境空气加压并将加压空气输送到空气出口13，加压空气从所述空气出口13被馈送到内燃机(未被示出)。涡轮机叶轮9的速度取决于穿过环形入口通道4的气体的速度。对于流动到入口通道中的气体的质量的固定速率，气体速度是入口通道4的宽度的函数，宽度通过控制喷嘴环5的轴向位置可调节。随着入口通道4的宽度被减小，穿过它的气体的速度增加。图1(a)示出了被关闭到最小宽度的环形入口通道4，而在图1(b)中，入口通道4被示出为完全打开。
喷嘴环5支撑一排周向并且等间隔开的叶片7，所述叶片7中的每一个穿过入口通道4延伸。叶片7被定向成使流动通过入口通道4的气体朝向涡轮机叶轮9的旋转方向偏转。当喷嘴环5靠近环形护罩6和面向的壁时，叶片7突出通过在护罩6中适当配置的槽并进入凹部8中。每个叶片具有更靠近旋转轴线100的“内”主表面，以及更远离旋转轴线100的“外”主表面。喷嘴环5和护罩6都处于围绕轴线100的固定角度位置。叶片7在图1(a)和图1(b)中被图示为具有倒角端部分(朝向图的右边)，但在大多数现代布置中，叶片沿其整个长度纵向对称，或者由两部分组成，其中每个部分纵向对称，但在沿轴向方向被观察时具有彼此不同的轮廓。
气动或液压操作的致动器16可操作以经由致动器输出轴(未被示出)控制在由涡轮机壳体的部分26限定的环形空腔19内的喷嘴环5的轴向位置，所述致动器输出轴被连接到箍筋构件(未被示出)。箍筋构件又与支撑喷嘴环5的轴向延伸的导向杆(未被示出)接合。因此，通过致动器16的合适的控制，导向杆的轴向位置可以被控制，从而喷嘴环5的轴向位置可以被控制。应当理解，电动操作的致动器可以被使用以代替气动或液压操作的致动器16。
喷嘴环5具有相应地延伸到环形空腔19中的轴向延伸的内环形法兰17和外环形法兰18，壁27将环形空腔19与腔室15分隔。内密封环20和外密封环21被相应地设置为使喷嘴环5相对于环形空腔19的内环形表面和外环形表面密封，同时允许喷嘴环5在环形空腔19内滑动。内密封环20在形成在空腔19的内表面中的环形凹槽22内被支撑并且承靠喷嘴环5的内环形法兰17，而外密封环21在被设置在喷嘴环5的环形法兰18内的环形凹槽23内被支撑并且承靠在空腔19的径向最外的内表面。可以理解，内密封环20可以被安装在法兰17中的环形凹槽中，而不是被示出的，和/或外密封环21可以安装在被设置在空腔的外表面内的环形凹槽内，而不是被示出的。第一组压力平衡孔25被设置在相邻孔之间限定的叶片通道内的喷嘴环5中，而第二组压力平衡孔24被设置在喷嘴叶片通道的半径外部的喷嘴环5中。
应注意，在其他已知的涡轮机中，喷嘴环是被轴向固定的，并且致动器反而被设置为用于在平行于旋转轴线的方向中平移护罩。这是已知的“移动护罩”布置。
在采用通过在护罩中的槽而突出的叶片的已知的可变几何形状涡轮机中，在叶片和槽的边缘之间被设置有间距，以在涡轮增压器变得更热时允许叶片的热膨胀。在沿轴向方向上观察时，叶片和槽具有相同的形状，但是叶片小于槽。在通常的布置中，叶片被定位成每个叶片的轴向中心线在对应的槽的中心，使得在远离横向于涡轮机的轴线的中心线的所有方向中，从中心线到叶片的表面的距离与从中心线到对应的槽的边缘的距离的比例相同。在叶片和槽之间的间距被大致布置成在室温(在此被定义为20摄氏度)下在叶片的整个外围周围(例如，对于46.5mm的喷嘴半径，间距可以是0.23mm，或喷嘴半径的0.5％)的叶片的中心距旋转轴线的距离(“喷嘴半径”)的至少约0.5％。这意味着，如果叶片中的每一个垂直于轴向方向逐渐热膨胀，则围绕叶片的外围的所有点会在相同时刻接触槽上的对应点。在所有较低的温度下，在叶片的整个外围和对应槽的边缘之间存在间距。
发明内容
本发明旨在提供一种用于涡轮机组的新的且有用的叶片组件，以及结合有该叶片组件的新的且有用的涡轮机组(尤其是涡轮增压器)。
在较早的专利申请GB 1619347.6中，本申请人提出，在这样一种涡轮机组的涡轮机中，在喷嘴环和护罩之间的气体进口处，叶片通过在护罩中的槽从喷嘴突出，每个叶片的横表面(即包括平行于旋转轴线方向的表面)的一个“共形”部分在室温下与对应的槽的横表面的对应“共形”部分的形状基本上共形，以便于使表面的相应的共形部分能够相对于彼此以在它们之间仅很小的间距被放置。这样做的优点是可以基本上减少在槽和叶片的表面的相应的共形部分之间的气体流动。这减少了气体从喷嘴环在护罩的另一侧上的凹部进入或离开的泄露。这种泄漏减少了由叶片导致的气体的周向方向的改变，并且已经发现会导致效率上的显著损失。
在这样的布置中，在低温(诸如室温)下，叶片表面和槽表面的共形部分可以被定位成彼此靠近，或者甚至相接触。在较高温度下，如果护罩和喷嘴环均匀膨胀，则该接触被保持。然而，在使用中涡轮机的部件的不均匀热膨胀可能会导致叶片和槽相互压靠，使得更难以将叶片相对于槽轴向移动。在某种程度上，这种影响可能会由护罩和喷嘴环在安装中的任何自由空隙而被减小，这允许叶片从槽的向内面向的表面缩回，以防止相应的表面被较高的力压在一起。任何这样的自由空隙都不是由于设计，而是在部件形成中的公差的结果。它从一台涡轮机组到另一台涡轮机组变化，并且已经通过实验发现这种自由空隙允许喷嘴环以明显小于0.1度，例如达到0.05度关于护罩的相对旋转。
在较早的专利申请GB 1807881.6(在本申请的优先权日时未被公开)中，本发明提出涡轮机(例如涡轮增压器)应该允许喷嘴环相对于护罩沿周向方向以较大的角度量(至少0.1度)移动，以释放在叶片和相应的槽的边缘之间的压力。将喷嘴环布置成可相对于护罩旋转的概念在这里被称为“同步(clocking)”。在一种可能性中，喷嘴环相对于涡轮机壳体基本上被可旋转地固定，并且护罩相对于涡轮机壳体围绕涡轮机轴线可旋转。
我们将在涡轮机壳体和护罩之间的连接称为联接机构，所述连接允许护罩关于涡轮机壳体以至少0.1度的相应地相对旋转。在一种可能性中，联接机构可以基本上固定护罩的轴向位置，和/或将护罩的中心基本上保持在涡轮机叶轮的轴线上，但是可以允许护罩相对于涡轮机壳体围绕涡轮机叶轮的轴线旋转。联接机构可以允许护罩相对于涡轮机壳体的旋转通过至少在0.1度的固定的角度区间，或自由旋转(即，以无限制角度量)。在后一种情况下，护罩/喷嘴环相对于涡轮机壳体的旋转可以仅由在喷嘴环的叶片和护罩的槽之间的相互作用被限制。涡轮机可以包括用于使护罩相对于涡轮机壳体围绕轴线旋转的致动器。致动器通常可以被安装在涡轮机壳体上。在一种可能性中，联接机构经由致动器将护罩联接到涡轮机壳体。
一般而言，本发明提出了一种适于限制护罩相对于涡轮机壳体旋转运动的销构件。在使用中，销构件中的至少一个被插入到涡轮机壳体中的孔中，该孔在围绕涡轮的旋转轴线的特定角度位置处将销构件固定到涡轮机壳体。销构件是一件式元件，包括圆柱形主体和具有用于护罩的相反运动的限制表面的头部部分。
销构件包括限定销轴线的大致圆柱形主体以及位于圆柱形主体的一端并与圆柱形主体一体形成的头部部分，使得头部部分和圆柱形主体一起形成一件式单元。头部部分具有两个相反的表面：在使用中用于承靠护罩的表面并限制其旋转运动的限制表面；用于定位销构件的定位表面。
销构件的头部部分具有头部表面，该头部表面横向于销轴线，并且在一侧以限制表面为边界，在另一侧以定位表面为边界。在使用时，在头部表面上横向于限制表面和定位表面并且从限制表面朝向定位表面延伸的第一方向与涡轮机壳体的周向方向对齐；头部表面上横向于第一方向和销轴线的第二方向与径向方向对齐。
限制表面沿第二方向的跨度H1小于定位表面的跨度H2。为了促进这一点，凹部可以在头部表面的一端形成，沿第一方向延伸。这给出了头部表面大致L形。即，头部表面可以基本上由两个大致矩形部分组成，其中矩形部分的第一个沿第二方向比矩形部分的第二个更远。矩形部分的第一个可以具有比矩形部分的第二个更大的面积。第一矩形部分和第二矩形部分均被定位表面界定。第一矩形部分的相反边缘构成限制表面，并且第二矩形部分的相反边缘面向凹部。
定位表面的跨度可以被设计为沿第二方向尽可能长，这使得更容易将销构件定位在涡轮机壳体中(如下所述)，例如通过沿在组装时使用的定位工具的表面来定位定位表面。
相反地，如果限制表面沿第二方向太长，则其具有的缺点是其端部更可能在使用中冲击护罩。
此外，设置凹部减少了生产销构件所需要的材料的量。
销构件的头部部分沿第一方向具有的跨度W1大于第二矩形部分沿第一方向的跨度W2。可选地，第一矩形部分沿第一方向的跨度W1小于7mm、小于6mm、小于5mm、小于4mm或甚至小于3mm。
限制表面可以是基本上平坦的。可选择地，它可以是凸形的，使得如果与限制表面接合的护罩的表面是平坦的(或凸形，或凹形，但带有的曲率半径大于销构件的限制表面)，则在护罩与销构件的限制表面之间的接触基本上在一点(例如，如果限制表面是球体或椭球体的一部分)或沿一条线。
实际上，优选的是，限制表面沿平行于销轴线的方向具有平移对称性(即限制表面是圆柱体的部分，但不必须是带有圆形截面的圆柱体)。销的头部部分所承靠的护罩的表面可以是基本上平坦的，使得在它们之间的接触是线接触。
限制表面的曲率半径R被选择为大于(例如，至少两倍或甚至至少3倍、4倍或甚至至少5倍)销构件的头部部分沿第一方向的跨度W1。例如，它可能具有半径R＝22mm，而W1可以约为4mm。应注意，较小的R可能会在限制表面的接触护罩的部分中导致力被过度集中，从而导致不期望的磨损。
优选地，W1、W2、H1、H2和R满足公式：
Figure BDA0003638458230000071
销构件可以形成为没有内部界面(例如由于在材料成分中的突然改变)，例如通过诸如金属注射模制(MIM)工艺的模制工艺。可选地，销件的限制表面可以在模制后进行机械加工操作，以提高其形状的精度。
销构件的材料可以是包括钴的合金。
在另一方面中，本发明提供了一种用于涡轮机并且限定了在使用中的涡轮机的旋转轴线的中心轴线的涡轮机壳体，以及至少一个如上所述的销构件的组合。对于每个销，面向平行于轴线的涡轮机壳体的表面可以形成有相应的孔，所述孔接收销构件的圆柱形主体。销构件进入孔的运动可能由在涡轮机壳体的表面和销构件的头部部分的相互作用被限制。优选地，销构件通过在圆柱形主体的外表面和孔的向内面向表面之间的过盈配合被保持在孔中。这足以防止销在孔内围绕销轴线的旋转。
孔优选不是通孔，并且当销构件的圆柱形主体被插入时，可以形成有腔室以包含被截留在孔中的气体，使得气体的压力甚至在涡轮机壳体的操作温度下不会变得足够高，以克服过盈配合的力并将销构件的圆柱形主体从孔中排出。
优选地，销构件的圆柱形主体具有圆形截面，以促进其制造。类似地，对应孔的对应向内面向表面在孔的深度方向具有圆形截面，并且截面面积仅略小于销构件的圆柱形主体的截面面积。在这种情况下，孔可以通过钻孔方便地形成。为了形成腔室，在孔的深度方向上最远的孔的部分可以具有更小的截面面积，具体地，小于销构件的圆柱形主体的横截面积。
在另一方面，本发明提供一种涡轮机组件，所述涡轮机组件是限定中心轴线(在使用中是涡轮机的旋转轴线)的涡轮机壳体和至少一个如上所述的销构件的组合。每个销构件可以被插入涡轮机壳体的相应孔中。
在另一方面，本发明提供了一种涡轮机，包括与一个或多个如上限定的销构件结合的涡轮机壳体，以及被安装在涡轮机壳体内的涡轮机叶轮。
在另一方面，本发明提供了一种包括这种涡轮机的涡轮增压器。
在本文件中，描述两个面是相对的意味着它们面向基本上相对的方向。即，表面外的相应法线方向基本上相对。描述一个表面或主体是“圆柱形”意味着它沿轴线具有平移对称性，但并不必须说明该表面或主体的横向于该轴线的截面是圆形的。
附图说明
现在将参考以下附图仅出于示例的目的描述本发明的实施例，其中：
图1由图1(a)和图1(b)组成，图1(a)是已知的可变几何形状涡轮机的轴向截面，图1(b)是图1的涡轮机的部分的截面；
图2是可被用于图1的已知布置的喷嘴环的轴向视图；
图3是可被用于图1的已知布置的护罩的轴向视图；
图4示出了在图2的喷嘴环与图3的护罩之间的位置的关系；
图5示出了在本发明实施例中在叶片与护罩之间的第一可能的位置的关系；
图6示出了在本发明实施例中在叶片与护罩之间的第二可能的位置的关系；
图7示出了在本发明实施例中在叶片与护罩之间的第三可能的位置的关系；
图8示出了包括两个本发明实施例的销构件的涡轮机壳体；
图9由图9(a)-图9(c)组成，图9(a)-图9(c)是图8的销构件来自不同方向的透视图；
图10由图10(a)-10(b)组成，示出了图8的销构件与涡轮机壳体在使用时从不同方向被观察；
图11是图8的销构件在使用中的截面视图；和
图12图示了销构件的特定参数如何被限定。
具体实施例
参考图2，可以被用在图1的已知涡轮增压器中的喷嘴环被示出。喷嘴环在图1(a)中沿轴向方向从右边观察(该方向在此也被称为“从涡轮增压器的涡轮机端”)，在喷嘴环5和护罩6之间的位置被观察。
涡轮机叶轮9(在图2中未被示出，但在图1(a)中可见)和压缩机叶轮11(在图2中也未被示出，但图1(a)中可见)旋转围绕的轴的轴线被表示为100。
沿该轴向方向观察，基本上平面的环形喷嘴环5环绕轴线100。叶片7从喷嘴环5沿轴向方向突出。通过限定以轴线100为中心并穿过叶片7的轮廓的形心的圆70，我们可以将喷嘴半径71限定为圆70的半径。
气体在喷嘴环5和护罩6之间径向向内移动。在一些涡轮机中，叶片7的径向外表面是“高压力”表面，而叶片7的径向内表面是“低压力”表面。在其他涡轮机中，这些角色是相反的。
喷嘴环5通过致动器16(在图2中未被示出，但在图1(a)中可见)在由涡轮机壳体的部分60限定的环形空腔内(图2中也未被示出，但在图1(a)中可见)轴向移动。每个叶片7可选地是纵向对称的(即，其轮廓在沿轴向方向观察时可以在所有轴向位置中是相同的)，尽管在一些实施例中只有叶片7的部分是纵向对称的。
致动器经由两个轴向延伸的导向杆在喷嘴环5上施加力。在图2中，喷嘴环5的部分32被省略，使得可以观察在喷嘴环5和导向杆的第一个之间的连接。导向杆未被示出，但其中心位于被标记为61的位置。导向杆与从导向杆周向地延伸到任一侧的支架33(通常被称为“脚”)被一体形成。支架33包含两个圆形孔62、63。喷嘴环5的远离护罩6面向的表面形成有两个凸台34、64，所述凸台34、64从喷嘴环6突出。凸台34、64中的每一个具有圆形轮廓(沿轴向方向观察)。凸台34、64被相应地插入到孔62、63中，并且凸台34、64的尺寸被设定为使得凸台34基本上填满孔62，而凸台64比孔63窄。在凸台34和孔62之间的连接固定了喷嘴环5相对于支架33的周向位置(在典型的实现中，喷嘴环5和护罩6围绕轴线100的相对周向运动不超过0.05度)。然而，如果导向杆由于热膨胀而径向移动开，则在凸台64和孔63之间的间距允许支架33围绕凸台34轻微地旋转。为此，凸台34被称为“枢轴”。
在沿轴向方向观察时，连接到喷嘴环5的导向杆的第二个的位置被示出为31。在喷嘴环5和第二导向杆之间的连接是由于被一体附接到第二导向杆的第二支架(在图2中不可见)。第二支架以与支架33相同的方式被附接到喷嘴环5的后表面。第二支架的枢轴在位置35处。
孔24、25是设置在喷嘴环中用于压力均等的平衡孔。它们被设置以在喷嘴环上实现期望的轴向载荷(或力)。
面向喷嘴环5的是在图3中被图示的护罩6。图3是从喷嘴环5朝向护罩6(即朝向图1的右侧)观看的视图。护罩限定用于接收叶片7中的相应叶片的槽30(即，通孔)。每个槽的边缘是向内面向的横的(即，横向于轴线100)槽表面。应注意，在图7中，槽30未被图示为具有与图2的叶片7相同的轮廓，但通常相应轮廓确实具有基本上相同的形状，尽管槽的尺寸大于叶片。
图4是从喷嘴环5朝向护罩6(即朝向图1(a)的右侧)沿轴向方向观看的另一视图，示出了被插入相应的代表性槽30中的代表性叶片7。叶片7具有大致弓形(新月形状)的轮廓，尽管在其他形式中叶片基本上是平面的。具体地，叶片7具有更靠近叶轮的叶片内表面41。在沿轴向方向上观察时，叶片内表面41通常大致是凹形的，但可以可选择地是平面的。叶片7还具有更靠近涡轮机的排放气体入口的叶片外表面42。叶片内表面41和叶片外表面42中的每一个都是叶片的主表面。在沿轴向方向观察时，叶片外表面42通常是凸形的，但也可以是平面的。叶片7的主表面41、42面向大致相反的方向，并且由两个轴向延伸的端表面43、44连接，所述端表面43、44在沿轴向方向观察时每个都具有比表面41、42中的任一个更小的曲率半径。端表面43、44被相应地称为前边缘表面43和后边缘表面44。
在大多数布置中，叶片外表面42被布置成阻碍排放气体入口通道的运动，即在入口通道中的排放气体的运动使得引导排放气体抵靠叶片外表面。因此，叶片外表面42通常比叶片内表面41处于更高的压力，并且被称为“高压力”(或简称为“压力”)表面，而叶片内表面41被称为“低压力”(或“吸力”)表面。这些与限定槽30的边缘的向内面向的表面的对应部分相对，并且所述对应部分被给予相同的相应名称。
在一些可能的布置中，是叶片内表面41改变了气体流动的方向。在这种情况下，叶片内表面41通常处于比叶片外表面42处于更高的压力，并且被称为“高压力”(或简称为“压力”)表面，而叶片外表面42被称为“低压力”(或“吸力”)表面。同样，它们与限定槽30的边缘的向内面向的表面的对应部分相对，并所述对应部分被给予相同的相应名称。
在沿轴向方向观察时，每个叶片7具有从叶片的一端延伸到另一端的中线51(当沿轴向方向观察时，在叶片内表面41和叶片外表面42之间的中途)，并且该中线51线具有径向分量和周向分量。我们将叶片内表面41面向的槽的表面称为槽内表面46，并且将叶片外表面42面向的槽的表面称为槽外表面47。如图4所示，在叶片7的外围和槽30的表面之间存在基本上恒定宽度的间隙。该间隙包括四个部分：在叶片内表面41和槽内表面46之间；在叶片外表面42和槽外表面47之间；以及在叶片的前边缘表面43和后边缘表面44与在槽的边缘的相应的前部分49和后部分59之间。表面46、47、49和59一起构成限定槽的向内面向的槽表面。
转向图5，第一可能的位置布置被示出在本发明的实施例的涡轮机中的叶片和护罩槽之间。涡轮机具有在图1和2中所图示的形式，其中区别为在护罩中的叶片和/或槽是不同的形状和尺寸。在图5中，与图1至图4的元件对应的元件被给出大100的参考标记。因此，代表性叶片107被描绘在代表性槽130内。叶片外表面142面向槽外表面147，并且叶片内表面141面向槽内表面146。可选地，叶片107可以沿其整个长度纵向对称(即，在所有轴向位置中，在沿轴向方向观察时具有相同的轮廓)。在另一可能性中，仅叶片107的一部分可以是轴向对称的，例如包括当叶片107处于其最前进位置时可以被插入槽130中的部分。在这种情况下，在图5中所示出的叶片的部分是叶片的该轴向对称部分的一部分。叶片107与喷嘴环5被一体形成为一件式单元，例如通过铸造和/或机械加工形成为一件式单元。
与图4的已知叶片相对比，图5的叶片107在叶片内表面141和相对的槽内表面146之间具有更窄的间距。通过对比，在叶片外表面142和槽外表面147的对应部分147之间存在更宽的间隙。这意味着进入在外叶片表面142和槽外表面147之间的护罩凹部8的排放气体在很大程度上被防止离开在叶片内表面141和槽内表面146之间的护罩凹部。
为了鼓励这种效果，叶片表面和槽表面形成有共形部分145，所述共形部分145沿中线151的长度的至少约15％、至少约20％、至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％或至少约80％，或者甚至中线151的长度的至少约85％或90％延伸。如在图5中所图示的，在图5中的叶片表面的共形部分145包括基本上叶片内表面141的所有。叶片内表面141的轮廓(即，在沿轴向方向观察时的形状)和槽内表面146的对应部分彼此非常类似，使得它们可以以在它们之间的非常小的(例如可忽略不计的)间隙沿共形部分145的整个长度彼此抵靠放置。具体地，叶片内表面141的轮廓和槽内表面146的对应部分在室温下使得它们可以彼此抵靠定位，其中在它们之间的间隙(例如，横向于中线151)不超过喷嘴半径71的0.35％，并且优选不超过喷嘴半径71的0.2％或0.1％。平均起来在叶片表面的共形部分145上方，在叶片内表面141和槽内表面146之间的间隙不超过在叶片外表面142和槽外表面147之间的间隙的20％，或不超过10％。叶片的前边缘表面143与槽149的内表面的相应部分间隔开。
转向图6，第二可能的位置的布置被示出在本发明的实施例的涡轮机中的叶片207和护罩230槽之间。具有与在图5中相同含义的元件被给出大100的参考标记。叶片表面和槽表面形成有沿中线251的长度的至少约90％延伸的共形部分245。在图6中叶片表面的共形部分245包括基本上叶片内表面241的所有，并且也包括面向槽的前边缘表面249的叶片前端表面243的大部分。在室温下，叶片内表面241的轮廓和槽内表面246的对应部分在机械加工公差内基本上相同，使得它们可以彼此抵靠放置，其中沿着共形部分245的整个长度在它们之间基本上没有间隙。在叶片207的外表面242和槽230的面向部分247之间具有间隙。
转向图7，第三可能的位置的布置被示出在本发明的实施例的涡轮机中的叶片307和护罩槽330之间。在该布置中，叶片307的共形部分345在叶片外表面342处，并且类似地，槽330的共形部分345在槽外表面347处。叶片307的共形部分345包括叶片307的大部分外表面342，所述叶片307的大部分外表面342沿中线351的长度的至少90％依靠槽外表面347。它还包括依靠槽边缘的对应部分359的后表面344，直到中线351与后表面344的交点的径向向内的位置。该位置的布置通过基本上防止在叶片外表面342和槽外表面347之间的气体泄漏来阻碍气体从叶片307的外表面342流动到内表面343。
在图5、图6和图7的位置的关系中，如果在叶片107、207、307和护罩之间具有不同的热膨胀(例如，因为它们由不同的材料形成和/或经历不同的温度)，则叶片107、207、307的共形部分可以被迫使抵靠槽内表面146、246或槽外表面347。然后，在它们之间的摩擦力可以防止叶片相对于护罩的轴向运动。然而，即使如在图1的系统中，喷嘴环和护罩被安装在“固定”角度位置中，然后在系统中会有一定的自由度(例如，由于喷嘴环5到图2中所图示的杆的联接，喷嘴环可以具有一定的固有自由度，以围绕轴线100旋转)，并且通过实验我们已经发现这可以达到0.05°。这会允许叶片107、207、307从槽的表面的共形部分缩回一定跨度。然而，这种缩回的跨度将会被限制，并且由于它取决于部件的公差，因此从一个涡轮机单元到另一涡轮机单元可能是不一致的。为此，护罩6至少通过大于0.05°并且通常大于至少0.1°的一定轴向区间可围绕旋转轴线旋转。然而，不期望护罩相对于涡轮机壳体完全自由地旋转，例如因为它可能会导致在护罩和涡轮机壳体之间的磨损。
本发明的实施例的销构件现在将被描述，并且所述销构件用于涡轮机中，在所述涡轮机中，护罩被布置成关于涡轮机壳体围绕涡轮机的旋转轴线相对地旋转。该类型的至少一个销构件被设置在涡轮机中以限制护罩的旋转区间。
参考图8，涡轮机壳体51被示出为与两个销构件52结合。如下所述，每个销构件52包括圆柱形主体，所述圆柱形主体插入到涡轮机的表面内的对应成形孔中，所述孔面向平行于涡轮机的旋转轴线的方向。
图9(a)-(c)从三个不同的视角示出了销构件52。销构件52包括圆柱形主体53和头部部分54。圆柱形主体具有在使用中基本上平行于涡轮机的旋转轴线的中心“销”轴线60。头部部分54具有横向于销轴线60的头部表面55。头部表面55大致是L形的，并包括第一大致矩形部分56和第二大致矩形部分57并且可以基本上由第一大致矩形部分56和第二大致矩形部分57组成。第一矩形部分56的面积大于第二矩形部分57的面积。第二矩形部分57在第二方向y上比第一矩形部分55更远。第二方向横向于销轴线60，并且在使用中被布置成从涡轮机的旋转轴线径向延伸。应注意，从视图的另一点，头部部分54可以被视为是立方形体减去大致立方形凹部75。销构件52的任何或所有边缘和拐角被斜切、倒圆或以其他方式弄平滑以避免尖锐拐角；本文对表面的参考忽略了这种影响，并将表面视为仿佛它们延伸到尖锐拐角。
销构件52可以通过模制形成，优选地通过在销构件52内不产生跃迁(界面)的工艺形成。模制材料可以是钴合金。
圆柱形主体的直径可以基于从旋转轴线到销轴线60的距离(即，节圆直径(PCD)的一半)来选择。通过实验，已经发现为销提供足够强度而不需要不必要的材料的圆柱形主体的直径d由d＝A×PCD以在10％的精度之内给出，其中A＝0.035。例如，在PCD为115mm的情况下，圆柱形主体可以具有基本上4mm的直径，例如在0.4mm的精度内的4mm。
矩形部分56、57均被基本上平坦的定位表面58界定。与定位表面57相对的头部部分的表面是限制表面59，所述限制表面59形成第一矩形部分55的一侧。限制表面可以平行于销轴60被平移地对称。
定位表面58和限制表面59沿在图9(c)中的x所示的第一方向被间隔开。第一方向横向于定位表面58、销轴线60和第二方向y。
转向图10(a)，在使用中，销构件52的圆柱形主体53被插入涡轮机壳体的轴向面向表面61的大致圆柱形孔71中，仅留下销构件52的头部部分54被暴露。在该配置中，销轴线60与涡轮机的旋转轴线重合，使得两个方向都被称为“轴向”。第二方向y可以沿远离涡轮机的旋转轴线的径向方向延伸，而第一方向x可以围绕旋转轴线周向地延伸。因此，定位表面58如限制表面59那样，至少在其距定位表面58最远的点73处大致周向地面向。
图10(b)是在插入孔71中的销构件52处沿轴向方向看的视图。在该视图中图示了护罩70的两个护罩边沿部分62、72。护罩70可围绕涡轮机轴线旋转，并且具有用于冲击销构件52的限制表面59的限制表面63。应注意，护罩70的旋转通过其与叶片的碰撞被额外限制，因此护罩70不会冲击销构件52的头部部分54的定位表面58。
护罩70在护罩边沿部分62、72之间限定间隙65。销构件52的头部部分54位于该间隙中。因此，销构件52防止护罩70沿在图10(b)中所观察的逆时针方向旋转超过一定角度量。应注意，这实现而不需要护罩边沿部分62、72的形状中的高公差。这是因为间隙65的精确周向跨度不相关。假设间隙65显著大于销构件54的头部部分54的周向跨度(例如至少大于50％)，则当护罩70被附接到涡轮机壳体1时，销构件52可以方便地被插入到孔71中；或者相反地，当(一个或多个)销构件52已经插入到(一个或多个)孔71中时，护罩70可以被方便地组装到涡轮机壳体上。只有护罩边沿部分62的表面63冲击销构件52的限制表面59。
图11是当涡轮机壳体支撑护罩70时涡轮机壳体的截面视图。轴承壳体和喷嘴环被省略。护罩70的径向内部分限定了具有内环形壁66和外环形壁67的支架。在环形壁66、67之间被定位有保持环68。保持环68径向向内延伸出在环形壁66、67之间的间隙，并且其内部分由涡轮机壳体的环形唇部69保持。已经发现，通过在护罩70的径向内部分设置保持环68，在护罩70的径向内边缘处提供对于气体泄漏的极好的阻力。
销构件的圆柱形主体53被插入到由涡轮机壳体限定的对应的孔71中。腔室72设置在孔71的内部分，以防止在涡轮机的操作期间任何截留气体的压力变得过高，并由此将销52从孔71中排出。
转向图12，限定了参数H1、H2、W1、W2和R，其中R是限制表面59的曲率半径。距离W1从基本上平坦的定位表面58，沿横向第一方向x，到限制表面59上的距定位表面58最远的点73被测量。圆柱形限制表面59在点73处的曲率半径为R。R沿第一方向x大于销构件的头部部分的跨度W1。W1沿第一方向x大于销构件52的较小矩形部分头部部分57的跨度W2。
理想地，
Figure BDA0003638458230000151

Claims (16)

1.一种适于限制护罩相对于涡轮机壳体旋转运动的销构件，所述销构件包括限定销轴线的大致圆柱形主体以及在所述圆柱形主体的一端处的头部部分，所述头部部分与圆柱形主体一体形成，使得所述头部部分和所述圆柱形主体一起形成一件式单元，
所述头部部分具有限制表面和相反的定位表面，所述限制表面用于在使用中承靠所述护罩的表面并限制其旋转运动，所述定位表面用于定位所述销构件，所述限制表面和所述定位表面沿第一方向彼此间隔开；
所述销构件的所述头部部分具有横向于所述销轴线的头部表面，所述头部表面在一侧以所述限制表面为边界，在另一侧以所述定位表面为边界，
所述限制表面沿横向于第一方向和所述销方向的第二方向的跨度H1小于所述定位表面沿第二方向的跨度H2。
2.根据权利要求1所述的销构件，其中，所述头部表面基本上由两个大致矩形部分组成，其中所述矩形部分的第一个沿所述第二方向比所述矩形部分的第二个更远，所述矩形部分的第一个具有比所述矩形部分的第二个更大的面积，所述第一矩形部分和第二矩形部分均由定位表面界定。
3.根据权利要求2所述的销构件，其中，所述销构件的所述头部部分沿第一方向具有比在所述第二矩形部分沿所述第一方向的跨度W2更大的跨度W1。
4.根据前述权利要求中任一项所述的销构件，其中，所述限制表面是凸形的。
5.根据权利要求4所述的销构件，其中，所述限制表面具有平行于所述销轴线的平移对称性，所述限制表面具有曲率半径R。
6.根据权利要求5所述的销构件，其中，所述限制表面的曲率半径R大于所述销构件的所述头部部分沿第一方向的跨度W1。
7.根据从属于权利要求3时的权利要求5或权利要求6所述的销构件，其中W1、W2、H1、H2和R满足公式：
Figure FDA0003638458220000011
8.根据前述权利要求中任一项所述的销构件，其中，所述销构件没有内部跃迁。
9.根据前述权利要求中任一项所述的销构件，所述销构件由包含钴的合金构成。
10.根据前述权利要求中任一项所述的销构件，其中，所述圆柱形主体具有基本上4mm的直径。
11.一种用于涡轮机并且限定在使用中是涡轮机的旋转轴线的中心轴线的涡轮机壳体以及根据权利要求1至10中任一项所述的至少一个销构件的组合。
12.根据权利要求11所述的组合，其中，每个销构件位于所述涡轮机壳体的对应的孔中。
13.根据权利要求11所述的组合，其中，所述销构件具有圆形截面，所述圆形截面具有由d＝A×PCD给出的在10％的精度内的直径d，其中，A＝0.035并且PCD是所述销轴线到所述中心轴线的距离的两倍。
14.根据权利要求12或13所述的组合，其中，所述销构件没有填满所述孔的腔室，由此当所述销构件的圆柱形主体位于所述孔中时，被截留在所述孔内的任何气体的压力被降低。
15.一种涡轮机，包括根据权利要求11至14中任一项所述的组合以及被安装在所述涡轮机壳体内的涡轮机叶轮。
16.一种涡轮增压器，包括根据权利要求15所述的涡轮机和由所述涡轮机驱动的压缩机。
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