CN106121737A - 带有一体式旁通机构的可变叶片涡轮机喷嘴的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带有一体式旁通机构的可变叶片涡轮机喷嘴的涡轮增压器，更具体地，涡轮增压器包括可变涡轮机喷嘴，其限定在喷嘴环和管凸缘之间，并具有多个周向隔开的叶片，其旋转式安装在喷嘴环上以使得叶片可枢转。每个叶片包括翼型段和刚性地贴附到翼型段的末端的盘形段，所述盘形段设置成抵靠管凸缘的面，每个盘形段具有多个穿过其轴向延伸的穿孔。管凸缘具有用于叶片的每个盘形段的相应数量的孔洞，所述孔洞被定位以使得当旋转每个叶片时盘形段中的穿孔和插入件的管凸缘转的孔洞在叶片的一些位置中对准，从而允许排气在喷嘴和管凸缘的与喷嘴相对的一侧上的空间之间穿过。

Description

带有一体式旁通机构的可变叶片涡轮机喷嘴的涡轮增压器

技术领域

本申请一般涉及用于内燃发动机的涡轮增压器，且更特别地涉及排气驱动的涡轮增压器，其在用于涡轮机的喷嘴中具有可变叶片组件以便调节流入涡轮机中的排气流。

背景技术

排气驱动的涡轮增压器利用涡轮机抽取来自内燃发动机的排气流中的功率并用该功率驱动压缩机以便提高供应到汽缸的空气的压力。因为对增压的程度进行控制常常是所需的，所以通常利用涡轮机中某种类型的可变几何机构以用于调节流到涡轮机轮的排气的流量。一种类型的可变几何机构利用设置在涡轮机喷嘴中的可移动叶片阵列，排气穿过所述涡轮机喷嘴被送到涡轮机轮。叶片可围绕各自的枢转轴线枢转以便改变有效的流动面积和用于排气流流入涡轮机轮中的流向。

在一些这种可变叶片组件中，叶片枢转地安装到形成涡轮机喷嘴的一个壁的喷嘴环。喷嘴的相对壁有时通过涡轮机壳体自身形成，或可替换地可通过管或插入件形成，所述管或插入件单独由涡轮机壳体形成并安装在涡轮机壳体中。本公开主要涉及后一种类型的可变叶片组件。

VNT涡轮增压器通常在空气动力方面被确定尺寸，以允许全部的发动机排气流穿过涡轮增压器涡轮机级。为了阻止超增压问题（过多的增压压力和/或过多的涡轮增压器轴杆速度），涡轮机级必须比用于最佳的操作条件所需的情况较大。

发明内容

本公开描述涡轮增压器可变叶片组件，其具有用于允许排气在高流量条件下绕过涡轮机轮的特征。本文所述的组件结合VNT涡轮增压器的可变喷嘴功能和单一运动机构中的旋转旁通设备的旁通容量。

根据本文所公开的一个实施例，涡轮增压器包括压缩机，其包括压缩机壳体和设置在压缩机壳体中的压缩机轮，涡轮机壳体，其限定穿过涡轮机壳体轴向延伸的孔并限定排气入口和经由排气入口接收排气的环形蜗壳，所述蜗壳围绕孔周向延伸，以及涡轮机轮，其设置在涡轮机壳体内且被布置以用于从蜗壳接收排气并使排气膨胀且将排气排到孔中，所述压缩机轮和所述涡轮机轮贴附到轴杆的相对端。

涡轮机包括从蜗壳大体径向向内延伸到涡轮机轮的涡轮机喷嘴，所述涡轮机喷嘴被限定在第一壁和与第一壁轴向隔开的第二壁之间。

涡轮增压器还包括可变叶片组件，其包括固定的喷嘴环和多个周向隔开的叶片，其旋转式安装在喷嘴环上以使得叶片每个围绕各自的叶片枢转轴线可旋转，所述喷嘴环限定涡轮机喷嘴的第一壁。每个叶片包括设置在喷嘴中的翼型段和刚性地附接到邻近喷嘴环的翼型段的第一端并从所述第一端突出的轴，所述轴被接收在喷嘴环中的孔洞内以使得轴在孔洞内可旋转以用于叶片的枢转。

管或插入件具有密封地被接收到涡轮机壳体的孔中的管状管段和从管段的一端大体径向向外延伸的管凸缘，所述管凸缘形成涡轮机喷嘴的第二壁并与喷嘴环轴向隔开以使得叶片在喷嘴环和管凸缘之间延伸。

每个叶片包括刚性地贴附到翼型段的第二端的盘形段，所述盘形段设置成抵靠插入件的管凸缘的面。每个盘形段具有穿过其轴向延伸（即，在叶片枢转轴线的方向上）的多个穿孔。插入件的管凸缘具有用于叶片的每个盘形段的相应数量的孔洞，所述孔洞被定位以使得当旋转每个叶片时，盘形段中的穿孔和插入件的管凸缘中的孔洞对准。穿孔和孔洞的定位是这样的以使得两个特征仅从叶片的大约半打开位置到完全打开位置对准。这允许过多的气流被涡轮机级容纳。

在一个实施例中，当盘形段穿孔和管凸缘孔洞对准时，排气从涡轮机壳体蜗壳穿过对准的穿孔和孔洞，从与叶片相对的管凸缘的一侧流动，并在基本正交于流经叶片的排气流的方向上进入涡轮机喷嘴中。这中断流经叶片的气流并降低涡轮机级效率，从而反过来降低轴杆速度并限制增压压力。

在另一实施例中，存在插入件的管段和管凸缘之间附接的额外的密封护罩部件以便形成与管凸缘中的孔洞连通的基本密封的室。插入件的管段包括在密封室和涡轮机轮下游的涡轮机壳体孔之间提供连通的大体径向孔洞。因此，当盘形段穿孔和管凸缘孔洞对准时，流经喷嘴的一部分排气可穿过对准的穿孔和孔洞进入密封室中，且然后从密封室穿过径向孔洞进入孔中。这降低流经涡轮机轮的气流，从而反过来降低轴杆速度并限制增压压力。

附图说明

已经概括地描述了本公开，现在参考附图，所述附图不一定按比例绘制，且其中：

图1是根据本发明的第一实施例的涡轮增压器的截面图；

图2是在图1的涡轮增压器中使用的可变叶片组件的透视图；

图3类似于图2，但护罩部件从可变叶片组件中移除以示出内部细节；

图4A是在图2的可变叶片组件中使用的叶片、轴，和臂组件的透视图；

图4B是图4A的叶片、轴，和臂组件的另一透视图；

图4C是图4A的叶片、轴，和臂组件的端视图；

图5是图2的可变叶片组件的轴向截面图；

图6是图2的可变叶片组件的轴向端视图，但护罩部件被移除以示出内部细节；

图7是根据本发明的第二实施例的可变叶片组件的轴向截面图；

图8是根据第二实施例的可变叶片组件的透视图。

具体实施方式

参考上述附图，现在将更全面详细描述本公开，所述附图描述本公开所属的本发明的一些实施例而不是所有实施例。这些发明可以各种形式实施，包括本文没有明确描述的形式，且不应被解释为受限于本文所述的特定示例性实施例。在下面描述中，相似的数字在全文中指相似的元件。

图1示出根据本发明的一个实施例的涡轮增压器10。涡轮增压器包括具有压缩机轮的压缩机12或安装在可旋转轴杆18的一端上的压缩机壳体16中的叶轮14。轴杆在轴承（没有具体示出）中被支撑，所述轴承安装在涡轮增压器的中心壳体20中。轴杆18通过安装在来自压缩机轮的轴杆18的另一端上的涡轮机轮22旋转，从而旋转地驱动压缩机轮，这压缩通过压缩机入口被吸入的空气并输送压缩空气到内燃发动机（未示出）的入口以用于提高发动机的性能。

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蜗壳26，其包围涡轮机轮并从内燃发动机接收排气以用于驱动涡轮机轮。排气从蜗壳26大体径向向内穿过涡轮机喷嘴28引导到涡轮机轮22。当排气流经涡轮机轮的叶片30之间的通道时，气体膨胀到较低压力，且从轮排出的气体穿过其中的大体轴向孔32离开涡轮机壳体。

涡轮机喷嘴28是可变喷嘴，其用于改变穿过喷嘴的截面流动面积以便调节流入涡轮机轮中的流量。喷嘴包括围绕喷嘴周向隔开的多个叶片34。参考图1和图4A至图4C，每个叶片贴附到穿过大体环形喷嘴环38中的孔隙的轴35，所述喷嘴环38相对于涡轮机轮22共轴安装。每个轴35围绕其轴线可旋转以用于旋转附接的叶片。喷嘴环38形成喷嘴28的流道的一个壁。轴的每个具有贴附到轴的末端的叶片臂40，所述轴的末端从喷嘴环38向外突出并通过大体环形调和环42（也称为致动器环）接合，所述调和环42围绕其轴线可旋转并与喷嘴环38共轴。致动器（未示出）连接到调和环42以用于围绕调和环的轴线旋转调和环。当旋转调和环42时，叶片臂40被旋转以引起轴35围绕它们的轴线旋转，从而旋转叶片34以便改变穿过喷嘴28的截面流动面积。

在所示实施例中，可变叶片机构以筒体50的形式提供，所述筒体50可安装到作为单元的涡轮机增压器中且可从所述涡轮增压器中移除。图2中单独示出的筒体50包括喷嘴环38、叶片34、轴35、叶片臂40，和调和环42。筒体还包括管或插入件52，其具有密封地被接收到涡轮机壳体的孔32的一部分32a中的管段54和从管段54的一端大体径向向外延伸的管凸缘56，所述管凸缘56与喷嘴环38轴向隔开以使得叶片34在喷嘴环38和管凸缘56之间延伸。涡轮机壳体的孔部分32a具有一半径，该半径以略大于插入件52的管段54的径向厚度的量超过其余的孔32的半径。管段54的径向外表面具有至少一个周向凹槽，其中密封环（未示出）被保持以用于密封地接合孔部分32a的内表面。有利地，插入件的管段54的外直径略小于孔部分32a的内直径，以使得微小的间隙被限定其间，且仅密封环与孔部分32a的内表面接触。此外，在管段54的末端和孔部分32a的末端处的涡轮机壳体的邻近的末端之间存在间隙60。这样，插入件52与涡轮机壳体24断开机械联接并断开热联接。

进一步参考图2，多个垫片57在插入件52的管凸缘和喷嘴环38之间连接以用于固定喷嘴环到插入件并维持插入件的管凸缘和喷嘴环之间所需的轴向间距。有利地，垫片由具有良好的高温机械特性和相对低的热导率的材料形成，诸如不锈钢（例如，310级不锈钢）或等等，以使得喷嘴环38和插入件52彼此有效地断开热联接。

可变叶片筒体50还包括被夹在中心壳体20和涡轮机壳体24之间的大体环形固定环64（图1）。固定环64形成为与插入件52分离的部分且与插入件断开机械联接并断开热联接。更具体地，固定环包括环形环，其在其径向内侧处具有环形的径向向内延伸的突出，其接合面朝插入件52的喷嘴环38的表面。突出和喷嘴环38之间的接合优选沿喷嘴环的完整的360º圆周以便基本密封固定环和喷嘴环之间的接口并且有助于垫片限制相对于朝向插入件52的方向上的轴向移动的喷嘴环。有利地，在固定环的内周边和喷嘴环的对立表面之间存在径向间隙。该间隙容纳喷嘴环相对于固定环的径向移置，诸如通过差热生长或其它原因可发生。此外，在固定环的外周边和涡轮机壳体的对立表面之间存在径向间隙。

筒体50还包括热护罩80，当筒体安装到中心壳体上时，所述热护罩80受约束地保持在喷嘴环38和中心壳体20之间。热护罩80在喷嘴环和中心壳体之间提供密封以阻止热排气在这些部分之间迁移到叶片臂40和调和环42设置其中的空腔中。有利地，热护罩80是有弹性的弹性材料，诸如弹簧钢或等等，且护罩被配置以使得其在喷嘴环38和中心壳体20之间的轴向方向上被压缩，以使得护罩的恢复力稳稳地推进护罩紧贴喷嘴环和中心壳体的表面以基本紧贴这些表面密封。

参考图2至图5，且尤其参考图4A和图4B，每个叶片34包括设置在涡轮机喷嘴中的翼型段34a和刚性地附接到邻近喷嘴环38的翼型段34a的第一端并从所述第一端突出的轴35。轴分别被接收到喷嘴环38内的孔洞中以使得轴在孔洞内可旋转以用于叶片围绕叶片枢转轴线枢转。每个叶片还包括刚性地贴附到翼型段34a的第二端的盘形段34a，所述盘形段设置成抵靠插入件的管凸缘56的面。每个盘形段具有穿过其轴向延伸的多个穿孔36。插入件的管凸缘56具有用于叶片的每个盘形段34d的相应数量的孔洞59。孔洞59被定位以使得当旋转叶片34时，盘形段34d中的穿孔36和插入件的管凸缘56中的孔洞59在叶片的一些位置中对准，从而允许排气在喷嘴28和管凸缘56的与喷嘴相对的一侧上的空间之间穿过。

具体地，在图1至图6的第一实施例中，可变叶片组件包括在管凸缘56和插入件的管段54之间附接的额外的密封护罩部件90，以便形成与管凸缘中的孔洞59连通的基本上密封的室92。插入件的管段54包括在密封室92和涡轮机轮22下游的涡轮机壳体孔32之间提供连通的径向孔洞55。在下面的描述和权利要求中，参考径向孔洞55的短语“涡轮机轮的下游”意指孔洞55位于涡轮机轮的喉部（即，最小流量面积部分）的下游。因此，孔洞55可为涡轮机轮的任一部分的下游，或孔洞可定位在如所示实施例中的轮的出口导风轮处（比较图1和图5）。当盘形段穿孔36和管凸缘孔洞59对准时，流经喷嘴28的一部分排气可穿过对准的穿孔和孔洞进入密封室92中，且然后从密封室穿过径向孔洞55进入孔32中。这降低经过涡轮机轮的排气的流速，从而反过来降低轴杆速度并限制由涡轮增压器的压缩机提供的增压压力。

穿孔36和孔洞59可被定位以使得穿孔与孔洞从叶片34的大约半打开位置到完全打开位置对准。叶片34的完全闭合位置对应于穿过喷嘴28的最小流动面积，完全打开位置对应于穿过喷嘴的最大流动面积，且半打开位置在完全闭合位置和完全打开位置之间的中间。因此，当叶片在完全闭合和半打开位置之间时，基本上没有排气绕过涡轮机轮。当叶片到达半打开位置时，一些排气开始绕过涡轮机轮，且在越过半打开位置的某个点处，穿孔和孔洞完全对准以最大化可用于排气绕过涡轮机轮的旁通流面积。

图7和图8示出本发明的第二实施例。第二实施例基本类似于第一实施例，但以不同的方式操作。具体地，流经对准的穿孔36和孔洞59的排气流的方向与第一实施例的相反。这是因为第一实施例的护罩部件90在第二实施例中被省略。因此，管凸缘56的后侧暴露于涡轮机蜗壳26中的排气，且管凸缘的后侧处的排气基本滞留。结果，管凸缘56的后侧上的排气的静压比管凸缘的喷嘴侧上的排气的静压高，因为喷嘴侧上的排气穿过喷嘴28流到涡轮机轮。因此，当盘形段穿孔36与管凸缘孔洞59对准时，排气从涡轮机壳体蜗壳26穿过对准的穿孔和孔洞，从与喷嘴相对的管凸缘的后侧流动，且在基本正交于流经叶片34的排气的方向上进入喷嘴28（图7右到左），以便中断流经叶片的流量且因此引起涡轮机级效率降低。这反过来降低轴杆速度并限制由涡轮增压器的压缩机提供的增压压力。

基于本公开，本领域技术人员将意识到在不偏离本文所述的发明构思的情况下可做出本文所述的本发明的修改和其它实施例。本文所用的具体术语被采用以用于说明性目的而不是限制的目的。因此，本发明不限于公开的具体实施例，且修改和其它实施例旨在包括在所附权利要求的范围内。

Claims (4)

1.一种涡轮增压器，包括：

压缩机，其包括压缩机壳体和设置在所述压缩机壳体内的压缩机轮；

涡轮机壳体，其限定穿过所述涡轮机壳体轴向延伸的孔并限定排气入口和经由所述排气入口接收排气的环形蜗壳，所述蜗壳围绕所述孔周向延伸，且涡轮机轮设置在所述涡轮机壳体内并被布置以用于从所述蜗壳接收排气并使排气膨胀并将排气排到所述孔中，所述压缩机轮和所述涡轮机轮贴附到轴杆的相对端；

涡轮机喷嘴，其从所述蜗壳大体径向向内延伸到所述涡轮机轮，所述涡轮机喷嘴被限定在第一壁和与所述第一壁轴向隔开的第二壁之间；

可变叶片组件，其包括固定的喷嘴环和多个周向隔开的叶片，所述叶片旋转式安装在所述喷嘴环上以使得所述叶片各自能够围绕各自的叶片枢转轴线旋转，所述喷嘴环限定所述涡轮机喷嘴的所述第一壁，每个叶片包括设置在所述喷嘴中的翼型段和刚性地附接到邻近所述喷嘴环的所述翼型段的第一端并从所述第一端突出的轴，所述轴分别被接收到所述喷嘴环中的孔洞内以使得所述轴能够在所述孔洞内旋转以用于使所述叶片围绕所述叶片枢转轴线枢转，

插入件，其具有密封地被接收到所述涡轮机壳体的所述孔内的管段和从所述管段的一端大体径向向外延伸的管凸缘，所述管凸缘形成所述涡轮机喷嘴的所述第二壁并与所述喷嘴环轴向隔开以使得所述叶片在所述喷嘴环和所述管凸缘之间延伸；

其中每个叶片包括刚性地贴附到所述翼型段的第二端的盘形段，所述盘形段设置成抵靠所述插入件的所述管凸缘的面，每个盘形段具有沿轴向延伸穿过所述盘形段的多个穿孔，所述插入件的所述管凸缘针对所述叶片的每个盘形段具有相应数量的孔洞，所述孔洞被定位以使得当旋转所述叶片时所述盘形段中的所述穿孔和所述插入件的所述管凸缘中的所述孔洞在所述叶片的一些位置中对准，从而允许排气在所述喷嘴和所述管凸缘的与所述喷嘴相对的一侧上的空间之间穿过。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述穿孔和所述孔洞被定位以使得所述穿孔与所述孔洞仅从所述叶片的大约半打开位置到完全打开位置时对准。

3.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中当所述穿孔和所述孔洞对准时，排气从所述涡轮机壳体蜗壳穿过所述对准的穿孔和孔洞，从与所述喷嘴相对的所述管凸缘的一侧流动，并在基本正交于流经所述叶片的排气的方向上进入所述喷嘴中，以便中断流经所述叶片的流量且因此引起涡轮机级效率降低。

4.如权利要求1所述的涡轮增压器，还包括额外的密封护罩部件，其附接在所述管凸缘和所述插入件的所述管段之间以便形成与所述管凸缘中的所述孔洞连通的基本上密封的室，所述插入件的所述管段包括在所述密封室和所述涡轮机轮下游的所述涡轮机壳体孔之间提供连通的径向孔洞，以使得当所述盘形段穿孔和管凸缘孔洞对准时，流经所述喷嘴的一部分所述排气能够穿过所述对准的穿孔和孔洞进入所述密封室中，且然后从所述密封室穿过所述径向孔洞进入所述孔中。