專利名稱：可變噴嘴渦輪增壓器的改進葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及可變幾何結(jié)構(gòu)渦輪增壓器，尤其涉及一種對配置在可改噴嘴渦輪增壓器的渦輪殼體內(nèi)的若干空氣動力擺動葉片的葉片結(jié)構(gòu)的改進，以改善葉片工作，并延長葉片/渦輪增壓器的使用壽命。
背景技術(shù)：
汽油和柴油內(nèi)燃機的渦輪增壓器是該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)公知的裝置，用以利用自發(fā)動機排火的廢氣熱量和容積流對按規(guī)定路線流到發(fā)動機燃燒室的進氣流進行增壓或提高壓力。具體地說，自發(fā)動機排出的廢氣按規(guī)定路線流入渦輪增壓器的渦輪殼體內(nèi)，使廢氣驅(qū)動渦輪在該殼體內(nèi)轉(zhuǎn)動。該廢氣驅(qū)動渦輪被安裝在一根公用軸的一端，一徑流空氣壓縮機被安裝在其另一端，安置在一壓縮機殼體內(nèi)。這樣，渦輪的轉(zhuǎn)動也使該空氣壓縮機在渦輪增壓器的與渦輪殼體分隔的壓縮機殼體內(nèi)轉(zhuǎn)動。該空氣壓縮機的轉(zhuǎn)動促使進氣進入該壓縮機殼體，并在發(fā)動機燃燒室內(nèi)與燃料混合并燃燒之前被增壓或提高到所希望的壓力值。
在渦輪增壓器內(nèi)，常常希望控制流到渦輪的廢氣流量，以改善渦輪增壓器的效率或運轉(zhuǎn)范圍。已將可變幾何結(jié)構(gòu)渦輪增壓器構(gòu)造得滿足這種需求。這種可變幾何結(jié)構(gòu)渦輪增壓器是一種具有可變排氣噴嘴的渦輪增壓器，被稱作可變噴嘴渦輪增壓器。在可變噴嘴渦輪增壓器中已采用不同的可變噴嘴構(gòu)形來控制廢氣流量。在這種可變噴嘴渦輪增壓器中，為達到廢氣流量控制而采用的一種方法包括采用沿渦輪進口周圍成環(huán)形布置的若干擺動葉片。這些擺動葉片被共同控制，以改變這些葉片之間流道的喉口面積，從而起到控制進入渦輪的廢氣流量的作用。
為確保這些可變噴嘴渦輪增壓器正確而可靠的運轉(zhuǎn)，各片葉被構(gòu)形和裝配得能按照所需要的廢氣流量控制動作而在渦輪殼體內(nèi)自由地改變位置或擺動是重要的。由于這些擺動葉片在渦輪增壓器運轉(zhuǎn)期間經(jīng)受數(shù)百萬個高溫循環(huán)，因此要求任何這種擺動機構(gòu)在這種循環(huán)溫度狀態(tài)下能夠重復(fù)地起作用，而不容忍任何與循環(huán)溫度有關(guān)的材料或機構(gòu)問題或故障。
已知的多葉片可變噴嘴渦輪增壓器包含一些各自被構(gòu)形成具有一根自其向外伸出的軸的葉片，每根這樣的軸被安裝在渦輪殼體或噴嘴壁相應(yīng)的軸孔內(nèi)。雖然這些葉片被共同作動，在相應(yīng)的軸孔內(nèi)與它們的軸一些擺動，然而，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，這種通常的葉片連接和擺動機構(gòu)并不是沒有問題的。
例如，為確保該葉片軸相對于軸孔自由地擺動，該軸最好自葉片上垂直伸出，從而避免受到不希望的對葉片擺動的約束，否則會受到損壞，這是重要的。其次，為確保葉片軸的垂直，常常需要校直或機加工作業(yè)，這種二次作業(yè)可能要雙倍耗時而昂貴的。此外，這種葉片連接和擺動機構(gòu)當被作動時能在葉片軸上產(chǎn)生高的懸臂負荷，這又會削弱葉片的自由擺動，并最終導(dǎo)致葉片材料或機械破壞。
因此，希望構(gòu)制一種葉片擺動，供可變噴嘴渦輪增壓器一起使用，以獲得比普通葉片擺動機構(gòu)高的葉片運轉(zhuǎn)可靠性。
發(fā)明概述體現(xiàn)本發(fā)明的可變幾何結(jié)構(gòu)渦輪增壓器包括一個具有一廢氣進口和一出口的渦輪殼體，一個連于該進口的蝸殼和一個鄰近該蝸殼的整體噴嘴外壁。一渦輪被支承在渦輪殼體內(nèi)并和一根軸相連接。若干葉片被配置在渦輪殼體內(nèi)，每一葉片有一個孔，經(jīng)葉片軸向表面大致平行于噴嘴外壁延伸到葉片內(nèi)，每一孔接納自噴嘴外壁向外伸出的相應(yīng)支柱，該葉片還具有自與這些孔反向的葉片軸向表面延伸的作動片。一環(huán)形調(diào)節(jié)環(huán)沿軸向配置在這些葉片的相鄰處，該環(huán)具有若干槽，每一槽容納一相應(yīng)的作動片。通過葉片對支柱的擺動，使該環(huán)轉(zhuǎn)動以完成這些片在相應(yīng)槽內(nèi)的位置改變，其中，這些片在槽內(nèi)的這種位置改變，使這些葉片相對于渦輪軸徑向移動。
附圖簡介參照下列附圖，會更清楚地理解本發(fā)明，其中

圖1是采用普通葉片的可變幾何結(jié)構(gòu)渦輪增壓器的渦輪殼體的分解等角投影圖；圖2是表示在葉片上與作動葉接合的環(huán)和槽的頂視圖；圖3是體現(xiàn)本發(fā)明的葉片和支柱的細圖；圖4是體現(xiàn)本發(fā)明的葉片和作動片的細圖；圖5是表示葉片內(nèi)部要點的體現(xiàn)本發(fā)明的葉片的細圖；本發(fā)明詳述一可變幾何結(jié)構(gòu)或可變噴嘴渦輪增壓器大致包括一中央殼體，其一端連接一渦輪殼體，而其另一端連接一壓縮機殼體。在包含在該中央殼體內(nèi)的一支承總成內(nèi)配置著一根軸，可以轉(zhuǎn)動。一渦輪或渦輪葉輪連接在一軸端，并被支承在該渦輪殼體內(nèi)，一壓縮機葉輪連接在相反的軸端，并被支承在壓縮機殼體內(nèi)。該渦輪和壓縮機殼體均用穿過該相鄰殼體間的螺栓連接于殼體。
圖1表示一已知可變噴嘴渦輪增壓器10的一部分，該渦輪增壓器包括一渦輪殼體12，殼體12具有一個用以接收廢氣流的標準的進口14和一個用以將廢氣引導(dǎo)到發(fā)動機排氣系統(tǒng)的出口16。一蝸殼連接于該廢氣進口，一整體噴嘴外壁在該蝸殼附近合并成渦輪殼體鑄件。在該渦輪殼體內(nèi)支承著一渦輪葉輪和軸總成18。供給渦輪增壓器的廢氣或其它高能氣體經(jīng)進口進入渦殼，并經(jīng)該蝸殼分配到渦輪殼體內(nèi)，以便經(jīng)一圓周噴嘴入口20基本上徑向進入到渦輪葉輪內(nèi)。
利用自葉片向外垂直伸出的軸26，將多個葉片22安裝到被加工成渦輪殼體的噴嘴壁24上。這些軸26可轉(zhuǎn)動地接合在噴嘴壁上的相應(yīng)孔28內(nèi)。這些葉片各自包含一作動片30，這些作動片自所述這些軸桿的相反側(cè)伸出，并和與其一致的環(huán)34中的一相應(yīng)槽32接合，該調(diào)節(jié)環(huán)34用作一第二噴嘴壁。
一作動器總成與該調(diào)節(jié)環(huán)連接，其形狀被制成能沿一個方向轉(zhuǎn)動該環(huán)，或按需要沿另一方向轉(zhuǎn)動該環(huán)，以便相對于渦輪葉輪的旋轉(zhuǎn)軸線，向內(nèi)或向外徑向移動這些葉片，從而相應(yīng)增加或減少廢氣流到渦輪的流量。隨著該調(diào)節(jié)環(huán)的轉(zhuǎn)動，促使葉片作動片30在其相應(yīng)的槽32內(nèi)自一端到另一端移動。由于這些槽沿該調(diào)節(jié)環(huán)的徑向取向，葉片作動片在相應(yīng)槽內(nèi)的移動，通過葉片軸在其相應(yīng)孔中的轉(zhuǎn)動使葉片擺動，從而根據(jù)該調(diào)節(jié)環(huán)的轉(zhuǎn)動方向，開啟或關(guān)閉該噴嘴面積。一個包括這些構(gòu)件的已知可變噴嘴渦輪增壓器的例子公開在發(fā)明名稱為“可變幾何結(jié)構(gòu)渦輪增壓器”的于1999年9月30日申請的序號為09/408,694的美國專利申請中，其受讓人是本發(fā)明的共同受讓人，在本文中引用該發(fā)明作為對比文件。
圖2表示當被該調(diào)節(jié)環(huán)作動時，葉片36的通常移動模式。這種移動模式對于已知的葉片構(gòu)形和按本發(fā)明的原理與可變噴嘴渦輪增壓器一起使用的葉片構(gòu)形兩者大致是相同的。各葉片作動片42被配置在調(diào)節(jié)環(huán)34的相應(yīng)細長槽38內(nèi)。在關(guān)閉位置“渦輪增壓器”，葉片作動片42處在槽38的第一端44的附近。該位置被稱作關(guān)閉位置，因為該葉片不是徑向向外擴展的，因此用來阻止流到渦輪的廢氣流量。在中間位置“B”，該一致槽40已被轉(zhuǎn)動了一足夠的量，使作動片42在槽38內(nèi)移離第一端44，移向該槽的中間位置。該作動片的移動是由該葉片相對于噴嘴壁的擺動動作產(chǎn)生的，這種擺動允許葉片轉(zhuǎn)動一給定的量。在位置“B”，葉片的中間徑向突起用于使流至渦輪的廢氣流量比在關(guān)閉位置時增加。在位置“C”，調(diào)節(jié)環(huán)現(xiàn)已被轉(zhuǎn)到最大位置，使作動片42在槽38移到第二端46。否則，由于在葉片和噴嘴壁之間的擺動結(jié)構(gòu)，有助于葉片這種進一步移動，從而允許葉片被轉(zhuǎn)到最大開啟位置。在位置C，葉片的最大徑向突起用于使流到渦輪的廢氣流量較在中間位置“渦輪增壓器”時增加。
如上述發(fā)明背景所述，包括如上所述和圖1中所示的多個葉片的已知可變噴嘴渦輪增壓器的正確運轉(zhuǎn)，需要這些葉片在被調(diào)節(jié)環(huán)作動時能相對于噴嘴壁自由擺動。邊種自由擺動要求這些葉片軸不被約束，否則它們在其相應(yīng)噴嘴孔內(nèi)的轉(zhuǎn)動會受到阻止。該已知葉片結(jié)構(gòu)通過葉片軸和孔的連接機構(gòu)而在葉片上施加較高的懸臂負載應(yīng)力能損害葉片自由擺動。
圖3至5表示供按本發(fā)明原理構(gòu)造的可變噴嘴渦輪增壓器一起使用的葉片50，它包括一個高壓或低壓翼面54，一個對置的高壓翼面52，和一個軸向面56和58。這些葉片表面與葉片位置相對應(yīng)被界定在渦輪殼體內(nèi)。葉片50包含一前緣60和一后緣62，它們處在高、低壓翼面52和54的相反公共端。該葉片包含一作動片64，自軸向面58向外伸出，并靠近前緣60。該作動片的形狀被構(gòu)成與一條調(diào)節(jié)環(huán)槽按上述方式配合，以便于葉片作動。
詳細參照圖3和5，與該已知葉片結(jié)構(gòu)不同，按本發(fā)明實踐構(gòu)造的葉片并不包含一根軸。相反，本發(fā)明的葉片被設(shè)計成具有一個穿透軸向表面56的孔66，其尺寸和形狀能在其中容納相應(yīng)柱68(見圖3)，其中，該柱自渦輪殼噴嘴壁向外垂直伸出。按這種方式構(gòu)造，由于該固定柱和葉片內(nèi)的孔之間的相對轉(zhuǎn)動，便使葉片相對于噴嘴壁的擺動。由配置在該可轉(zhuǎn)動葉片孔內(nèi)的固定壁柱形成的擺動機構(gòu)使葉片上的懸臂負荷應(yīng)力值比已知的葉片結(jié)構(gòu)的連接機構(gòu)的小，從而用于減少或消除對葉片的有效活動和操作的潛在的損害。
每個柱68的形狀被構(gòu)成能利用壓配合或其它普通的連接方法跟噴嘴壁連接，并沿大致圓周方向被安裝在噴嘴壁內(nèi)，與所希望的葉片間隔布置相一致。在一個示例性實施例中，將柱68的形狀制成具有兩不同直徑的階梯結(jié)構(gòu)，其中，第一大直徑段70的尺寸和形狀被定得能與噴嘴壁產(chǎn)生牢配合連接，而第二小直徑段72的尺寸和形狀被定得能上噴嘴壁向外伸出，并與葉片孔66配合，能便在其內(nèi)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。
葉片50被構(gòu)成具有一厚度，當在高、低壓翼面52和54之間測量時，它大于已知的葉片結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)足夠堅固的柱子，而不損害葉片的結(jié)構(gòu)完整性。增加葉片厚度以適應(yīng)噴嘴壁柱的一個意向不到的和疊加效果是獲得比包括普通現(xiàn)有技術(shù)葉片的渦輪增壓器更寬的面積調(diào)節(jié)比。因此，本發(fā)明的葉片相對于固定的效率范圍能提供比包括已知葉片結(jié)構(gòu)的渦輪增壓器更大的空氣動力學(xué)流量范圍。
該葉片可由同類材料用通常構(gòu)成普通現(xiàn)有技術(shù)葉片的相同方法構(gòu)成。這些葉片具有大致實心結(jié)構(gòu)或，或用另一種方法構(gòu)成具有空芯的外結(jié)構(gòu)。在一個示例性實施例中，葉片軸向面56和58被構(gòu)成具有一空芯的外結(jié)構(gòu)。該空心外結(jié)構(gòu)，最好如業(yè)已發(fā)現(xiàn)的那樣，能提供好的可鍛性，較高的剛度/重量比，能便宜地實際生產(chǎn)，并且比普通現(xiàn)有技術(shù)葉片的質(zhì)量輕。
現(xiàn)在已按專利法規(guī)的要求詳細地說明了本發(fā)明，精通該技術(shù)的人們會識別對本文所公開的具體實施例的修改和替代。這些修改是處在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的。
權(quán)利要求
1.一種可變幾何結(jié)構(gòu)渦輪增壓器總成，包括一個渦輪殼體，具有一廢氣進口和出口，一個連接于該進口的蝸殼，和一個鄰近該蝸殼的整體噴嘴外壁。一個被安裝在蝸殼殼體內(nèi)并和一軸連接的渦輪葉輪；若干被配置在渦輪殼體內(nèi)的葉片，每一葉片具有一個設(shè)置在葉片的第一軸向面內(nèi)的基本上平行于該噴嘴外壁的孔，每一葉片孔在其內(nèi)接納一相應(yīng)的柱，所述柱自該噴嘴外壁向外伸出，這些葉片還具有一些作動片，它們自與葉片的第一軸向面對置的第二軸向面延伸；一個可轉(zhuǎn)動環(huán)形調(diào)節(jié)環(huán)，被安裝成與這些葉片沿軸向鄰近，該調(diào)節(jié)環(huán)具有若干槽，在每一條槽內(nèi)容納一相應(yīng)的作動片，其中，該調(diào)節(jié)環(huán)的轉(zhuǎn)動引起各葉片繞其相應(yīng)柱的轉(zhuǎn)動。
2.權(quán)利要求1的可變幾何結(jié)構(gòu)渦輪增壓器，其特征在于每一柱包括一個第一直徑段和一個直徑小于第一直徑段的第二直徑段，前者自第一柱端軸向延伸到該柱的中間位置，后者自該中間位置沿該柱軸向延伸到第二柱端。
3.權(quán)利要求1的可變幾何結(jié)構(gòu)渦輪增壓器，其特征在于每一葉片包含一個朝向渦輪葉片的內(nèi)徑向表面，和一個與該內(nèi)徑向表面對置的外徑向表面，其中，該葉片的軸向表面在這些徑向表面之間延伸，這些軸向表面包含一個或多個空心區(qū)。
全文摘要
可變幾何結(jié)構(gòu)渦輪增壓器(10)的葉片(50)和柱結(jié)構(gòu)采用在第一端面(44)上有一孔的葉片，該孔接納自渦輪殼體(12)上的噴嘴噴嘴面延伸的柱(68)。每一葉片上的第二端面(46)包括一個被接納在調(diào)節(jié)環(huán)(34)相應(yīng)槽內(nèi)的延伸作動片(64)，當該調(diào)節(jié)環(huán)轉(zhuǎn)動時，這些葉片相對于柱轉(zhuǎn)動。
文檔編號F01D17/16GK1455843SQ02800079
公開日2003年11月12日 申請日期2002年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月16日
發(fā)明者S·D·阿諾 申請人:霍尼韋爾國際公司