專利名稱：可變渦輪幾何形狀的渦輪增壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓系統(tǒng)，并且更具體地涉及一種渦輪增壓系統(tǒng)的可變渦輪幾何形狀。
背景技術(shù)：
渦輪增壓器是一類強(qiáng)迫式進(jìn)氣系統(tǒng)。它們將流入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣壓縮，因此提升發(fā)動(dòng)機(jī)的馬力而沒有明顯地增加重量。渦輪增壓器利用來自發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流動(dòng)來使渦輪旋轉(zhuǎn)，該渦輪進(jìn)而驅(qū)動(dòng)一臺(tái)空氣壓縮機(jī)。由于渦輪
的旋轉(zhuǎn)比大多數(shù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大約快30倍并且它是與排氣接通的，所以渦輪內(nèi)的溫度非常高。此外，由于高速的流動(dòng)，渦輪增壓器承受噪聲和振動(dòng)。這類情況可以對(duì)渦輪增壓器的這些部件、尤其是對(duì)這些旋轉(zhuǎn)件(如渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子)產(chǎn)生一種有害的作用，這可以導(dǎo)致系統(tǒng)的失敗。
渦輪增壓器被廣泛地使用在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)上，并且在過去它們特別地與大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、尤其是用于公路貨車和船舶應(yīng)用的大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一起使用。最近，除了與大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合使用以外，渦輪增壓器與較小的、轎車動(dòng)力設(shè)備一起使用已經(jīng)變得很普遍。渦輪增壓器在轎車應(yīng)用中的使用允許選擇一種動(dòng)力設(shè)備，該動(dòng)力設(shè)備從一個(gè)較小的、較低質(zhì)量的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生出相同的馬力數(shù)。使用一種較小質(zhì)量的發(fā)動(dòng)機(jī)具有令人希望的效果減少汽車總重量、增加運(yùn)動(dòng)性能并且提高燃料經(jīng)濟(jì)性。另外，渦輪增壓器的使用允許傳送給發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料的更完全的燃燒，由此減少發(fā)動(dòng)機(jī)的總的排放物，這對(duì)令人高度渴望的更加清潔的環(huán)境目標(biāo)有所貢獻(xiàn)。在現(xiàn)有技術(shù)中詳細(xì)說明了渦輪增壓器的設(shè)計(jì)和功能，例如，美國專利號(hào)4,705,463、5,399,064和6,164,931，它們的4皮露內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。
渦輪增壓器單元典型地包括可與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管操作地相連接的一臺(tái)渦輪機(jī)、與該發(fā)動(dòng)機(jī)空氣進(jìn)氣歧管可操作地相連接的一臺(tái)壓縮機(jī)，以及使該渦輪機(jī)與該壓縮機(jī)相連接的一根軸，這樣渦輪機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)引起壓縮機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)。渦輪是由排氣歧管中流動(dòng)的排氣來驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的。壓縮機(jī)葉輪是由該渦輪來驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并且當(dāng)壓縮機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，它增加了被傳送到發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的空氣質(zhì)量流速、氣流密度以及空氣壓力。
隨著渦輪增壓器在轎車應(yīng)用中得到越來越多的歡迎時(shí)，三線設(shè)計(jì)指標(biāo)被移動(dòng)到顯著位置。首先，市場(chǎng)要求或者轎車或者貨車的動(dòng)力設(shè)備的所有部件(包括渦輪增壓器)必須提供比在過去所要求的更長時(shí)期的可靠操作。
即，在過去對(duì)于轎車也許已經(jīng)可接受的是在行駛80,000至100，000英里之后時(shí)要求一次發(fā)動(dòng)機(jī)大修，而現(xiàn)在，必須設(shè)計(jì)用于超過200,000英里運(yùn)行的可靠操作的發(fā)動(dòng)機(jī)部件?，F(xiàn)在，必須在貨車中設(shè)計(jì)用于超過1,000,000英里運(yùn)行的可靠操作的發(fā)動(dòng)機(jī)部件。這意味著必須采取額外的考慮來確保所有支持裝置的正確的制造與協(xié)作。
被移到顯著位置的第二設(shè)計(jì)指標(biāo)是動(dòng)力設(shè)備必須滿足或者超過在最小NOx和微粒物質(zhì)排放量方面的非常嚴(yán)格的要求。第三，隨著渦輪增壓器的大批量生產(chǎn)，令人高度希望的是設(shè)計(jì)一種渦輪增壓器，它滿足以上指標(biāo)并且包括最小數(shù)目的零件。此外，那些零件應(yīng)該是易于制造并且易于組裝，以便提供一種有成本效益的并且可靠的渦輪增壓器。由于發(fā)動(dòng)機(jī)搶內(nèi)的缺乏空間，還令人希望的是將渦輪增壓器的整個(gè)幾何封裝或者包封最小化。
授予Higashimori的美國專利號(hào)6,877,955示出了 一種渦輪增壓器，該渦輪增壓器具有到渦輪機(jī)的一種徑向流動(dòng)。如圖1所示，該徑向渦輪機(jī)配備有被附接到一條旋轉(zhuǎn)軸線上的轉(zhuǎn)子葉片單元100以及具有與蝸牛形狀相似的一個(gè)蝸殼102。轉(zhuǎn)子葉片單元100具有一個(gè)輪穀101以及在徑向方向中安排在輪轂101上的多個(gè)葉片103。 一個(gè)噴嘴104被插在蝸殼102與葉片103的一個(gè)旋轉(zhuǎn)區(qū)域之間。 一種氣體從蝸殼102流入噴嘴104,并且它被加速并且由噴嘴104給予旋轉(zhuǎn)力從而產(chǎn)生高速流動(dòng)105,該高速流動(dòng)在該轉(zhuǎn)子軸線的方向中流動(dòng)。高速流動(dòng)105的流動(dòng)能量被安排在輪轂101上的這些葉片103轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)能量。這些葉片103將已經(jīng)在旋轉(zhuǎn)軸線的方向中失去能量的氣體107排出。
Higashimori的徑向流動(dòng)系統(tǒng)受制于僅將徑向流動(dòng)提供給渦輪機(jī)葉輪的缺點(diǎn)，該渦輪機(jī)葉輪將不能在一個(gè)較寬的入射角度的范圍上有效率地運(yùn)轉(zhuǎn)。在這樣一種設(shè)計(jì)中，在所需要的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件下僅應(yīng)用徑向流動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致效率降低。
因此，存在對(duì)于渦輪增壓器系統(tǒng)以及制造這樣一種系統(tǒng)的方法的 一種需要，該系統(tǒng)有效地并且有效率地控制將排氣施加到渦輪機(jī)葉輪上。

發(fā)明內(nèi)容
渦輪增壓器的這些示例性實(shí)施方案在可變渦輪幾何形狀(VTG)環(huán)境中將排氣的一個(gè)軸向流動(dòng)分量和一個(gè)徑向流動(dòng)分量均進(jìn)行利用來驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)葉輪。這種混合流動(dòng)是可以由多種技術(shù)來提供，這些技術(shù)包括渦輪機(jī)葉輪的多個(gè)延伸的尖端、二次流動(dòng)以及泄漏流動(dòng)。
在本發(fā)明的一個(gè)方面中提供了 一臺(tái)渦輪增壓器，該渦輪增壓器具有一個(gè)渦輪機(jī)葉輪，該渦輪機(jī)葉輪帶有多個(gè)延伸的尖端；以及一個(gè)可變渦輪幾何形狀組件，該組件與該渦輪機(jī)葉輪處于流體連通并且具有一個(gè)噴嘴環(huán)，該噴嘴環(huán)帶有可移動(dòng)地連接到其上的多個(gè)葉片。這些延伸的尖端中的 一個(gè)或者多個(gè)與該多個(gè)葉片中的一個(gè)或者多個(gè)的邊緣是不平行的。
在另一方面中提供了一種方法，該方法包括將一個(gè)排氣流動(dòng)提供給一個(gè)可變渦輪幾何形狀渦輪增壓器的 一個(gè)渦輪機(jī)葉輪，其中該排氣流動(dòng)是既有一種徑向分量也有一種軸向分量的混合流動(dòng)。該混合流動(dòng)是由泄漏氣體、二次流動(dòng)以及該渦輪機(jī)葉輪的一個(gè)不平行的入射角度中的至少一個(gè)形成的。


在附圖中通過舉例而非限制的方式展示了本發(fā)明的，其中，類似的參考數(shù)字指示了類似的部分，并且在這些附圖中
圖1是具有到渦輪機(jī)葉輪的一個(gè)徑向流動(dòng)的現(xiàn)代渦輪增壓器系統(tǒng)的示意性表示；
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方案的渦輪增壓器的一部分的截面視圖3是圖2的渦輪增壓器的一部分的截面視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)示例性實(shí)施方案的渦輪增壓器的一部分的截面—見圖5是圖4的渦輪增壓器的另一個(gè)截面視圖；并且圖6是圖4的渦輪增壓器的部分A的截面視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施方案是針對(duì)在渦輪增壓器中沿渦輪機(jī)葉輪的混合流動(dòng)，該混合流動(dòng)用于驅(qū)動(dòng) 一 臺(tái)壓縮機(jī)從而將一種壓縮的流體傳送到內(nèi)燃發(fā)動(dòng) 機(jī)中。將聯(lián)系具有一種具體的渦輪機(jī)葉輪幾何形狀的一個(gè)渦輪機(jī)部分而對(duì) 本發(fā)明的多個(gè)方面予以說明，但詳細(xì)的說明僅旨在作為示例性的。圖2至 圖6示出了本發(fā)明的多個(gè)示例性實(shí)施方案，但本發(fā)明并不限于所說明的結(jié) 構(gòu)或應(yīng)用。
參見圖2至圖3， 一個(gè)渦輪增壓器1具有一個(gè)渦輪機(jī)殼體2、 一個(gè)中 心殼體3以及一個(gè)壓縮機(jī)殼體3a,它們彼此相連并且沿一條旋轉(zhuǎn)軸線R 定位。渦輪機(jī)殼體2具有遍布支撐環(huán)6的圓周上的多個(gè)導(dǎo)向葉片7的一個(gè) 外部導(dǎo)向格柵。這些導(dǎo)向片7是可以由插入支撐環(huán)6的多個(gè)孔中的多個(gè)樞 轉(zhuǎn)軸8來樞轉(zhuǎn)的，這樣每對(duì)導(dǎo)向片根據(jù)這些葉片7的樞轉(zhuǎn)位置來限定具有 選擇性地可變截面的多個(gè)噴嘴。這允許使更大或者更小的排氣量供給一個(gè) 渦輪轉(zhuǎn)子4。
這些排氣是通過具有一個(gè)入口 99的供給通道9而提供給這些導(dǎo)向葉 片7和轉(zhuǎn)子4。這些排氣是經(jīng)過一個(gè)中央的短的送氣管IO排出，并且轉(zhuǎn)子 4驅(qū)動(dòng)被固定到輪軸20上的壓縮機(jī)葉輪、推進(jìn)器或轉(zhuǎn)子21。本披露還考 慮了使渦輪機(jī)殼體2、中心殼體3以及壓縮機(jī)殼體3a中的一個(gè)或多個(gè)彼此 形成為一體。
為了控制這些導(dǎo)向葉片7的位置，可以提供具有一個(gè)控制殼體12的 一個(gè)致動(dòng)裝置11，該致動(dòng)裝置控制容納在其中的一個(gè)桿構(gòu)件14的致動(dòng)運(yùn) 動(dòng)，該杵構(gòu)件的軸向運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)換成位于支撐環(huán)6后面的一個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)或控制 環(huán)5的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過這種轉(zhuǎn)動(dòng)，這些導(dǎo)向葉片7可以從一個(gè)基本上切向的極 端位置移置到一個(gè)基本上徑向延伸的極端位置中。以此方式，由供應(yīng)通道 9提供的來自燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的更大或更小的排氣量可以被送至渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子4, 并且經(jīng)過軸向送氣管IO排出。
在葉片支撐環(huán)6與渦輪機(jī)殼體2的一個(gè)環(huán)形部分15之間，可以有一 個(gè)相對(duì)小的空間13，以允許這些葉片7的自由運(yùn)動(dòng)。可以選擇葉片空間 13的形狀和尺寸從而增加渦輪增壓器1的效率，同時(shí)允許由于熱排氣而造 成的熱膨脹。為確保葉片空間13的寬度以及葉片支撐環(huán)6距相反的殼體 環(huán)15的距離，葉片支撐環(huán)6可以具有在其上形成的多個(gè)間隔件16。其他 不同的渦輪增壓器部件也可以與壓縮機(jī)葉輪21和渦輪增壓器1 一起使用。
渦輪增壓器1可以具有一種混合流動(dòng)的渦輪機(jī)葉輪4，該混合流動(dòng)的 渦輪機(jī)葉輪是通過一個(gè)非零的葉片入口角度、具有從該中心軸線變化半徑的一個(gè)入口或者二者的一種組合而形成的。圖2至圖3中的示例性實(shí)施方 案展示了帶有一個(gè)延伸的尖端400的一個(gè)渦4侖一幾葉輪4。延伸的尖端400 可以與渦輪增壓器的軸線成不同的角度。渦輪機(jī)葉輪4的混合流動(dòng)受益于 用來提高效率的該排氣流動(dòng)的徑向和軸向的分量。
在一個(gè)可變渦輪幾何形狀的渦輪增壓器中，這些葉片7是控制相對(duì)的 渦輪機(jī)葉輪片的入射角度的主導(dǎo)性因素。其結(jié)果是，可以迫使該渦輪增壓 器在一個(gè)更寬的入射角度的范圍上運(yùn)行?；旌狭鲃?dòng)的渦輪機(jī)葉輪4與一種 可變渦輪幾何形狀(例如，多個(gè)葉片7)相結(jié)合的應(yīng)用允許渦輪增壓器1 在一個(gè)更寬的入射角范圍上保持更高的效率。在一個(gè)實(shí)施方案中，通過對(duì) 進(jìn)氣流進(jìn)行節(jié)流以便得到一種改進(jìn)的瞬時(shí)響應(yīng)，該渦輪機(jī)葉輪的幾何形狀 可以補(bǔ)償由于這種渦輪機(jī)葉輪幾何形狀所造成的任何增加的慣性。
參見圖4至圖6，示出了混合流動(dòng)渦輪機(jī)葉輪的另一個(gè)示例性實(shí)施方 案并且該渦輪機(jī)葉輪總體上是由參考數(shù)字4'表示。渦輪機(jī)葉輪4，具有在這 些葉片7附近的一個(gè)或者多個(gè)延伸的尖端400，。這些延伸的尖端400，與這 些葉片7的后緣中的每一個(gè)成一個(gè)角度(即不是平行的)。在一個(gè)實(shí)施方 案中，渦輪機(jī)葉輪4，的所有這些尖端都是延伸的尖端400，。在一個(gè)實(shí)施方 案中，該角度是在1度到60度之間，優(yōu)選地是在5度到45度之間，并且 更優(yōu)選地是在IO度到30度之間。然而，除了這些延伸的尖端400，的改變 的角度之外，本披露還考慮了使用其他角度。這些延伸的尖端400，可以延 伸進(jìn)入葉片空間13的一個(gè)入口中。該入口總體上由圖5中的虛線500表 示。
這些VTG葉片7可以控制進(jìn)入渦輪機(jī)葉輪4'的流動(dòng)角度并且可以直 接影響該切向和徑向流動(dòng)矢量的大小。在一個(gè)實(shí)施方案中，其中混合流動(dòng) 渦輪機(jī)葉輪4'對(duì)于入射角度的敏感性是較低的，于是該葉輪于一個(gè)傳統(tǒng)的 徑向流入葉輪相比可以在 一 個(gè)更寬的入射角度(切向的/徑向的分量)的范 圍上保持一個(gè)更高的總體效率。
在另一個(gè)實(shí)施方案中， 一種可變渦輪幾何形狀渦輪增壓器可以具有由 泄漏流動(dòng)、二次流動(dòng)或者二者的一種組合而產(chǎn)生排氣流動(dòng)的一個(gè)軸向分 量。這可以與這些延伸的尖端400以及400，相結(jié)合來使用。在另一個(gè)實(shí)施 方案中，葉片7可以是平行于渦輪機(jī)葉輪的角度。在這樣的實(shí)施方案中， VTG葉片的后緣不是徑向的并且具有與該渦l侖機(jī)葉輪入口相匹配的一個(gè) 角度(或者相似的角度)。雖然在此就適合汽車或貨車工業(yè)的一個(gè)實(shí)施方案對(duì)渦輪機(jī)葉4侖進(jìn)行 了詳細(xì)地說明，但容易看清楚的是該渦輪機(jī)葉輪以及用于其制造的方法也 適合用于多種其他的應(yīng)用(例如燃料電池動(dòng)力的車輛)中。盡管本發(fā)明以 其優(yōu)選的方式并且通過關(guān)于汽車內(nèi)燃機(jī)壓縮機(jī)葉輪的某些特質(zhì)進(jìn)行了說 明，應(yīng)該理解本4皮露的優(yōu)選形式僅通過舉例給出，并且無須脫離本發(fā)明的 精神和范圍即可在結(jié)構(gòu)的以及組合構(gòu)成的細(xì)節(jié)中采用多種變化。
本披露還考慮這些渦輪增壓器和/或殼體的特征可以與需要一個(gè)特定 長度的擴(kuò)散器其他類型的流體推進(jìn)裝置一起使用。這類其他的流體推進(jìn)裝
置包括(但不限于)以下各項(xiàng)增壓器；離心泵；離心風(fēng)扇；單級(jí)氣體壓 縮機(jī)；多級(jí)氣體壓縮機(jī)；以及總體上使用一個(gè)或者多個(gè)旋轉(zhuǎn)元件來壓縮氣 體和/或引起流體流動(dòng)的其他種類的裝置。
雖然已通過參照用于說明目的而選擇的一個(gè)具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明 進(jìn)行了說明，但應(yīng)該清楚，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員無需背離本發(fā)明的精神和 范圍即可對(duì)其做出很多修改。
權(quán)利要求
1.一種渦輪增壓器(1)，包括一個(gè)渦輪機(jī)葉輪(4，4’)，該渦輪機(jī)葉輪具有多個(gè)延伸的尖端(400，400’)；以及一個(gè)可變渦輪幾何形狀組件，該組件與該渦輪機(jī)葉輪處于流體連通并且具有一個(gè)噴嘴環(huán)(6)，該噴嘴環(huán)具有可移動(dòng)地附接到其上的多個(gè)葉片(7)，其中這些延伸的尖端中的一個(gè)或多個(gè)與該多個(gè)葉片中的一個(gè)或多個(gè)的邊緣是不平行的。
2. 如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器，其中所有的這些延伸的尖端與所 有的該多個(gè)葉片的邊緣都是不平行的。
3. 如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器(1 ),其中這些延伸的尖端與該多 個(gè)葉片的邊緣是處于在l到60度之間的一個(gè)角度。
4. 如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器(1 )，其中這些延伸的尖端與該多 個(gè)葉片的邊緣是處于5到45度之間的一個(gè)角度。
5. 如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器(1 ),其中這些延伸的尖端與該多 個(gè)葉片邊緣是處于IO到30度之間的一個(gè)角度。
6. 如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器(1),其中該多個(gè)葉片被定位在一 個(gè)葉片空間(13)之中，該空間是與該渦輪機(jī)葉輪處于流體連通，其中該 葉片空間具有一個(gè)入口 ( 500)并且其中這些延伸的尖端延伸進(jìn)入該入口 之中。
7. —種運(yùn)轉(zhuǎn)渦輪增壓器(1)的方法，該方法包括 將一個(gè)排氣流動(dòng)提供到一個(gè)可變渦輪幾何形狀的渦輪增壓器的一個(gè)渦輪機(jī)葉輪(4)處，其中該排氣流動(dòng)是具有一個(gè)徑向分量和一個(gè)軸向分 量的一個(gè)混合流動(dòng)，并且其中該混合流動(dòng)是由泄漏氣體、二次流動(dòng)以及該 渦輪機(jī)葉輪的一個(gè)不平行入射角度中的至少 一個(gè)形成的。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，包括為該渦輪機(jī)葉輪提供多個(gè)延伸的尖 端，其中這些延伸的尖端與多個(gè)葉片的邊緣是處于1到60度之間的一個(gè) 角度。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，包括為該渦輪機(jī)葉輪提供多個(gè)延伸的尖 端，其中這些延伸的尖端與多個(gè)葉片的邊緣是處于5到45度之間的一個(gè)角度。
10. 如權(quán)利要求7所述的方法，包括為該渦輪機(jī)葉輪提供多個(gè)延伸的尖端，其中這些延伸的尖端與多個(gè)葉片的邊緣是處于10到30度之間的一個(gè)角度。
11. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中該多個(gè)葉片被定位在一個(gè)葉片空間(13)之中，該空間是與該渦輪機(jī)葉輪處于流體連通，其中該葉片空間具有一個(gè)入口 ( 500)并且其中這些延伸的尖端延伸進(jìn)入該入口之中。
全文摘要
所提供的一種渦輪增壓器具有一個(gè)渦輪機(jī)葉輪(4，4’)，該渦輪機(jī)葉輪帶有多個(gè)延伸的尖端(400，400’)；以及與該渦輪機(jī)葉輪處于流體連通的一個(gè)可變渦輪幾何形狀組件，并且具有一個(gè)噴嘴環(huán)(6)，該噴嘴環(huán)帶有可移動(dòng)地連接到其上多個(gè)葉片(7)。這些延伸的尖端中的一個(gè)或者多個(gè)與該多個(gè)葉片中的一個(gè)或者多個(gè)的邊緣是不平行的。該入射角可以改變并且可以從1到60度。這些延伸的尖端可以延伸進(jìn)入容納這些葉片的葉片空間的一個(gè)進(jìn)口之中。
文檔編號(hào)F02B39/00GK101663472SQ200880012437
公開日2010年3月3日 申請(qǐng)日期2008年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月4日
發(fā)明者D·G·格拉鮑斯卡, P·安斯切爾 申請(qǐng)人:博格華納公司