专利名称：具有喷嘴环定位销和整体式定位器及热屏蔽的涡轮增压器的制作方法
技术领域：
本公开涉及具有可变喷嘴涡轮机的涡轮增压器，其中可动叶片设置在涡轮机的喷 嘴中，用于调节流入涡轮机的废气流。
背景技术：
废气驱动的涡轮增压器是一种与内燃机一起使用的设备，用于通过压缩空气增加 发动机的功率输出，上述空气被传递到发动机的进气口与燃料混合并且在发动机中燃烧。 涡轮增压器包括在压缩机壳体中安装在轴的一端的压缩机叶轮，以及在涡轮机壳体中安装 在上述轴的另一端的涡轮机叶轮。特别地，涡轮机壳体与压缩机壳体分别形成，而且还具有 连接在涡轮机壳体和压缩机壳体之间的另一个中心壳体，用于容纳轴的轴承。涡轮机壳体 限定了大体上环形腔室，其环绕涡轮机叶轮并且接收发动机的废气。涡轮机组件包括从腔 室通向涡轮机叶轮的喷嘴。废气从腔室通过喷嘴流至涡轮机叶轮，并且涡轮机叶轮由废气 驱动。因此涡轮机从废气提取能量并且驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口接收周 围空气，并且空气由压缩机叶轮压缩，然后从壳体被排放到发动机进气口。在具有涡轮增压器的增压发动机性能方面的一个难题是，在发动机的整个运行范 围内获得理想的发动机功率输出量。业已发现，具有固定几何结构的涡轮增压器通常不容 易达到这个目的，因此，出于在由涡轮增压器提供的升压量上提供较大程度的控制的目的， 已经发展了可变几何结构的涡轮增压器。一种类型的可变几何结构涡轮增压器是可变喷嘴 涡轮增压器(VNT)，其包括在涡轮机喷嘴中的可变叶片阵列。叶片枢转地安装在喷嘴中，并 且与能使叶片的安装角改变的机构连接。改变叶片的安装角的作用是，改变涡轮机喷嘴中 的有效流动面积，因此通过控制叶片位置可以调节进入涡轮机叶轮的废气流。如此，可以调 节涡轮机的功率输出，这允许发动机功率输出被控制达到比通常利用固定几何结构涡轮增 压器可能达到的范围更大的范围。可变叶片机构相对复杂，因此出现了涡轮增压器的组装方面的难题。而且，上述机 构设置在涡轮机壳体和中心壳体之间，上述涡轮机壳体由于暴露于废气中而变得非常热， 上述中心壳体处于比涡轮机壳体更低的温度。因此，由于这种温度梯度，可变叶片机构遭受 热应力。本申请的受让人之前通过提出一种可变喷嘴涡轮增压器来解决上面提到的问题， 所述可变喷嘴涡轮增压器包括包含可变叶片机构的套筒(cartridge)。涡轮机限定了喷嘴 和中心孔，废气通过上述喷嘴被传递到涡轮机叶轮，废气在通过涡轮机叶轮之后通过上述 中心孔被排放。套筒连接在中心壳体和涡轮机壳体之间，并且包括大体上环形喷嘴环和叶 片阵列的组件，上述叶片阵列绕喷嘴环周向间隔、可旋转的安装到喷嘴环上、并且连接可旋 转的致动环，使得致动环的旋转使叶片旋转，用于调节流至涡轮机叶轮的废气流。套筒还包 括插入物，插入物具有被密封地接收入涡轮机壳体的孔中的管状部分，并且具有从管状部 分的一端大体上径向延伸出的喷嘴部分，上述喷嘴部分从喷嘴环轴向间隔，使得叶片在喷 嘴环和喷嘴部分之间延伸。多个隔片(spacer)连接在插入物的喷嘴部分和喷嘴环之间，用于固定喷嘴环到插入物上，并且维持插入物的喷嘴部分和喷嘴环之间的轴向间隔。虽然上述的涡轮增压器运行良好，但是仍进一步寻求改进。
发明内容
根据本公开的一方面，在通常的上述类型的涡轮增压器中，中心壳体具有邻近于 涡轮机叶轮的鼻部，鼻部限定了大体上径向面对外部的第一表面和大体上轴向面朝涡轮机 叶轮的第二表面，喷嘴环在邻近其内径处限定了大体上径向面对内部的第三表面以及与第 三表面结合的第四表面，所述第四表面大体上轴向面朝中心壳体。涡轮增压器包括销，所述 销固定安装中心壳体中并从该处大体上轴向延伸，且接合在喷嘴环的孔中以相对于中心壳 体旋转地定向喷嘴环。销的部分长度具有比余下的长度大很多的柔度(compliance)，以使 得销具有接合在喷嘴环的孔中的柔性尖部。柔性尖部减少了喷嘴环的热变形的约束。销可 以包括片状金属管，具有实质上更大柔度的部分包括裂开且膨胀的一段上述管。在一些实施例中，涡轮增压器可以包括整体的定位器和热屏蔽，其具有邻接中心 壳体的第一和第二表面且邻接喷嘴环的第三表面用于相对于中心壳体使喷嘴环径向定位 的定位部分和对中心壳体屏蔽热废气的屏蔽部分。在一个实施例中，定位器和热屏蔽包括形成为非平面结构的一片金属片。在一个实施例中的定位部分包括弹簧，弹簧能以弹性形式径向变形以允许喷嘴环 的实质上无约束地热诱导径向变形。弹簧可以形成为具有C形横截面，C的开口侧大体上 面对轴向。C形横截面的径向外腿可以邻接喷嘴环的第三和第四表面。C形横截面的径向 内腿可以邻接中心壳体的第一表面。在一个实施例中，径向内腿包括多个周向间隔的舌片，舌片径向向内弯曲并且构 造为由中心壳体的第一表面径向向外地弹性变形。定位器和热屏蔽的屏蔽部分可以从弹簧的径向内腿大体上径向向内延伸。中心壳 体的鼻部具有邻近于所述轴的径向最内区域，屏蔽部分设置成对径向最内区域屏蔽废气。根据一个实施例的涡轮增压器，还包括大体上环形法兰，法兰具有第一部分，第一 部分与面对喷嘴环的中心壳体的表面接合，并且在喷嘴环外径的径向向外部沿大体上轴向 方向延伸，法兰具有第二部分，第二部分从第一部分大体上径向向内延伸，并且与背离中心 壳体的喷嘴环的一侧接合，从而抑制喷嘴环远离中心壳体的轴向运动。根据一个实施例的涡轮增压器，还包括大体上环形弹簧部件，其设置在面对喷嘴 环的中心壳体的表面和喷嘴环的相对表面之间，并且与这些表面邻接，弹簧部件促使喷嘴 环轴向朝向并且抵靠法兰的第二部分。
已经概括地描述了本发明，现在将参考附图，附图不必按比例绘制，其中图1是根据本发明第一实施方式的涡轮增压器的部分分解图；图2是图1的涡轮增压器的部分分解图；图3是图1的涡轮增压器的轴向横断面视图；图4是图1的涡轮增压器的进一步的分解图；图5是图3的横断面视图的放大部分；
图6是根据本发明另一个实施方式的涡轮增压器的分解图；图7是图6的涡轮增压器的喷嘴组件部分的部分透视图；图8是图6的涡轮增压器的横断面视图。
具体实施例方式现在将在下文参考附图更充分地描述本发明，其中，示出了本发明的一些但非全 部的实施方式。实际上，这些发明可以以不同的形式实施，不应该理解成限制于这里所列的 实施方式；而且，提供这些实施方式使得本公开将满足适当的法律要求。在各个附图中相同 的附图标记指代相同的元件。图1-5中示出了根据本发明的一个实施例的涡轮增压器100。涡轮增压器包括涡 轮机，涡轮机包括涡轮机壳体Iio和涡轮机叶轮120 (图3)，涡轮机叶轮120安装在涡轮机 壳体中并且连接到可旋转轴130以随其旋转。涡轮机壳体限定了环绕涡轮机叶轮的腔室 112，用于接收废气，并且具有从腔室大体上径向向内通向涡轮机叶轮的喷嘴114。涡轮机壳 体还限定轴向延伸孔116，废气在通过涡轮机叶轮之后通过该孔被排放。涡轮增压器还包括压缩机，压缩机包括压缩机壳体(未示出)和压缩机叶轮140， 压缩机叶轮140安装在压缩机壳体中并且连接到可旋转轴130以随其旋转。中心壳体150 连接在压缩机壳体和涡轮机壳体110之间，并且具有邻近于涡轮机叶轮的鼻部152 (图5)。 鼻部限定了大体上径向面对外部的第一表面154和轴向面朝涡轮机叶轮的第二表面156。 轴130通过中心壳体，支撑着轴的轴承132。涡轮增压器还包括可变喷嘴组件，可变喷嘴组件包括插入物160，插入物具有被密 封地接收入涡轮机壳体的孔116中的管状部分162，并且具有从管状部分的一端大体上径 向延伸出的大体上环形喷嘴部分164。可变喷嘴组件还包括与喷嘴部分164轴向间隔的大 体上环形喷嘴环170，和绕喷嘴环周向间隔且可旋转地安装到喷嘴环的叶片180阵列，从而 可改变叶片的安装角，用于调节流至涡轮机叶轮的废气流。喷嘴环170在邻近其内径处限 定了大体上径向面对内部的第三表面172以及与第三表面结合的第四表面174，第四表面 174大体上轴向地面向中心壳体。参考图5，涡轮增压器包括具有定位部分192的整体式定位器和热屏蔽190，定 位部分192邻接中心壳体150的第一和第二表面154、156，还邻接喷嘴环170的第三表面 172 (以及，任选地，第四表面174)，用于相对于中心壳体径向定位(以及，任选地，轴向定 位)喷嘴环。定位器和热屏蔽还包括对上述中心壳体屏蔽热废气的屏蔽部分194。如图所示，定位器和热屏蔽190可以由钢板形成，所述钢板永久地变形为非平面 构造。在一个实施例中，定位部分192包括弹簧，弹簧能以弹性方式径向变形，以允许喷嘴 环170的实质上无约束地热诱导径向变形。如图所示，弹簧能形成为具有大体上C形横截 面，C的开口侧大体上面对轴向。C形横截面的径向外腿邻接喷嘴环的第三表面172。C形 横截面的径向内腿邻接中心壳体的第一表面154。在一个实施例中，径向内腿可以包括多个 周向间隔的舌片(未示出)，舌片径向向内弯曲并且构造为由中心壳体的第一表面154径向 向外弹性变形。定位器和热屏蔽的屏蔽部分194从弹簧的径向内腿大体上径向向内延伸。中心 壳体的鼻部152具有邻近于轴的径向最内区域，屏蔽部分被设置成对径向最内区域屏蔽废气。最好参看图3，涡轮增压器100还包括由涡轮机壳体限定的大体上环形法兰200。 法兰具有第一部分202，第一部分202与面对喷嘴环的中心壳体150的表面接合，并且在喷 嘴环170的外径的径向外部沿大体上轴向方向延伸。法兰具有第二部分204，第二部分204 从第一部分大体上径向向内延伸，并且与背离中心壳体的喷嘴环的一侧接合，从而抑制喷 嘴环远离中心壳体的轴向运动。大体上环形弹簧部件210设置在面对喷嘴环的中心壳体的 表面和喷嘴环的相对表面之间，并且与这些表面邻接，弹簧部件促使喷嘴环轴向朝向并且 抵靠法兰200的第二部分。如此，喷嘴环相对于涡轮机壳体轴向定位。在示出的实施例中， 弹簧部件210具有大体上U形横截面，其中，U的开口侧径向面对内部。然而，可以使用弹 簧部件的其它结构。现在参考图6-8说明本发明的其它方面，其示出了根据本发明的另一个实施例的 涡轮增压器100’。涡轮增压器100’在大多数方面类似于之前描述的涡轮增压器100，这里 相同的方面将不再重复。两个实施例的主要不同在于在涡轮增压器100’中提供用于相对于 中心壳体旋转定向喷嘴环的装置。更特别地，涡轮增压器包括销220，销220具有固定安装 在中心壳体的孔158中的一端。孔158大体上平行于涡轮增压器的中心纵向轴线而延伸。 销220的相对端具有柔性尖部222，柔性尖部222接合在喷嘴环170’的孔176中，相对于中 心壳体150’旋转定向喷嘴环。柔性尖部222包括销220的部分长度，所述销220的部分长 度具有比余下的长度实质上更大的柔度。柔性尖部减少了由在喷嘴环孔176中销的接合而 引起的喷嘴环的热变形的约束度。在一个实施例中，销220包括片状金属管，柔性尖部222包括裂开和径向膨胀的一 段上述管。更特别地，多个环绕上述管的周围间隔设置的轴向裂缝在接近但是与管的一端 间隔一短距离处通过管壁形成，因此产生管壁的多个狭长带。然后管的上述端朝向管的相 对端被轴向压缩以促使上述带径向向外膨胀。与管的其余长度相比较，管的膨胀段相对于 管的轴线在径向向内的方向具有实质上更大的柔度。这确保了当喷嘴环遭受热变形时，喷 嘴环170’不被销220过度约束。在图6-8的实施例中，如同之前的实施例那样，喷嘴环170’不直接邻接涡轮机壳 体。替代地，涡轮增压器100’包括法兰230，法兰230是环形的，并且具有被捕获在涡轮机 壳体110’的外部和中心壳体150’的外部之间的径向外部。法兰230的径向内部接合喷嘴 环170’的面对轴向的表面，所述面对轴向的表面大体上面朝插入物160的喷嘴部分164，如 此，法兰230相对于涡轮机壳体110’轴向定位喷嘴环170’。如图6-8所示，可以在涡轮增压器中使用柔性销220，而不具有一体式定位器和热 屏蔽190，或者，能结合具有一体式定位器和热屏蔽的涡轮增压器100的特征。这里陈述的本发明的很多修改和其它实施例将使本领域技术人员想到这些发明 适于具有在前述的说明书和相关附图中显示出的教导的益处。因此，应当理解，本发明不限 于公开的具体实施例，修改和其它实施例旨在包括在所附权利要求的范围之内。虽然这里 使用了具体的术语，但它们只是以一般且描述性的理解的方式来使用，而不是出于限制的 目的。
权利要求
一种具有可变喷嘴涡轮机的涡轮增压器，包括涡轮机，其包括涡轮机壳体和涡轮机叶轮，涡轮机叶轮安装在涡轮机壳体中并且连接到可旋转轴以随其旋转，涡轮机壳体限定了用于接收废气的环绕涡轮机叶轮的腔室以及轴向延伸孔，废气在通过涡轮机叶轮之后通过所述轴向延伸孔被排放；喷嘴，其从腔室大体上径向向内通向涡轮机叶轮；压缩机，其包括压缩机壳体和压缩机叶轮，压缩机叶轮安装在压缩机壳体中并且连接到可旋转轴以随其旋转；中心壳体，其连接在压缩机壳体和涡轮机壳体之间，并且具有邻近于涡轮机叶轮的鼻部，鼻部限定了大体上径向面对外部的第一表面和大体上轴向面朝涡轮机叶轮的第二表面；大体上环形喷嘴环，其包括喷嘴的一个壁，并且与喷嘴的相对壁轴向间隔，叶片阵列绕喷嘴环周向地间隔并且设置在喷嘴中，叶片可旋转地安装到喷嘴环，使得叶片的安装角可变化，用于调节流向涡轮机叶轮的废气流，喷嘴环在邻近其内径处限定了大体上径向面对内部的第三表面以及与第三表面结合的第四表面，第四表面大体上轴向面朝中心壳体；和整体式定位器和热屏蔽，其具有邻接中心壳体的第一和第二表面且邻接喷嘴环的第三表面以相对于中心壳体径向定位喷嘴环的定位部分，以及对中心壳体屏蔽热废气的屏蔽部分。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述定位器和热屏蔽包括形成为非平面 结构的一片金属片。
3.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其中，定位部分包括弹簧，弹簧能以弹性形式径 向变形以允许喷嘴环的实质上无约束地热诱导径向变形。
4.根据权利要求3所述的涡轮增压器，其中，弹簧形成为具有大体C形横截面，C的开 口侧大体上面对轴向。
5.根据权利要求4所述的涡轮增压器，其中，C形横截面的径向外腿邻接喷嘴环的第三 和第四表面。
6.根据权利要求5所述的涡轮增压器，其中，C形横截面的径向内腿邻接中心壳体的第一表面。
7.根据权利要求6所述的涡轮增压器，其中，径向内腿包括多个周向间隔的舌片，舌片 径向向内弯曲并且构造成由中心壳体的第一表面径向向外地弹性变形。
8.根据权利要求6所述的涡轮增压器，其中，屏蔽部分从径向内腿大体上径向向内延伸。
9.根据权利要求8所述的涡轮增压器，其中，中心壳体的鼻部具有邻近于所述轴的径 向最内区域，屏蔽部分设置成对径向最内区域屏蔽废气。
全文摘要
本发明涉及具有喷嘴环定位销和整体式定位器及热屏蔽的涡轮增压器。具有可变喷嘴的涡轮增压器包括销，销安装中心壳体中并从该处轴向延伸而且接合在喷嘴环的孔中，以相对于中心壳体旋转地定向喷嘴环。销的部分长度具有比余下的长度大很多的柔度，使得销具有柔性尖部，柔性尖部接合在喷嘴环的孔中。柔性尖部减少了喷嘴环的热变形的约束。更大柔度的销部分可以是裂开和膨胀的一段管。涡轮增压器还可以包括整体式定位器和热屏蔽，其具有邻接中心壳体和喷嘴环用于相对于中心壳体使喷嘴环径向定位的定位部分和对中心壳体屏蔽热废气的屏蔽部分。
文档编号F02B39/00GK101922345SQ20101025098
公开日2010年12月22日 申请日期2010年6月13日 优先权日2009年6月15日
发明者E·塞弗林, F·阿贝尔, L·索斯, M·迪芬, P·巴瑟勒 申请人:霍尼韦尔国际公司