专利名称：用于涡轮增压器的可变喷嘴组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有可变喷嘴涡轮的涡轮增压器，其中可移动叶片的 阵列安置在涡轮的喷嘴中用于调节进入涡轮内的废气流。
背景技术：
废气驱动的涡轮增压器是一种结合内燃机使用的装置，用于通过 对输送到发动机进气口以与燃料混合并在发动机中燃烧的空气进行压 缩来增加发动机的动力输出。涡轮增压器包括安装到压缩机壳体中的 轴杆一端上的压缩机叶轮和安装到涡轮壳体中的轴杆的另一端上的涡 轮叶轮。典型地，涡轮壳体与压缩机壳体各自独立地形成，且存在另 一中心壳体连接在涡轮壳体与压缩机壳体之间以容纳用于轴杆的轴
承。涡轮壳体限定大体上环形的腔室，该大体上环形的腔室包围涡轮 叶轮并从发动机接收废气。涡轮组件包括从腔室通向涡轮叶轮内的喷 嘴。废气从腔室经过喷嘴流到涡轮叶轮并由废气来驱动涡轮叶轮。因 而涡轮从废气提取动力并驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口 接收环境空气且空气由压缩机叶轮压缩，然后从壳体排放到发动机进 气口。
利用涡轮增压器来提高发动机性能所面临的挑战之一是在发动机 的整个操作范围内实现所需的发动机功率输出量。已发现此目标常常 不太容易利用固定几何形状的涡轮增压器而实现，因此研发了可变几 何形状的涡轮增压器，其目的在于更大程度地控制由涡轮增压器所提 供的增压量。 一种可变几何形状的涡轮增压器是可变喷嘴涡轮增压器
(VNT)，其包括在涡轮喷嘴中的可变叶片的阵列。所述叶片枢转地安装 在喷嘴中并且连接到能改变叶片的设定角度的机构上。改变叶片的设 定角度具有改变涡轮喷嘴中的有效流通面积的作用，且因此可通过控 制叶片的位置来调节废气到涡轮叶轮的流动。这样，能调节涡轮的功 率输出，这使得与利用固定几何形状的涡轮增压器一般有可能实现的 效果相比，能在更大程度上控制发送机的功率输出。
可变叶片机构相对复杂，且因此在涡轮增压器的组装方面提出了
4挑战。而且，机构位于涡轮壳体与中心壳体之间，涡轮壳体由于其暴 露于废气而变得相当热，中心壳体的温度远低于涡轮壳体的温度。因 此，可变叶片机构由于此温度梯度而经受热应力。
本申请的受让人在先前通过提供一种可变喷嘴涡轮增压器解决了 上文所述的问题，该可变喷嘴涡轮增压器包括容纳有可变叶片机构的 盒。涡轮限定喷嘴和中心内孔，废气通过喷嘴输送到涡轮叶轮，在废 气穿过涡轮叶轮之后经过中心内孔排放。盒连接在中心壳体与涡轮壳 体之间且包括大体上环形的喷嘴环与叶片阵列的组件，叶片阵列绕喷
环使得致动环的旋转也使叶片旋转以调节到涡轮叶轮的废气流动。盒 还包括插入件，该插入件具有被密封地接收到涡轮壳体内孔中的管状 部分且具有从管状部分的一端大体上在径向向外延伸的喷嘴部分，该
伸。;个间隔;:接在插入;的喷嘴部分与喷嘴环i间用l将喷嘴环 固定到插入件上并维持插入件的喷嘴部分与喷嘴环之间的轴向间距。 间隔件焊接到插入件的喷嘴部分上。
由于喷嘴部分中用于间隔件的孔靠近喷嘴部分的径向外边缘的事 实，因此将间隔件焊接到插入件的喷嘴部分上是一个复杂的任务，且 因此每个孔与喷嘴部分的外边缘之间的局部壁部段较薄，而在该孔的 径向内侧上，有更多的金属质量。在孔周围的这种较大的金属质量梯
度使得难以形成具有穿过喷嘴部分深度的足够焊接熔深(weld penetration )的良好焊接。利用更大强度或更长持续时间的焊接来改进 熔深是一个不可行的方案，因为其具有有害的副作用，诸如喷嘴部分 平坦性降级以及在壁部段较薄的喷嘴部分外边缘处的过量金属熔融。
因此，虽然上文所述的涡轮增压器运转良好，但仍寻求进一步的 改进。
发明内容
根据本公开内容的一个方面，在大体上如上文所述类型的涡轮增 压器中，可变喷嘴组件包括大体上环形的喷嘴环和叶片阵列、以及 插入件，该叶片阵列可绕喷嘴环在周向间隔开并且可旋转地安装到喷 嘴环上从而可改变叶片的设定角度以调节流经其中的废气流，该插入件具有管状部分和从管状部分的一端大体上在径向延伸出来的环形喷 嘴部分。该喷嘴部分具有在轴向朝向喷嘴环的基本上平面的第一表面 和相对的基本上平面的第二表面。插入件限定了多个在轴向延伸的孔， 其延伸穿过限定在第一表面与第二表面之间的喷嘴部分的整个厚度， 该孔沿着喷嘴部分的周向彼此间隔开并且靠近喷嘴部分的径向外边 缘。该组件还包括多个间隔件，所述的多个间隔件在周向间隔开且并 且该间隔件的第一端接合到接合到喷嘴环，间隔件的相对的第二端啮 合到插入件的喷嘴部分的孔中并通过形成于第二表面的焊缝而固定到 喷嘴部分上。环形凹槽限定在喷嘴部分的第二表面中并位于孔的径向 向内处且靠近该孔，凹槽延伸穿过喷嘴部分的部分厚度。
在喷嘴部分中提供凹槽有效地减小邻近每个孔的径向内侧的金属 质量，使得在此区域中所实现的焊缝熔深相当于或至少接近在靠近喷 嘴部分外边缘处的孔的径向外侧上所实现的熔深程度。
除了凹槽之外或作为凹槽的替代，对于每个孔，喷嘴部分可具有 限定在第二表面中的一对凹口 ，所述凹口在每个孔的相对侧上间隔开。 凹口延伸穿过喷嘴部分的部分厚度。凹口减小邻近孔侧部的金属质量 以帮助实现这些区域中更大的焊缝熔深。
已经概括地描述了本发明，现将参看附图，附图未必按照比例绘
制，且其中
图l是不包括本发明的特点的可变喷嘴组件的透视图； 图2是图1的组件的一部分的截面图3是在大体上如图1所示的可变喷嘴组件中所产生的焊缝的放 大照片，该焊缝沿着组件的径向-轴向平面剖切；
图4是根据本发明的一个实施例的可变喷嘴组件的透视图； 图5是图4的组件的一部分的截面图6是在根据本发明具有环形凹槽的可变喷嘴组件中所产生的焊 缝的放大照片，该焊缝沿着组件的径向-轴向平面剖切；
图7是在大体上如图4所示的具有环形凹槽以及两个凹口的可变 喷嘴组件中所产生的焊缝的放大照片，该焊缝沿着组件的径向-轴向平 面剖切。
具体实施例方式
现将参看附图在下文中更全面地描述本发明，在附图中示出了本 发明的某些实施例但非全部实施例。实际上，这些发明可体现为许多
不同的形式且不应被解释为限于本文所述的实施例；而是提供这些实 施例使得本公开内容满足可适用的法律要件。在所有附图中相同的附 图标记指代相同元件。
本发明涉及对大体上如图1和图2所示的可变喷嘴组件100的改 进。该可变喷嘴组件由大体上环形喷嘴环110形成，该大体上环形喷 嘴环110支承多个叶片120，叶片120绕喷嘴环在周向间隔开。叶片以 已知方式可旋转地通过枢轴支承在(journaled in)喷嘴环中从而可改 变叶片的设定角度来调节经过喷嘴的流动。可变喷嘴组件还包括插入 件130，该插入件130具有管状部分132,该管状部分132被配置成插 入到涡轮壳体的轴向孔内。该插入件还具有环形喷嘴部分134，环形喷 嘴部分134接合到管状部分132的一端并且从该处径向向外延伸。喷 嘴部分具有在轴向朝向喷嘴环110并与喷嘴环110间隔开的基本上平 面的第一表面136和背向喷嘴环的基本上平面的第二表面138。叶片 120安置在喷嘴环与插入件的喷嘴部分之间。叶片具有叶片臂(不可见)， 叶片臂从插入件开始邻近喷嘴环的相对侧，且叶片臂由可旋转的调节 环(unison ring)125啮合。调节环的旋转使叶片绕它们的相应轴线枢转。
喷嘴部分134利用多个间隔件140(在所图解的实施例中数量为三 个)固定到喷嘴环110上，间隔件140在周向间隔开并且沿轴向在喷嘴 部分与喷嘴环之间延伸。每个间隔件具有相对较大直径的中部，以及 直径小于中部且为圆柱形式的相对的第一和第二端部。第一端部以任 何合适的方式固定在形成于喷嘴环中的孔112中，且第二端部穿过形 成于喷嘴部分134中的孔142。孔112、 142的直径小于间隔件的中部 的直径使得中部邻靠喷嘴环和喷嘴部分的相面对的表面并且使它们以 间隔件中部所决定的轴向距离保持间隔开。间隔件的第二端部的长度 约等于喷嘴部分134的厚度使得间隔件的顶端与第二表面138近似齐 平。间隔件的第二端部通过在第二表面形成的焊缝而固定到喷嘴部分 上。
以此方式产生焊缝且焊缝随后沿着径向-轴向平面被剖切并拍照。利用由德国Wissen的L-TEC Schwei P technik GmbH所供应的PTW 150等离子电弧焊炬(arc torch)来产生焊缝。焊接温度大约为1600 至20001:，且焊接过程为自熔焊过程(即，不添加焊接材料)。间隔件 140由AISI316L (奥氏体不锈钢)制成且通过车削制造，且插入件130 由AISI309(奥氏体不锈钢)制成且通过热锻和机加工而制造。剖切焊缝 的放大照片在图3中示出。可以看出在孔142的径向外侧(在图3中表 示为区域A)，在该处由于孔靠近喷嘴部分134的外边缘所以金属厚度 量值在径向上较小，在喷嘴部分的厚度方向上的焊缝熔深相对较大。 相比而言，在孔的径向内侧(在图3中表示为区域B)，在该处材料的质 量大得多，焊缝熔深基本上更小。这种不均匀的熔深是不合乎需要的， 且本发明的目的在于减小这种不均匀性。
因此，根据本发明的一个实施例的可变喷嘴组件200在图4和图5 中示出。该组件包括与图1的实施例相同的喷嘴环110、叶片120、和 间隔件140，且因此在此将不再重复这些部件的描述。组件200与现有 组件的不同在于相对于插入件130修改了插入件230。插入件230包括 大体上如上文所述的管状部分232。插入件的喷嘴部分234还具有基本 上平面的第一表面236和基本上平面的第二表面238，并包括用于间隔 件140的笫二端部的孔242。但是，与现有实施例不同，笫二表面238 中具有在其中形成的环形凹槽250，该环形凹槽250延伸穿过喷嘴部分 234的部分厚度。凹槽位于靠近孔242的径向向内处。在孔242的径向 内边缘与凹槽250的径向外边缘之间的径向距离可约等于孔242的径 向外边缘与喷嘴部分的径向外边缘之间的径向距离。 一般而言，这个 间距可以是孔242直径的大约0.3至0.7倍，但是本发明并不限于此。 凹槽250的径向宽度可以是孔242直径的大约0.5至l.O倍，但同样， 本发明并不限于此。
除了环形凹槽250之外或者作为环形凹槽250的替代，喷嘴部分 234的第二表面238还包括与每个孔242相关联的一对凹口 260。凹口 260在周向上在每个孔242的相对侧上间隔开，且延伸穿过喷嘴部分的 部分厚度。所述凹口中的每个凹口可以与相关联的孔242间隔开周向 距离，该周向距离大约等于孔242的径向外边缘与喷嘴部分的径向外 边缘之间的径向距离。 一般而言，这个周向距离可以是孔242直径的 大约0.3至0.7倍，但本发明并不限于此。凹口可以是圆形的且可具有等于孔直径大约0.8至1.3倍的直径，但本发明也并不限于此。凹口 260 有效地减小邻近孔242的周向相对侧的金属质量，从而在这些区域中 帮助实现更大的焊缝熔深。
在间隔侔鸟且右玩形凹措250但不J右凹口 260的喰喵部分之间
所产生的焊缝沿着径向-轴向平面剖切并拍照。焊缝的放大照片在图6 中示出。在孔的径向外侧，焊缝熔深同样相对较大。在孔的径向内侧(在 图6中标注为区域C)，焊缝熔深并不太大，但基本上大于图3所示焊 缝区域B的焊缝熔深。在孔(未图示)的周向相对側，熔深类似于图3 的区域B。
为了测试凹口 260的效果，在大体上如图4所示的间隔件与具有 环形凹槽250以及凹口 260 二者的喷嘴部分之间产生的焊缝沿着径向-轴向平面剖切并拍照。焊缝的放大照片在图7中示出。在孔的径向外 侧，焊缝熔深同样相对较大。在孔的径向内侧(在图7中标注为区域D)， 焊缝熔深并不很大，但基本上大于图3所示的焊缝的区域B的焊缝熔 深。在孔的周向相对侧(未图示)，熔深类似于区域D。因此，凹口260 在孔的周向相对侧增加焊缝熔深。
因而环形凹槽250和/或凹口 260有效地增加其邻近区域中的焊缝 熔深。
采用每个孔三个凹口且不采用凹槽也在本发明的范畴内。这些凹 口中的两个凹口处于孔的相对的周向侧上，且第三凹口在孔的径向内 侧上。
受益于前文描述和相关联附图中所提出的教导内容，本发明所属 领域的技术人员能想出本文所述的本发明的许多修改和其它实施例。 因此，应了解本发明并不限于所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书的范畴内。尽管在本文中采用了具体术 语，但它们仅以一般性和描述性的意义使用且并不用于限制的目的。
权利要求
1. 一种用于涡轮增压器的可变喷嘴组件，其包括大体环形的喷嘴环和叶片阵列，所述叶片阵列绕所述喷嘴环在周向上间隔开并且可旋转地安装到所述喷嘴环上从而可改变所述叶片的设定角度以用于调节流经所述喷嘴的废气流动；插入件，其具有管状部分并具有从所述管状部分的一端大体上在径向上向外延伸的环形喷嘴部分，所述喷嘴部分具有在轴向上朝向所述喷嘴环的基本上平面的第一表面和相对的基本上平面的第二表面，所述插入件限定多个在轴向上延伸的孔，所述多个在轴向上延伸的孔延伸穿过限定在所述第一表面与第二表面之间的所述喷嘴部分的整个厚度，所述孔沿着所述喷嘴部分的圆周方向彼此间隔开并且靠近所述喷嘴部分的径向外边缘；多个间隔件，其在周向间隔开并且其第一端接合到所述喷嘴环上，所述间隔件的相对的第二端啮合到所述插入件的所述喷嘴部分中的所述孔中并通过在所述第二表面上形成的焊缝而固定到所述喷嘴部分上；以及环形凹槽，其限定在所述喷嘴部分的所述第二表面中且位于所述孔的径向向内处并靠近所述孔，所述凹槽延伸穿过所述喷嘴部分的部分厚度。
2. 根据权利要求1所述的可变喷嘴组件，其特征在于，所述凹槽的 径向宽度沿着周向恒定。
3. 根据权利要求1所述的可变喷嘴组件，其特征在于，所述凹槽 的最大径向宽度等于所述孔直径的大约0.5至1.0倍。
4. 根据权利要求1所述的可变喷嘴组件，其特征在于，所述凹槽 以等于所述孔直径大约0.3至0.7倍的径向距离与所述孔间隔开。
5. 根据权利要求1所迷的可变喷嘴组件，其特征在于，其还包括 用于每个孔的一对离散的凹口 ，每对凹口形成在所述喷嘴部分的所述 第二表面中；且所述每对凹口大体上在圆周方向上在相应孔的相对侧 上间隔开，所述凹口延伸穿过所述喷嘴部分的部分厚度。
6. 根据权利要求5所述的可变喷嘴组件，其特征在于，所述凹口 为圆形。
7. 根据权利要求6所述的可变喷嘴组件，其特征在于，所述凹口具有等于所述孔直径的大约0.8至1.3倍的直径。
8. —种用于涡轮增压器的可变喷嘴組件，其包括大体环形的喷嘴环和叶片阵列，所述叶片阵列绕所述喷嘴环在周i角度^用于二节流经所述喷嘴的废气流、动； "'、插入件，其具有管状部分并具有从所述管状部分的一端大体上在 径向上向外延伸的环形喷嘴部分，所述喷嘴部分具有在轴向上朝向所 述喷嘴环的基本上平面的第一表面和相对的基本上平面的第二表面， 所述插入件限定多个在轴向上延伸的孔，所述多个在轴向上延伸的孔 延伸穿过限定在所述笫一表面与第二表面之间的所述喷嘴部分的整个 厚度，所述孔沿着所述喷嘴部分的圆周方向彼此间隔开并且靠近所述 喷嘴部分的径向外边缘；多个间隔件，其在周向间隔开并且其第一端接合到所述喷嘴环上， 所述间隔件的相对的第二端啮合到所述插入件的所述喷嘴部分中的所 述孔中并通过在所述第二表面上形成的焊缝而固定到所述喷嘴部分 上；以及用于每个孔的一对离散的凹口，每对凹口形成在所述喷嘴部分的 所述第二表面中且所述每对凹口靠近相应孔的侧部，所述凹口延伸穿 过所述喷嘴部分的部分厚度。
9. 根据权利要求8所述的可变喷嘴组件，其特征在于，所述每对凹 口大体在圆周方向上在相应孔的相对侧上间隔开。
10. 根据权利要求8所述的可变喷嘴组件，其特征在于，所述凹口 是圓形的且具有等于所述孔直径的大约0.8至1.3倍的直径。
全文摘要
本发明涉及一种用于涡轮增压器的可变喷嘴组件，其中所述可变喷嘴组件包括喷嘴环和叶片阵列以及插入件，叶片阵列绕喷嘴环在周向上间隔开且可旋转地安装到喷嘴环上从而可改变叶片的设定角度，插入件具有管状部分和从所述管状部分的一端大体上在径向向外延伸的环形喷嘴部分。多个在轴向延伸的孔延伸穿过喷嘴部分的厚度。多个间隔件的第一端接合到喷嘴环上，间隔件的相对的第二端啮合到孔中并通过在第二表面上形成的焊缝而固定到喷嘴部分上。环形凹槽限定在喷嘴部分的第二表面中且在所述孔的径向径向向内处并靠近所述孔。可替代地或补充地，离散的凹口形成在邻近孔的第二表面中。凹槽和/或凹口有助于加大焊缝熔深。
文档编号E21B29/06GK101532376SQ20091000775
公开日2009年9月16日 申请日期2009年2月24日 优先权日2008年2月25日
发明者F·阿贝尔, L·索斯, O·埃斯帕萨, P·巴瑟勒特 申请人:霍尼韦尔国际公司