具有用于协调环的固定轴向－径向引导件以及固定单一径向引导件的可变－叶片组件

摘要

用于可变喷嘴涡轮机的可变－叶片组件包括支承固定在接合在协调环(30)的内边缘内的凹口内的叶片臂(44)上的多个叶片(40)的喷嘴环(20)。协调环(30)围绕喷嘴环(20)的轴线转动，以便枢转叶片臂(44)，由此协调地枢转叶片(40)。用于协调环(30)的多个径向－轴向引导销(22)插入喷嘴环内的开口(24)内，并且刚性固定其上，使得径向－轴向引导销(22)不可转动固定在喷嘴环(20)上，其中每个径向－轴向引导销的引导部分从喷嘴环(20)的表面轴向伸出。每个引导部分限定接收协调环(30)的内边缘的凹槽(26)，使得协调环(30)通过径向－轴向引导销(22)限制，而不在径向和轴向上过度运动。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有可变喷嘴涡轮机的涡轮增压器，其中可动叶片的阵列布置在涡轮机的喷嘴内以便调节流入涡轮机的排放气体。

背景技术

通过排放气体驱动的涡轮增压器是与内燃机结合使用的装置，通过压缩输送到发动机空气吸入口以便与燃料混合并在发动机内燃烧的空气，增加发动机的功率输出。涡轮增压器包括安装在轴的位于压缩机壳体内的一端上的压缩机轮和安装在轴的位于涡轮机壳体内的另一端上的涡轮机轮。通常，涡轮机壳体与压缩机壳体分开形成，并且具有连接在涡轮机和压缩机壳体之间以便容纳轴的轴承的另一中央壳体。涡轮机壳体限定围绕涡轮机轮并且从发动机接收排放气体的大致环形的腔室。涡轮机组件包括从腔室通向涡轮机轮的喷嘴。排放气体从腔室流过喷嘴到涡轮机轮，并且涡轮机轮通过排放气体驱动。涡轮机因此从排放气体中提取功率，并且驱动压缩机。压缩机经由压缩机壳体的入口接收环境空气，并且空气通过压缩机轮压缩，并且接着从壳体排放到发动机空气吸入口。

通过涡轮机增压器增强发动机性能的挑战之一是在发动机的整个操作范围上实现所需的发动机功率输出量。已经发现此目的通常不容易通过固定几何形状涡轮机增压器来实现，并且因此已经开发了可变几何形状的涡轮增压器，其目的在于对于涡轮增压器所提供的增加量提供更大程度的控制。一种类型的可变几何形状涡轮增压器是可变-喷嘴的涡轮增压器(VNT)，其包括位于涡轮机喷嘴内的可变-叶片阵列。叶片枢转地安装在喷嘴内，并且连接到使得叶片的设置角度可以调节的机构上。改变叶片的设置角度具有改变涡轮机喷嘴内的有效流动面积的效果，并且因此流到涡轮机轮的排放气体可通过控制叶片位置来调节。以此方式，涡轮机的功率输出可以调节，与固定几何形状涡轮增压器相比，使得发动机功率输出以更大的程度进行控制。

通常可变-叶片组件包括可转动地支承靠近喷嘴环的一个表面的叶片的喷嘴环。叶片具有延伸经过喷嘴环内的轴承开口的轴，叶片臂刚性地固定在轴的伸出超过喷嘴环的相对面的端部上。因此，通过枢转叶片臂，叶片可围绕通过轴限定的轴线枢转，以便改变叶片的设置角度。协调地枢转叶片，致动器环或“协调环”(unison ring)靠近喷嘴环的相对面布置，并且包括位于其径向内边缘内的凹口，以便接收叶片臂的自由端。因此，协调环围绕喷嘴环的轴线的转动造成叶片臂以及叶片枢转，以便改变设置角度。

可变-叶片组件因此相对复杂，并且对于涡轮增压器的组装来说具有挑战。同样具有挑战的是如何将协调环支承在组件内，使其受到限制而不过度径向和轴向运动，同时自由转动以调节叶片设置角度。已经尝试了不同的方案来支承协调环，包括通过喷嘴环支承的可转动引导辊子的使用。由于它们的性质，这种引导辊子使得可变-叶片组件的组装变得复杂，通常因为它们松配合到喷嘴环内的开口内，它们容易掉落或者与喷嘴环分离。

发明内容

本发明涉及一种用于例如用于涡轮增压器内的可变喷嘴涡轮机的可变-叶片组件，其中协调环通过刚性固定在喷嘴环上的不转动引导件径向和轴向定位。在一个实施例中，可变-叶片组件包括围绕一个轴线并且具有限定在喷嘴环的相对第一和第二面之间的轴向厚度的喷嘴环，喷嘴环具有各自轴向延伸到第一面内的多个周向隔开的第一开口以及与第一开口周向隔开并从第一面轴向延伸到第二面的多个周向隔开的第二开口。该组件还包括各自具有从其一端延伸的轴的多个叶片，轴分别从喷嘴环的第二面接收在第二开口内，并且在第二开口内转动，使得叶片围绕轴限定的各自轴线转动，每个轴的远端从各自第二开口伸出超过第一面。多个叶片臂各自刚性固定在轴的远端上，每个叶片臂具有自由端。协调环具有限定在协调环靠近其第一面与喷嘴环同轴定位时各自接收叶片臂的自由端的多个凹口的径向内边缘，叶片的设置角度协调变化。协调环围绕喷嘴环的轴线转动，以便枢转叶片臂，由此协调地枢转叶片。

该组件还包括用于协调环的多个径向-轴向引导销，径向-轴向引导销各自插入喷嘴环内的各自一个第一开口，并且刚性固定其上，使得径向-轴向引导销不可转动地固定在喷嘴环上，其中每个径向-轴向引导销的引导部分从喷嘴环的第一面轴向伸出。每个引导部分在径向面向外的外表面内限定凹槽，以便接收协调环的径向内边缘，使得协调环通过径向-轴向引导销限制，而不在径向和轴向上过度运动。

在一个实施例中，喷嘴环限定延伸到第一面内的多个周向隔开的第三开口。第三开口与第一和第二开口周向隔开。可变-叶片组件还包括分别插入第三开口并刚性固定其上的多个单一径向(radial-only)引导销，使得单一径向引导销不可转动地固定在喷嘴环上，其中每个单一径向引导销的引导部分从喷嘴环的第一面轴向伸出。每个单一径向引导销的引导部分具有接触协调环的径向内边缘的外表面，使得协调环通过单一径向引导销限制，而不在径向上但可以在轴向上过度运动。

可变-叶片组件的组装可通过设置径向-轴向引导销(以及单一径向引导销(如果有的话))来辅助。更特别是，由于引导销牢固地固定在喷嘴环上，它们不会意外掉落。一旦协调环与固定在喷嘴环上的引导销接合，喷嘴环和协调环不容易变得分离，并且该组件可颠倒过来(协调环面向下、喷嘴环面向上)，而不担心协调环意外掉落。

通过压配合到喷嘴环内的开口内，或者通过任何其它适当的技术，引导销可固定在喷嘴环上。

在一个实施例中，径向-轴向引导销被构造和定位，并且协调环的径向内边缘内的凹口被构造和定位，使得在协调环相对于喷嘴环的第一转动位置上，每个径向-轴向引导销与协调环的内边缘内的相关一个凹口对准，由此使得协调环轴向滑动经过径向-轴向引导销，进入喷嘴环的第一面附近。用于叶片臂的协调环内的凹口提供所需的间隙，使得协调环滑动经过径向-轴向引导销。协调环接着相对于喷嘴环转动到第二转动位置，其中径向-轴向引导销不与协调环内的凹口对准。这种转动运动造成协调环的内边缘接合径向-轴向引导销内的凹槽，使得协调环通过径向-轴向引导销捕获，并且防止从喷嘴环轴向缩回。

附图说明

因此总体描述了本发明，现在参考不需要按照比例绘制的附图，附图中：

图1是按照本发明一个实施例的喷嘴环和径向-轴向引导销的分解视图；

图1A是按照本发明一个实施例的引导销的局部截面的侧视图；

图1B是按照另一实施例的引导销的局部截面的侧视图；

图1C是按照又一实施例的引导销的局部截面的侧视图；

图2是表示牢固固定在喷嘴环的第一面内的相应开口内的径向-轴向引导销的透视图；

图3是喷嘴环和协调环的分解视图；

图4是表示喷嘴环的透视图，其中协调环定位成使得其中的凹槽与径向-轴向引导销对准，并且运动到喷嘴环附近；

图5是类似于图4的视图，但是协调环转动到第二转动取向上，使得协调环的内边缘接合径向-轴向引导销内的凹槽；

图6是添加叶片、将叶片臂连接在叶片上以及叶片臂端部接合在协调环的凹口内之后的可变-叶片组件的透视图；

图7是图6的组件和单一径向引导销的分解视图；

图8表示单一径向引导销牢固固定在喷嘴环的第一面内的相应开口内之后的组件；

图9是图8的组件的透视图，组件被翻转以便表示靠近喷嘴环的第二面的叶片；

图10是表示图9的组件和与其组装在一起的涡轮机壳体插入件的分解视图；以及

图11表示在组装状态下的图10的组件和涡轮机壳体插入件。

具体实施方式

现在参考其中表示本发明的某些而不是所有实施例的附图，更加完整地描述本发明。实际上，本发明可以不同形式体现，并且不认为局限于这里提出的实施例；相反，这些实施例用来使得此披露满足可利用的法律要求。类似的标号总体表示类似的元件。

图1表示具有多个径向-轴向引导销22的喷嘴环20的分解视图。喷嘴环具有延伸到喷嘴环的第一面内以便接收径向-轴向引导销的多个周向隔开的第一开口24。更特别是，每个径向-轴向引导销具有相对小直径的大致圆柱形销部分，该销部分设置尺寸以便以干涉配合的方式配合到相应的第一开口24内，并且具有在销部分完全插入第一开口内时邻靠喷嘴环的第一面的大直径引导部分。引导销22压配合到第一开口24内，使得径向-轴向引导销的引导部分从喷嘴的第一面轴向伸出，如图2所示。虽然可以使用不同数量的径向-轴向引导销，在所示实施例中，存在围绕喷嘴环的周边大致均匀隔开的三个径向-轴向引导销22。

图1A、1B和1C表示可用于这里描述的可变-叶片组件的引导销的三个可能的非限定性实施例。单件式引导销22表示在图1A。销部分22a和引导部分22b包括整体的单件构件(例如由杆料或类似物锻制或加工而成)。销部分22a有利地具有所示的滚花，通过压配合到喷嘴环内的开口内，有助于销部分的牢固紧固。引导部分22b限定至少部分围绕引导部分的周边在销的周向上延伸的凹槽26。在所示实施例中，凹槽26完全围绕周边延伸，但是作为选择凹槽可只部分围绕周边延伸。凹槽26的宽度(即凹槽在平行于引导销的轴线的方向上的尺寸)足够大，以便接收可变-叶片组件的协调环的内边缘，如下面进一步描述那样。

可选择的引导销结构表示在图1B中，图1B表示通过滚花的销部分22a’和引导部分22b’形成的两件式引导销22’。引导部分包括贯穿的中心孔，销部分的长度的一部分压配合到孔内，其它部分从孔伸出以便压配合到喷嘴环内的开口内。引导部分和销部分可在销部分压配合到喷嘴环的开口内之前或之后结合在一起。引导销的两部分固定结合，使其不相对转动。

图1C表示可选择的两件式销结构。引导销22”具有于引导部分22b”的一部分形成整体的销部分22a”。引导部分形成两个分开的部分。更特别是，引导部分的“凸缘”之一和引导部分的减小直径部分与销部分22a”形成整体，并且该结构的与销部分相对的滚花端部压配合到引导部分的另一“凸缘”内的孔内。此第二凸缘可在销部分压配合到喷嘴环内的开口内之前或之后结合到引导销的其它部分上。

图3表示图2的组件以及协调环30。协调环具有其直径小于通过径向-轴向引导销22的引导部分的凸缘总体限定的最大直径的径向内边缘32。如果引导部分内的凹槽26只围绕周边部分延伸，销被安装成使得凹槽朝着协调环的内边缘径向面向外。通过凹槽26的底壁总体限定的最大直径略微小于或大致等于协调环30的内边缘32的直径，使得协调环的内边缘32接合在引导销的凹槽26内，并且每个凹槽26的相对侧上的凸缘限制协调环轴向运动，同时凹槽26的底壁限制协调环相对于喷嘴环径向运动。但是关键在于如何以最为方便的方式组装协调环以及引导销和喷嘴环。

按照本发明的某些实施例，协调环的内边缘32内的凹口34有利地用来有助于协调环和喷嘴环以及径向-轴向引导销组装。更特别是，径向-轴向引导销22定位成在协调环如图3所示相对于喷嘴环定位在正确转动取向时，使得所有销可同时与协调环内的相应凹口34对准。凹口34提供足够的间隙，使得协调环轴向滑动到喷嘴环的第一面附近，离开引导销22，如图4所示。

有利的是，凹口34可包括设置成接收叶片臂的端部的同一凹口，如下面进一步描述那样。作为选择，可以提供专用的凹口，其唯一作用在于有助于组装。在任何情况下，组装过程中的下一步骤是相对于喷嘴环20转动协调环30，使得协调环的内边缘32接合轴向-单一径向引导销22内的凹槽26，如图5所示。在协调环的此位置上，位于每个凹槽26的相对侧上的引导销的凸缘限制协调环轴向运动，同时凹槽26的底壁总体限制协调环相对于喷嘴环径向运动。

组装过程的下一步骤是将叶片与喷嘴环和协调环组装在一起。相对于图6，每个叶片40具有刚性固定其上的轴42。轴42插入喷嘴环内的相应第二开口28(图3)，开口28从第一面整体延伸穿过喷嘴环到其相对的第二面。轴42从第二面插入开口28，并且轴的远端略微延伸超过第一面。叶片臂44与每个叶片轴42的远端接合。每个叶片臂具有接合在协调环30的凹口34之一内的自由端46。叶片40定位成使得所有叶片具有相同的设置角度，并且叶片臂例如通过焊接而刚性固定在轴42上。

图6所示的组件因此具有基本上相对于喷嘴环20在径向和轴向上固定的协调环30，同时协调环能够围绕喷嘴环的轴线转动，以便改变叶片40的设置角度。

在图7的另一实施例中，图6的组件通过添加另外的引导销50来调整。喷嘴包括延伸到喷嘴环的第一面内的第三开口52，并且引导销50压配合或者刚性固定在第三开口内。引导销50包括单一径向引导销，意味着它们径向限制而不是轴向限制协调环30。因此，单一径向引导销50不如同径向-轴向引导销那样包括周向凹槽。单一径向引导销总体限定等于径向-轴向引导销内的凹槽的底壁限定的直径的最大外直径。因此，径向-轴向引导销和单一径向引导销都相互协作，以便相对于喷嘴环径向定位协调环。添加单一径向引导销增加了与协调环的内边缘接合的总体轴承表面面积。在所示实施例中，具有三个径向-轴向引导销和两个单一径向引导销。但是可以使用不同数量的引导销。

图9表示相对于图1-8的取向翻转的可变-叶片组件，使得叶片40和轴线42可更加容易看到。在图9中还看到刚性固定在喷嘴环上并从其第二面轴向伸出的三个间隔件60，以便与涡轮机壳体插入件70接合(图10)。涡轮机壳体插入件70具有三个开口72以便接收间隔件70的端部。间隔件具有邻靠喷嘴的第二面和插入件70的相对面的台肩或径向突起，以便在这些面直径形成轴向间隙。间隔件例如通过焊接而刚性固定在喷嘴环和插入件上。喷嘴环和插入件因此相互协作以便在其中形成通道，并且可变-叶片44配置在通道内，并且最好在轴向上完全延伸经过通道，使得流过通道的流体受到限制，以便流过叶片之间的空间。

涡轮机壳体插入件70构造有管状部分74(图11)，以便插入涡轮增压器内的涡轮机壳体的孔口内。包括涡轮机壳体插入件70的整个可变-叶片组件形成可安装在涡轮机壳体孔口内的单元。涡轮机壳体接着连接到涡轮增压器的中央壳体上，使得可变-叶片组件在涡轮机和中央壳体之间捕获。

得益于以上描述和相关附图中提供的教导，与本发明相关的领域内的普通技术人员将明白这里提出的本发明的许多变型和其它实施例。因此，应该理解到本发明不局限于所披露的特定实施例，并且所述变型和其它实施例用来包括在所附权利要求的范围内。虽然这里采用特定是术语，这些术语只以通用和描述性含义使用，而没有限制含义。