專利名稱：幾何形狀可變的渦輪增壓器的制作方法
技術領域：
本發明總的涉及幾何形狀可變的渦輪增壓器領域，涉及可動地設置于其中的重量比傳統的實心葉片輕的空氣動力學導流葉片，與已知的非實心葉片相比，表現出低的氣體泄漏，由此提供了改善的葉片工作延長的葉片/渦輪增壓器使用壽命。
背景技術：
用于汽油和紫油內燃機的渦輪增壓器是該技術中已知的裝置，它們用于利用從發動機流出的廢氣的熱量和容積流量來加壓或增壓流入發動機燃燒室的吸入空氣流。特別是，從發動機流出的廢氣以一種能使受廢氣驅動的渦輪在殼體內旋轉的方式流入渦輪增壓器的渦輪殼體。該受廢氣驅動的渦輪被安裝在一根軸的一端上，該軸對于被安裝在該軸另一端上的安置于一壓縮機殼體中的徑向空氣壓縮機是共用的。因此，渦輪的轉動也使該空氣壓縮機在與渦輪殼體分開的渦輪增壓器的壓縮機殼體中旋轉。空氣壓縮機的轉動使進入空氣進入壓縮機殼體，并在其與燃料混合而在發動機燃燒室內燃燒之前被加壓或增壓一需要的量。
在一渦輪增壓器中，常常希望控制通向渦輪的廢氣流來改善渦輪增壓器的效率或運作范圍。幾何形狀可變的渦輪增壓器的構型已被做成滿足這一要求。此種幾何形狀可變的渦輪增壓器的一種類型是一種有一可以變化的排氣噴嘴的渦輪增壓器，稱為可變噴嘴的渦輪增壓器。在可變噴嘴的渦輪增壓器中已經利用可變噴嘴的不同構型來控制廢氣流。在此種可變噴嘴的渦輪增壓器中用來獲得廢氣流控制的一種途經涉及使用圍繞渦輪入口成環狀安置的多個樞軸式轉動的葉片。這些樞軸式轉動的葉片被共同控制而改變葉片間通道的咽喉區，由此起到控制進入渦輪的廢氣流的作用。
為了保證此種可變噴嘴的渦輪增壓器的適當而可靠的運轉，重要的是將這些單個的葉片在渦輪殼體內構型和裝配成根據所希望的廢氣流控制驅動而自由地移動或樞軸式轉動。
圖1例示一種用于此種渦輪增壓器用途中的現有技術葉片10，包括外翼面12和內翼面14及對置的軸向表面16和18。該類型的葉片是一種具有“實心”構造的葉片，因為葉片的軸向表面16和18是由一種連續的平面結構界定的。
雖然此種傳統的實心葉片10可用于幾何形狀可變的渦輪增壓器，但已知這些葉片的實心設計使葉片在渦輪增壓器內很難移動，并已知在渦輪增壓器內的葉片和相關的葉片移動機構上產生有關的摩擦影響，這種影響能縮短渦輪增壓器的運轉使用壽命。此外，采用實心葉片的成本是相當昂貴的。
圖2A和2B分別例示另一種做成具有非實心構造的現有技術葉片20。確切地說，此種現有技術葉片20的構型做成具有軸向表面22和24，與上述實心葉片不同，它們具有基本上挖空的軸向表面。
如圖2A中所示，葉片軸向表面22由兩個挖空區域26和28限定，它們一起占據該軸向表面積的大部分。葉片軸向表面22包括一個設置在兩個挖空區段26和28之間的實心區段30，它占據該軸向表面積的小部分。如圖2B中所示，葉片軸向表面24由兩個挖空區段32和34限定，它們一起占據該軸向表面積的大部分。葉片軸向表面24包括一個設置在兩個挖空區段之間的孔36，該孔的位置與對置的葉片軸向表面22的實心區段30相對置。
該現有技術的挖空葉片能用于提供重量減輕的葉片結構，由此減小了渦輪增壓器內與此種構造的運動葉片有關的作用力和磨損，并降低了成本。但是，此種葉片的挖空結構可以在渦輪增壓器內產生不希望的空氣流影響。例如，這些挖空葉片的軸向表面可能起作用而對被引導到葉片翼面表面上的空氣形成泄漏路徑。例如，被引導到葉片前緣和翼面表面而不是沿該翼面表面被引導的空氣可能由于該挖空構型對空氣流的阻力減小而在葉片軸向表面和相鄰的渦輪增壓器表面之間泄漏。此種渦輪增壓器內的葉片泄漏是不希望有的，因為它嚴重降低渦輪增壓器的運轉效率。
因此，希望制造這樣一種用于幾何形狀可變的渦輪增壓器內的葉片，當與傳統的實心葉片比較時，該葉片重量減輕，而且該葉片盡可能減小或消除了渦輪增壓器內與越過葉片的空氣泄漏有關的不需要的空氣流影響，由此提高了葉片的運轉可靠性和渦輪增壓器效率。
發明概要本發明的葉片設置在一種幾何形狀可變的渦輪增壓器裝置內，該裝置包括一個有一廢氣入口和一出口的渦輪殼體、一個連接在該入口上的蝸殼和一個在該蝸殼附近的噴嘴壁。一個渦輪支承于該渦輪殼體內并附接在一根軸上。多個此種葉片設置在渦輪殼體內而在廢氣入口和渦輪之間。
本發明的葉片具有一個鄰近該渦輪的內翼面表面和一個與內翼面對置且基本上平行的外翼面表面。第一和第二軸向表面各自垂直于內外翼面表面并設置在內外翼面表面之間。一個葉片前緣沿第一內外翼面表面結合部而設置。一個葉片后緣沿第二內外翼面表面結合部而設置。本發明的葉片也包括一個設置在第一和第二軸向表面中的至少一個軸向表面內的孔，用于在孔中裝入一桿。
本發明的葉片的一個關鍵特點是，第一和第二軸向表面中的至少一個包括一種實心區段和挖空區段的組合構造。在一示范的實施例中，該實心區段從前緣向后緣延伸一段距離，而該挖空區段從后緣向前緣延伸一段距離。該實心和挖空區段的位置和構型做成盡可能減少或消除氣體沿葉片軸向表面的通過，由此起作用而提高渦輪增壓器的運轉效率。
附圖簡述參照下列附圖將更清楚地理解本發明，附圖中圖1是一種現有技術實心葉片的透視圖；圖2A和2B是一種現有技術挖空葉片的透視圖；圖3是用于一種利用傳統葉片的幾何形狀可變的渦輪增壓器的渦輪殼體的分解的等比例圖；圖4A和4B是一種按照本發明制造的葉片的側視圖；以及圖5是圖4A和4B的葉片的水平截面圖。
發明詳述本發明的為用于幾何形狀可變的渦輪增壓器而制造的葉片做成具有每個的特征為在關鍵部位安置的挖空和實心表面的軸向表面。更具體地說，本發明的葉片有一個沿一較大表面區域為實心的第一軸向表面和一個沿一較大表面區域為挖空的第二軸向表面。每個第一和第二軸向表面也包括占據各自的軸向表面的一個較小表面區域的相應的實心和挖空截面。本發明的葉片做成這樣的構型，使得在渦輪增壓器運轉期間能盡可能縮短或消除穿過葉片軸向表面的可能的泄漏路徑。
本發明的葉片設置在一種幾何形狀可變的或可變噴嘴的渦輪增壓器內。此種幾何形狀可變的渦輪增壓器總的包括一個附接在一端的有一渦輪殼體的中心殼體和一個附接在另一端的壓縮機殼體。一根軸可轉動地設置在該中心殼體內所包含的一個軸承裝置內。一個渦輪或渦輪附接在軸的一端并支承于該渦輪殼體內，而一個壓縮機葉輪附接在軸的另一端并支承在該壓縮機殼體內。渦輪殼體和壓縮機殼體利用(例如)延伸在相鄰殼體之間的螺栓而附接在該中心殼體上。
圖3例示一種已知的可變噴嘴的渦輪增壓器38的一部分，該渦輪增壓器38包括一個渦輪殼體40，后者有一用于接受廢氣流的標準入口42和一用于將廢氣引向發動機的排放系統的出口44。一個蝸殼連接在該排氣入口上，而在鄰近該蝸殼的渦輪殼體鑄件中包括一個外噴嘴壁。該渦輪殼體內支承一個渦輪和軸裝置46。供應該渦輪增壓器的廢氣或其它高能氣體通過該入口進入渦輪并通過蝸殼而分布在該渦輪殼體內，用于通過周邊的噴嘴進口48而基本上沿徑向進入該渦輪。
多個葉片50通過在其間垂直伸出的軸54而安裝在噴嘴壁52上。這些軸設置在該噴嘴壁中的相應的孔56中。這些葉片每個包括從與軸對置的側面伸出的驅動片58，它們被嚙合在組合環62的相應的槽60中，組合環62起第二噴嘴壁的作用。
一個驅動器裝置與該組合環連接并做成按照需要而沿一個方向或另一方向轉動該環，以便相對于該渦輪的轉動軸沿徑向向外或向內移動這些葉片，從而相應地增大或減小通往渦輪的廢氣流。當組合環轉動時，使葉片的驅動片58在其相應的槽60內從槽的一端到另一端移動。因為這些槽的取向有一沿組合環的徑向分量，所以葉片的驅動片在其相應的槽內的移動使葉片通過葉片軸在其相應的孔內的轉動而作樞軸式轉動，從而根據組合環轉動方向來打開或關閉該噴嘴區域。美國專利No.6,269,642和No.6,419,464中公開了包括此種部件的已知的可變噴嘴的渦輪增壓器的一個例子，它們參考合并于此。
如上面背景中所述，幾何形狀可變的渦輪增壓器的包括圖3中所示的上述多個葉片的配置的合適運轉要求這些葉片的構型做成既有利于以不產生過大的磨損的方式進行所希望的葉片移動如一種輕量的設計，又有利于氣體在渦輪殼體內的高效流動如不會助長氣流泄漏。
圖4A和4B例示本發明的一種示范實施例的葉片64，該葉片特別設計用于幾何形狀可變的渦輪增壓器如圖3中所示的上述渦輪增壓器，以便滿足所有這些要求。圖5也表示該葉片的水平截面，以便對下面討論的那些葉片部件提供進一步的參考。參照圖4A和5，葉片64包括一個低壓或外翼面66、一個對置的高壓或內翼面68以及軸向表面70和72(示于圖4B中)。這些葉片表面是相對于渦輪殼體內的葉片位置而界定的。葉片64包括在低壓翼面66和高壓翼面68的對置的共用端部處的前緣74和后緣76。該葉片包括一個位于前緣74附近并從軸向表面79向外伸出的薄片78。薄片78的構型做成以上述方式與一個組合環的槽與合，以便于葉片的驅動。
本發明的葉片可以包括除了上述公開的以外的翼面構型。在一優選實施例中，本發明的葉片可以有一能大于葉片長度約0.16倍即位于葉片長度的約0.16～0.50倍的翼面或徑向厚度(厚度在對置的內外翼面之間測得，而長度用葉片前后緣之間的直線測得)。此外，該外翼面可以是一個其曲率半徑小于葉片長度的約0.8倍的凸形表面。其次，葉片前緣的特征是具有相當大的曲率半徑，使得該外翼面的鄰近部分離驅動薄片相當遠，由此在前緣附近產生一個增大的厚度。
此外，內翼面可以設有一個連續的凸形(即由一單獨的曲率半徑界定的)，而可以有一由至少兩個不同形狀的區段界定的復合形狀。從前緣移動，該內翼面有一個由一大于前緣的曲率半徑的曲率半徑所界定的凸形部分，以便對該前緣畫輪廓或將前緣混合到該內表面中。該凸形部分以前緣74延伸到剛巧經薄片78。從該凸形部分移動，該內表面有一個延伸到葉片后緣的凹形部分。
葉片的軸向表面70包括一個由實心表面區段和挖空表面區段兩者形成的復合表面，這兩個表面區段特定地安置定位，以避免沿軸向表面的不需要的氣流泄漏。如此處使用的，術語“實心的”用于指指定的表面部分是扁平的或平面的，相對于內外翼面的界面邊緣不是凹進的。在該示范的實施例中，葉片軸向表面70包括一個在內外翼面68和66之間從葉片前緣74延伸到軸孔82的實心區段80。薄片78從該實心區段80伸出，而且該實心區段占據該軸向表面70的大部分表面積。在該示范的實施例中，該實心區段占據的軸向表面積大于約25％，優選的大于約50％，更優選的大于55％。
對于在圖3中所示的上述幾何形狀可變的渦輪增壓器內運轉的葉片，葉片軸向表面的暴露于渦輪增壓器內高壓差的部分和葉片的最會氣體泄漏的部分是葉片的對應于該組合環的疊合的部分，更確切地說，是組合環槽的疊合部分。可以推理，高壓氣體能通過組合環經過這些槽引到葉片的軸向表面上。為此，軸向表面70的構型做成具有的實心區域80的位置對應于組合環槽，以便對于通過該槽的任何高壓氣體能盡可能縮短泄漏路徑。
孔82的構型做成其中能裝入一軸，以允許葉片在渦輪增壓器內作樞軸式運動。在一示范的實施例中，孔82完全通過葉片伸出，并包括一個在其周圍同心地安置的凹面部分84。該凹面部分84有利于壓平運轉如壓花。葉片的軸向表面70上的緊密的平整度公差對于縮短泄漏路徑和滿足相關的效率損失是重要的。
葉片的軸向表面70包括一個挖空區段86，該區段86從界定軸孔82的一部分的壁88向后緣76延伸一段距離。挖空區域86由內外翼面的對置的內壁界定。挖空區段86占據軸向表面70的小部分表面積。在一示范的實施例中，挖空區域86占據的軸向表面積小于約40％，優選地小于35％。
對于與圖3中所示的上述幾何形狀可變的渦輪增壓器一起運轉的葉片，葉片軸向表面70的暴露于相當低的壓差的部分是葉片的從軸孔82延伸到后緣的部分。為此，氣體泄漏的可能性變小了，而且將該區段建造成具有挖空的構型將有利于降低成本和減小轉動質量。
圖4B示出從另一軸向表面72觀看的葉片64的視圖。軸向表面72包括一種由實心和挖空兩表面區段組成的組合構造，像軸向表面70一樣，是特定的定位安置以避免氣流泄漏不需要地通過其間。圖5中也示出該葉片軸向表面的特點。在該示范的實施例中，葉片軸向表面72包括一個在內外翼面68和66之間從葉片前緣74延伸到軸孔82的挖空區段92。
更確切地說，挖空區段90由對置的內外翼面的內壁和壁區段92界定，壁區段92限定延伸通過該葉片的軸孔82的邊界。如圖5中最清楚地示出的，在一示范的實施例中，挖空區段90的深度由沿對置的軸向表面70設置的實心區段80的內壁部分94確定。挖空區段90所占據的軸向表面72的部分大體上近似于或等于由實心區段80所占據的軸向表面70的部分。在該示范的實施例中，挖空區段90占據軸向表面72的大部分表面積，例如占據大于約50％最好大于55％的軸向表面積。
像軸向表面70一樣，軸向表面72包括一個圍繞軸孔82同心地安置的凹形表面部分96。該凹形表面部分96便于壓平運轉如壓花。為了縮短泄漏路徑和減少相關的效率損失，葉片的軸向表面72上的炭格平整度公差是重要的。
葉片軸向表面72還包括一個從軸孔82向后緣76延伸一段距離的實心區段98。實心區段98由內外翼面界定，并占據軸向表面72的小部分表面積。實心區段98占據的一部分軸向表面72基本上類似于或等于挖空區段86占據的一部分軸向表面70。在一個示范的實施例中，實心區段98占據的軸向表面積小于40％，最好小于35％。
對于裝入圖3中所示的上述幾何形狀可變的渦輪增壓器內運轉的葉片，葉片軸向表面72的暴露于渦輪增壓器內的高壓差的部分和葉片的最易受到氣體泄漏的部分是葉片的鄰近后緣的部分。通過實驗發現，葉片的這部分可以測量地沖擊渦輪效率。為此，軸向表面72的構型做成具有位于該孔和后緣之間的實心區段98，以盡可能縮短對任何高壓氣體的泄漏路徑。此外，葉片軸向表面72的暴露于相當低的壓差的部分是葉片的從前緣延伸到軸孔82的部分。葉片軸向表面的該部分沿一個不受阻礙的光滑的扁平的噴嘴面滑動，該處不存在產生顯著泄漏氣流的高壓氣源。為此，減小了氣體泄漏的可能性，有利于建造有一挖空構型的該區段時降低成本和減小轉動質量。
本發明的葉片的構型有意識地做成與軸向表面一起具有由實心區段和挖空區段的組合組成的區段。在一優選實施例中，該實心和挖空區段設置在一個與另一葉片軸向表面上的相應的挖空和實心區段對置的葉片軸向表面上。在該優選實施例中，該實心和挖空區段位于葉片的前緣或后緣附近。以上述例示和描述的方式構型的本發明的葉片，當用于圖3中所示的渦輪增壓器裝置內時，通過盡可能縮短沿每個軸向表面的實心和挖空部分的泄漏路徑而盡可能減小葉片軸向表面和相鄰的渦輪增壓器表面之間的氣體泄漏。
但是，可以理解，本發明的葉片可以包括其配置不同于上述例示和描述的而取決于特定的渦輪增壓器構型和渦輪增壓器用途的實心和挖空區段的組合構造。例如，本發明的葉片可以具有沿軸向表面不同地安置的實心和挖空區段，以便對付渦輪增壓器內不同位置的高壓差。本發明的一個關鍵特點是至少一個葉片軸向表面包括挖空和實心區段的組合。
本發明的葉片可以用用于制成傳統的現有技術葉片的同一種類的材料制成。本發明的葉片可通過機加工或模壓工藝制成。在一優選實施例中，本發明的葉片用金屬注射成形技術制成。本發明的葉片提供一種不同于實心葉片的理想的成本效益和輕量，而同時盡可能減小或消除渦輪增壓器內的不希望的氣體泄漏效果。因此，本發明的葉片的運轉能提高葉片的可動性，減小磨損效應，提高渦輪增壓器的運轉效率，并延長渦輪增壓器的運轉使用壽命。
現在已經按照專利法規的要求詳細地描述了本發明，該技術的專業人員可以理解，能對本文公開的特定實施例進行修改和替換。這些修改包括在本發明的范圍和意圖之內。
權利要求
1.一種幾何形狀可變的渦輪增壓器裝置，包括一個有一廢氣入口(42)和一出口(44)的渦輪殼體(40)，一個連接在入口(42)上的蝸殼和一個鄰近該蝸殼的噴嘴壁；一個被支承在渦輪殼體(40)內并附接在軸(46)上的渦輪；多個被設置在渦輪殼體(40)內而在廢氣入口(42)和渦輪之間的葉片(50)，每個葉片(50)包括一個定位在該渦輪附近的內翼面表面(68)；一個定位與內翼面(68)對置并與其平行的外翼面(66)；第一和第二軸向表面(70，72)，各自被安置成垂直于內外翼面表面(68，66)并在側外翼面表面之間；一個沿第一內外翼面表面結合部配置的前緣(74)；一個沿第二內外翼面表面結合部配置的后緣(76)；其中第一和第二軸向表面(70，72)中的至少一個包括一實心區段和一挖空區段的復合結構，該實心區段占據該軸向表面積的至少25％，并從前緣(74)向后緣(76)延伸，而該挖空區段從后緣(76)向前緣(74)延伸一段距離。
2.如權利要求1中所述的裝置，其特征在于，第一和第二軸向表面(70，72)各自包括該復合結構，其中第一軸向表面(70)的實心區段的位置與第二軸向表面(72)的挖空區段對置。
3.如權利要求1中所述的裝置，其特征在于，每個葉片(50)還包括一個在第一和第二軸向表面(70，72)的至少一個內而用于裝入一桿的孔，其中該實心區段從前緣(74)向該孔延伸，而該挖空區段從該孔(36)向一鄰近該后緣(76)的位置延伸。
4.如權利要求1中所述的裝置，其特征在于，該實心區段占據第一軸向表面(70)的表面積的大于50％。
5.如權利要求1中所述的裝置，其特征在于，還包括一個從該實心區段向外凸出而位于前緣(74)附近的薄片(58)。
6.如權利要求3中所述的裝置，其特征在于，該孔從第一軸向表面(70)穿過葉片(50)至第二軸向表面(72)，其中該第一軸向表面(70)包括從前緣(74)延伸到該孔的實心區段和從該孔延伸到一個鄰近后緣(76)的位置的挖空區段，其中第二軸向表面(72)包括從前緣(74)延伸到該孔的挖空區段和從該孔延伸到后緣(76)的實心區段。
7.如權利要求6中所述的裝置，其特征在于，第一軸向表面(70)的實心區段占據第一軸向表面(70)的大部分表面積，而第二軸向表面(72)的挖空區段占據第二軸向表面(72)的大部分表面積。
8.如權利要求6中所述的裝置，其特征在于，還包括一個從第一軸向表面(70)向外凸出而位于前緣(74)附近的薄片(58)。
9.一種幾何形狀可變的渦輪增壓器，還包括一個有一廢氣入口(42)和一出口(44)的渦輪殼體(40)，一個連接在入口(42)上的蝸殼和一個鄰近該蝸殼的噴嘴壁；一個被支承在渦輪殼體(40)內并附接在軸(46)上的渦輪；多個被設置在渦輪殼體(40)內而在廢氣入口(42)和渦輪之間的葉片(50)，每個葉片(50)包括一個定位在該渦輪附近的內翼面表面(68)；一個定位與內翼面(68)對置并與其平行的外翼面表面(66)；垂直于內外翼面表面(68，660并被配置在內外翼面之間的第一和第二軸向表面(70，72)，其中該第二軸向表面(72)位于該噴嘴壁附近，一個沿第一內外翼面表面結合部配置的前緣(74)；一個沿一第二內外翼面表面結合部配置的后緣(76)；一個穿過第二軸向表面(72)設置的孔，用于在其中裝入一根被配置在葉片(50)和該噴嘴壁之間的桿；以及被設置在第一軸向表面(70)上的驅動機構；一個沿第一軸向表面(70)被設置在葉片(50)附近的環狀組合環(62)，該環(62)包括用以與該驅動機構配合以便嚙合該多個葉片(50)而使葉片(50)在該渦輪增壓器內轉動的機構；其中第一和第二軸向表面(70，72)中的至少一個包括一實心區段和一挖空區段的復合結構，其中該實心區段占據從前緣(74)向后緣(76)延伸的葉片軸向表面的表面積的至少25％，其中該挖空區段從后緣(76)向前緣(74)延伸一段距離。
10.如權利要求9中所述的裝置，其特征在于，該實心區段沿第一軸向表面(70)從前緣(74)延伸到一個鄰近第二軸向表面(72)中的孔的位置，而該實心區段沿第二軸向表面(72)從該孔延伸到后緣(76)。
11.如權利要求10中所述的裝置，其特征在于，該挖空區段沿第一軸向表面(70)從一鄰近后緣(76)的位置延伸到一鄰近第二軸向表面(72)中孔的位置，而且該挖空區段沿第二軸向表面(72)從前緣(74)延伸到一鄰近該孔的位置。
12.如權利要求10中所述的裝置，其特征在于，第一軸向表面(70)的實心區段占據葉片(50)的在前后緣(74，76)之間測得的第一軸向表面(70)的表面積的至少50％。
13.如權利要求9中所述的裝置，其特征在于，該驅動機構是一個從葉片(50)向外凸出的薄片(58)，而該配合機構是一個槽(60)。
全文摘要
一種幾何形狀可變的渦輪增壓器，包括設置在其中的有一鄰近渦輪的內翼面(68)和一與內翼面(68)對置而平行的外翼面(66)的葉片(50)。葉片(50)包括第一和第二軸向表面(70，72)，它們每個垂直于內外翼面(68，66)并設置在內外翼面之間。葉片的前緣(74)沿第一內外翼面結合部設置，而其后緣(76)沿第二內外翼面結合部設置。第一和第二軸向表面(70，72)之一或兩個有一復合結構，該結構包括一個從前緣向后緣延伸一段距離的實心區段和一個從后緣向前緣延伸一段距離的挖空區段。
文檔編號F01D5/18GK1882764SQ200480033927
公開日2006年12月20日 申請日期2004年9月24日 優先權日2003年9月25日
發明者B·D·措林格爾, D·H·里特邁爾, K·P·斯拉普斯基 申請人:霍尼韋爾國際公司