具有可磨損涂層的vtg渦輪增壓器葉片組組件的制作方法
【專利摘要】在此提供了一種用于VTG渦輪增壓器的葉片組。該葉片組包括多個葉片，這些葉片被樞轉地定位在一個上部葉片環的內表面與一個下部葉片環的內表面之間。在這些葉片的相反的頰部表面與這些葉片環的內表面之間限定了多個間隙。該葉片組被配置成通過將一種可磨損涂層涂敷至該上部葉片環的內表面、該下部葉片環的內表面和/或這些葉片中的一個或多個葉片的一個（多個）頰部表面上來使這些間隙最小化。以此方式，可以建立一個基本上為零的間隙而不干擾這些葉片的正常功能。其結果是，可以獲得效率增益。在運行過程中可能發生該可磨損涂層的進一步的磨損。
【專利說明】具有可磨損涂層的VTG渦輪增壓器葉片組組件發明領域
[0001]實施例總體上涉及渦輪增壓器，并且更具體地講涉及用于可變渦輪幾何形狀渦輪增壓器的葉片組。
[0002]發明背景
[0003]渦輪增壓器是一種強制進氣系統。它們將空氣以與在正常吸氣構型中的可能情況相比更大的密度傳送到發動機進氣中，從而允許燃燒更多的燃料，因此在沒有明顯增加發動機重量的情況下提升了發動機的馬力。一個更小的渦輪增壓發動機取代一個更大物理尺寸的正常吸氣的發動機，這將減小質量并且可以減小車輛的空氣動力學的前端面積。
[0004]參見圖1，渦輪增壓器(10)利用來自發動機排氣歧管的排氣流來驅動一個渦輪機葉輪(12)，該渦輪機葉輪被定位在一個渦輪機殼體(14)中以形成一個渦輪機級(16)。由渦輪機葉輪(12)提取的能量被轉換成旋轉運動，該旋轉運動然后驅動一個壓縮機葉輪(18)，該壓縮機葉輪被定位在一個壓縮機蓋件(20)中以形成一個壓縮機級(22)。壓縮機葉輪
(18)抽取空氣進入渦輪壓縮機(10)、壓縮這些空氣并且將該空氣輸送到該發動機的進氣側。
[0005]可變幾何形狀渦輪增壓器典型地使用多個可旋轉葉片(24)來控制撞擊渦輪機葉輪(12)的排氣的流動并且控制渦輪機級(16)的功率。這些葉片(24)因此還控制由壓縮機級(22)產生的壓力比。在通過使用高壓排氣再循環(HP EGR)技術來控制NOx的產生的發動機中，這些葉片(24)在VTG中的功能還提供了一種用于控制和產生排氣背壓的措施。
[0006]一個陣列的可樞轉葉片(24)被定位在一個總體上環形的上部葉片環(UVR) (26)與一個總體上環形的下部葉片環(LVR) (28)之間。各個葉片在從所述葉片(24)伸出的一對相反的軸(30)上旋轉(圖2)，這些軸在一條共同的軸線上。各個軸(30)被定位在LVR (28)中的一個對應的孔口和UVR(30)的一個對應的孔口中。UVR(26)相對于LVR(28)的角取向被設定成使得這些葉片環(26、28)中的互補孔口與葉片(24)的這些軸(30)的軸線同心，并且該葉片(24)圍繞與這兩個孔口此時確立的中心線同心的這兩個軸(30)的軸線(32)自由旋轉。在葉片(24)的UVR側上的每個軸(30)伸出通過UVR(26)并且被附接到一個葉片臂(34)上，該葉片臂控制該葉片(24)相對于這些葉片環(26、28)的旋轉位置。典型地，存在通過多個小的滑塊(48)來協調地控制所有這些葉片臂(34)的一個分開的環。這個協調環(50)是由一個致動器來控制的，該致動器被操作性地連接以使該協調環(50)旋轉。該致動器典型地接受發動機電子控制單元(ECU)的命令。由該多個葉片(24)和這兩個葉片環(26、28)構成的組件典型地被稱作葉片組。
[0007]在一個葉片組中，在控制允許撞擊渦輪機葉輪(12)的廢氣和產生該渦輪機葉輪
(12)的上游側的背壓的兩個過程中這些可旋轉葉片(24)、更確切地講這些葉片(24)的頰部(36)與該上部葉片環(26)和下部葉片環(28)的內表面(38、40)之間的間隙是效率損失的主要貢獻者。這些葉片側頰部(36)與這些葉片環(26、28)的互補內表面(38、40)之間的間隙應當保持在一個最小值以提高該葉片組的效率。
[0008]然而，使這樣的間隙最小化可能是困難的。因為渦輪機殼體(14)在一個徑向平面中不是對稱圓形的，并且因為該渦輪機殼體(14)內的熱通量也不是對稱的，所以渦輪機殼體(14)經受不對稱的應力和不對稱的熱變形。渦輪機殼體(14)中的熱變形被傳遞到該葉片組，這可能導致該葉片組磨損、卡滯、或完全堵塞。因此，必須用一種使熱致畸變傳遞最小化的方式來將該葉片組準確地放置和約束在渦輪機殼體(14)內。
[0009]因此，對于一種可以使這樣的顧慮最小化的葉片組構形存在一種需求。
[0010]發明概述
[0011]多個實施例涉及用于在可變幾何形狀渦輪增壓器的葉片組中使葉片頰部與葉片環的內表面之間的間隙最小化的系統。根據本文中的多個實施例，一個可磨損涂層被涂敷到一個上部葉片環的一個內表面、一個下部葉片環的一個內表面和/或一個葉片的一個(多個)頰部表面。以此方式，在渦輪增壓器運行過程中可以建立一個非常小的間隙而不干擾這些葉片的正常功能。其結果是，可以獲得效率增益。
[0012]附圖的簡要說明
[0013]在附圖中通過舉例而非限制的方式展示了本發明，在附圖中類似的參考號表示相似的部件，并且在附圖中:
[0014]圖1是一個典型的可變幾何形狀渦輪增壓器的截面視圖；
[0015]圖2示出了一個典型的葉片組的截面視圖；并且
[0016]圖3是一個組裝好的葉片組的一個視圖。
[0017]發明詳細說明
[0018]在此描述的安排涉及一種用于葉片環組件的系統和方法。在此披露了多個詳細的實施例；然而，應當理解的是，這些披露的實施例僅旨在作為示例。因此，在此披露的特定結構性和功能性細節不應被解釋為限制，而僅僅是作為權利要求書的基礎和作為傳授本領域技術人員在幾乎任何適當詳細的結構中以不同方式采用本文中的這些方面的代表性基礎。此外，在此所用的術語和短語并不旨在限制、而是提供對可能實施方式的可理解描述。圖3中示出了多個安排，但這些實施例并不限于所展示出的結構或應用。
[0019]根據本文中的多個實施例，一個可磨損涂層被涂敷到對這些葉片與這些葉片環之間的間隙進行限定的這些表面中的一個或多個表面上。參見圖3，示出了一個葉片組(50)的一部分。為了清楚的目的，只示出了一個葉片(24)。一個可磨損涂層(52)可以被涂敷至LVR(28)的內表面(40)的至少一部分、UVR(26)的內表面(38)的至少一部分和/或這些葉片(24)的頰部表面(36)之一或二者的至少一部分。在一個實施例中，可磨損涂層(52)可以被涂敷至這些葉片環(26、28)的內表面(38、40)、但卻不涂敷到這些葉片(24)的頰部表面(36)上。
[0020]可以在處理的表面上提供任何適合厚度的可磨損涂層(52)。在該表面上可磨損涂層(52)的厚度可以是基本上均勻的。可替代地，可以在一個或多個位置改變該涂層(52)的厚度。當涂層(52)被涂敷至多個涂層限定表面上時，這些涂層限定表面之一上的涂層(52)的厚度可以基本上等于這些涂層限定表面中另一個涂層限定表面上的涂層(52)的厚度。可替代地，這些涂層限定表面之一上的涂層(52)的厚度可以不同于這些涂層限定表面中另一個涂層限定表面上的涂層(52)的厚度。
[0021]可磨損涂層(52)可以是任何適合的材料，該材料可以允許這些葉片頰部(36)與這些葉片環(26、28)的內表面(38、40)之間的磨損接觸。在一個實施例中，可磨損涂層(52)可以是從紐約韋斯特伯里的蘇爾壽美科(Sulzer Metco)(美國)公司可獲得的Metco480NS。這樣的涂層可以是包含95%的鎳和5%的鋁的一種球狀氣體霧化合金。粒度可以從大約45 μ m變化至大90 μ m和/或大約-170+325目(例如，材料的大約90%或更多可以穿過170目篩并且能夠被350目篩截留)。該可磨損涂層可以是致密且抗氧化的。該可磨損涂層可以經受至少大約800°C (1470° F)的溫度。該涂層可以是自粘結的并且可以在噴涂過程中發生放熱反應，從而優異地粘結到基體上。可以使用類似于Metco 480NS的材料。
[0022]適合的可磨損涂層的其它實例包括鋁硅合金/聚合物復合材料，鋁硅合金/石墨復合材料，鎳/石墨復合物，鋁青銅/聚合物復合材料，鎳鉻鋁/氮化硼復合物，鎳鉻鋁/膨潤土復合材料，鎳/鋁復合物噴涂的多孔材料，鎳鉻鋁復合物噴涂的多孔材料，MCrAlY/BN/聚酯復合材料以及氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)陶瓷/聚酯復合材料。這樣的涂層可以通過熱嗔涂來涂敷上。
[0023]在一個實施例中，可磨損涂層(52)可以是一種氧化鋯-聚合物陶瓷可磨損粉體。這樣的粉體可以通過熱噴涂來涂敷上。這樣的涂料的實例包括從紐約韋斯特伯里的蘇爾壽美科(美國)公司可獲得的 DURABLADE2192，Sulzer Metco 2395 和 / 或 Sulzer Metco2460NS。
[0024]DURABLADE 2192可以包含大約9.5 %的Dy2O3、大約4.5 %的聚合物、0.7的hBN，并且剩余部分基本上包含ZrO2(含有最多2.5%重量的氧化鉿)。標稱粒度分布可以為大約-176+11μπκ平均大約65μπι。使用溫度可以小于或等于大約1150°C (2100 ° F)。DURABLADE 2191可以具有大約25%-35%的孔隙率。該材料可以具有約70-90HR15Y的硬度。該材料可以具有大于3MPa(435psi)的涂層強度。
[0025]Sulzer Metco 2395可以包含大約 7.5% 的Dy2O3、大約4.5% 的聚合物、0.7 的hBN，并且剩余部分基本上包含ZrO2(含有最多2.5%重量的氧化鉿)。標稱粒度分布可以為大約-176+11 μ m、平均大約57 μ m。使用溫度可以小于或等于大約1150。。(2100。F)。SulzerMetco 2395可以具有約大約25% -40%的孔隙率。該材料可以具有70-90HR15Y的硬度。該材料可以具有大于3MPa(435psi)的涂層強度。
[0026]Sulzer Metco 2460NS可以包含大約7.5 %的Y203、大約4.5 %的聚合物、大約4 %的粘合劑，并且剩余部分基本上包含ZrO2 (含有最多2.5 %重量的氧化鉿)。標稱粒度分布可以為大約-176+11 μ m、平均大約74 μ m。使用溫度可以小于或等于大約1150°C (2100° F)。Sulzer Metco 2460NS可以具有約大約15%-30%的孔隙率。該材料可以具有80-95HR15Y的硬度。該材料可以具有大于4MPa(580psi)的涂層強度。
[0027]另外的適合的可磨損涂層包括從英格蘭柴郡的鮑迪克(BOdycOte)K-Tech有限公司可獲得的TECH 17,TECH 28和/或TECH 40。包含TECH17的涂層可以具有小于大約5 μ m的厚度。最大硬度可以是大約2600Hv。包含TECH 28的涂層可以具有大約50 μ m至大約ΙΟΟμπι的厚度，硬度大約1850Hv。TECH 40可以具有大約50 μ m至大約100 μ m的涂層厚度，硬度大約2850Hv。
[0028]類似于以上列出的這些材料的材料也可以是合適的。然而，實施例并不受限于任何具體的材料。當可磨損涂層(52)被涂敷至多個涂層限定表面上時，這些涂層限定表面之一上的涂層(52)的材料可以與這些涂層限定表面中另一個涂層限定表面上的涂層(52)的材料相同。可替代地，涂敷至這些涂層限定表面之一上的涂層(52)的材料可以不同于涂敷至這些涂層限定表面中另一個涂層限定表面上的涂層(52)的材料。
[0029]可磨損涂層(52)能夠以任何適合的方式來涂敷至這些間隙限定表面中的一個或多個表面上。如果必要的話一旦該可磨損涂層(52)被涂敷，該可磨損涂層就可以被機加工。可以通過這些間隙限定表面之間的過盈配合來組裝葉片組(50)。作為一個實例，在這些不帶有涂層的葉片頰部(36)與帶有涂層的上部葉片環(26)和/或帶有涂層的下部葉片環(28)之間可以存在過盈配合。在將葉片組(50)安裝到渦輪機殼體(14)中之前，葉片組
(50)可以被安裝在一個固定器中并且經受振動或震蕩。以此方式，這些葉片(24)可以深深壓印入可磨損涂層(52)并且可以在它們之間建立一個基本上為零或非常小的間隙，同時仍允許這些葉片(24)在渦輪增壓器運行過程中正常運轉。
[0030]在渦輪增壓器運行過程中，小的間隙將使通過這些葉片頰部(36)與這些內表面(38,40)之間的空間的排氣流的泄漏最小化，從而提高了效率和性能。此外，可以認識到的是，如果這些葉片頰部(36)與這些內表面(38、40)之間的間隙在渦輪增壓器運行過程中減小，則這些葉片(24)可能與可磨損涂層(52)發生接觸。在這樣的情況下，這些葉片(24)可以進一步地磨損該可磨損涂層(52)，而基本上不妨礙這些葉片(24)的功能。
[0031]在此使用的術語“一”和“一個”被定義為一個或者多于一個。在此使用的術語“多個”被定義為兩個或者多于兩個。在此使用的術語“另一個”被定義為至少第二個或者更多。在此使用的術語“包含”和/或“具有”被定義為包括(即開放式措辭)。
[0032]在此所描述的多個方面可以按其它形式和組合來實施，而不脫離其精神或本質屬性。因此，當然可以理解實施例不限于僅通過舉例方式給出的在此所描述的這些具體細節，并且可以理解在以下的權利要求書的范圍之內不同的修改和變更是可能的。
【權利要求】
1.一種用于可變渦輪幾何形狀渦輪增壓器的葉片組(50)，該葉片組包括: 一個上部葉片環(26)，該上部葉片環具有一個內表面(38)； 一個下部葉片環(28)，該下部葉片環具有一個內表面(40)； 多個葉片(24)，這些葉片被操作性地定位在這些葉片環(26，28)的內表面(38，40)之間，每個葉片(24)都具有相反的頰部表面(36)，以及 一個可磨損涂層(52)，該可磨損涂層被涂敷至這些葉片環(26，28)的內表面(38，40)之一的至少一部分上，由此在該一個或多個帶有涂層的內表面(38，40)與這些葉片頰部(36)之間建立了 一個最小間隙。
2.根據權利要求1所述的葉片組，其中該可磨損涂層(52)被涂敷至這些葉片環(26，28)的全部內表面(38，40)上。
3.根據權利要求1所述的葉片組，其中該可磨損涂層(52)被涂敷至每個葉片(24)的頰部表面(36)中的至少一個頰部表面上。
4.一種用于可變渦輪幾何形狀渦輪增壓器的葉片組(50)，該葉片組包括: 一個上部葉片環(26)，該上部葉片環具有一個內表面(38)； 一個下部葉片環(28)，該下部葉片環具有一個內表面(40)； 多個葉片(24)，這些葉片被操作性地定位在這些葉片環(26，28)的內表面(38，40)之間，每個葉片(24)都具有相反的頰部表面(36)，以及 一個可磨損涂層(52)，該可磨損涂層被涂敷至每個葉片環(24)的頰部表面(36)中的至少一個頰部表面上，由此在這些帶有涂層的頰部表面(36)與這些葉片環(26，28)的一個對應的內表面(38,40)之間建立了一個最小間隙。
5.根據權利要求4所述的葉片組，其中該可磨損涂層(52)被涂敷至這些葉片環(26，28)的內表面(38，40)中的至少一個內表面的至少一部分上。
【文檔編號】F02B39/00GK104220723SQ201380019901
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年4月19日 優先權日:2012年4月29日
【發明者】L·巴倫, S·伯尼, A·溫特 申請人:博格華納公司