專利名稱：渦輪效率的調整的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及渦輪機械，特別是渦輪增壓的內燃機，具體涉及用以改善渦輪效率特性的渦輪殼體。
背景技術：
在內燃機的普通技術中人們知道可以提供某些渦輪增壓系統(tǒng)，從而渦輪利用排氣的能量來驅動一壓縮機。此時該壓縮機被用來提高發(fā)動機的性能，典型的做法是用來提高供給發(fā)動機的空氣的壓力。
與發(fā)動機性能幾乎同樣重要是需要有較清潔的排氣。大多數(shù)內燃機都要遵守控制發(fā)動機排放污染物水平的條例?！肮潭ㄑb置”如用內燃機驅動的發(fā)電機等以及汽車都被要求將某些污染物如CO和NOx的排放保持在法定限度之下。但污染控制最好能在盡可能少地犧牲發(fā)動機性能的情況下完成。
一種減少內燃機排放物的方式—不管該發(fā)動機是否用渦輪增壓，但通常是用渦輪增壓的—是通過廢氣再循環(huán)(EGR)。EGR為將發(fā)動機排氣的某些部分返回到發(fā)動機的進氣歧管內。從排氣歧管來的廢氣通過通到進氣歧管的導管和管道被分流，從而可被引入到燃燒循環(huán)中，這樣就可減少氧含量，這又降低有助于形成過多Nox的高的燃燒溫度。
在例如重載的柴油發(fā)動機上引用EGR，所需的渦輪效率特性與傳統(tǒng)的渦輪機械性能特性并不一致。這時如果簡單地繼承經(jīng)典的渦輪機械的渦輪效率特性而采用申請人的VNTTM牌的可變噴嘴渦輪機的渦輪增壓器EGR系統(tǒng)時會發(fā)生幾個現(xiàn)象，包括(1)在發(fā)動機某些運轉速率下不能接受的高燃料消耗；(2)不能接受的渦輪增壓器的高轉速(即渦輪增壓器的轉速超過使用已知的生產(chǎn)材料和方法所能達到的限度)；及(3)不能在發(fā)動機所有需要的運轉點上驅動EGR。
另外，在重載柴油發(fā)動機上使用EGR系統(tǒng)，要使渦輪增壓器“匹配”到發(fā)動機上要進行不尋常的渦輪增壓器渦輪葉輪的匹配。在某些情況下，例如傳統(tǒng)的渦輪葉輪外廓要從結構上除去。這種不尋常的渦輪葉輪的機加工在渦輪葉輪與渦輪增壓器軸分開制造時會增加保持渦輪葉輪的難度。這時，與相似情況下使用目前的渦輪增壓器組合件的結構相比，渦輪葉輪會以高得多的速度和能量從渦輪機殼體的燃氣出口處排出。
在上述背景下，我們研制了本發(fā)明。為保持渦輪葉輪和調整渦輪增壓器的渦輪效率，渦輪機的殼體被修改，這樣來克服上述缺點。本發(fā)明的應用范圍，一部分將在下面結合附圖的詳細說明中列出，另一部分對本行業(yè)的行家來說在考查下列說明后自可明白，對一般人來說在實踐后自可學得。本發(fā)明的目的和優(yōu)點都可用在所附權利要求中特別指出的設備和組合來實施和達到。
附圖的簡要說明引入到說明內并成為其一部分的附圖示出本發(fā)明的兩個實施例，并與說明一起用來闡明本發(fā)明的原理。附圖只是為了示出本發(fā)明的較優(yōu)實施例的目的，不能被認為限制本發(fā)明。在附圖中

圖1為按照本發(fā)明的渦輪設備的一個實施例的側面(軸向)剖視圖；圖2A為圖1中設備的保持環(huán)元件的側面(軸向)剖視圖；圖2B為圖2A中保持環(huán)元件的端視圖；圖3為按照本發(fā)明的另一個實施例的設備側面剖視圖。圖中示出整體鑄造在渦輪殼體上的保持環(huán)；圖4為按照本發(fā)明的另一個實施例的設備的側面剖視圖，圖中示出一個可卸掉和嵌入的保持環(huán)；圖5為本發(fā)明另一個可替代的實施例的側面剖視圖，圖中示出的保持環(huán)可在殼體內沿軸向移動并固定在不同的位置上；圖6為本發(fā)明還有另一個可替代實施例的側面剖視圖，圖中示出的保持環(huán)系整鑄在渦輪殼體上并具有沿徑向向內伸出的空氣動力學的突起；圖6A為圖6中設備的端面(半徑方向)的剖視圖，該剖面系沿圖6中的A-A線切??；圖7為本發(fā)明還有另一個可替代實施例的側面剖視圖，圖中示出的保持環(huán)系整鑄在渦輪殼體上，并具有沿徑向向內伸出的直線突起。
圖7A為圖7中設備的端面(半徑方向)的剖視圖，該剖面系沿圖7中的A-A線切?。?
圖8為本發(fā)明還有另一個可替代實施例的側面剖視圖，圖中示出的保持環(huán)的直徑可調節(jié)并可在渦輪殼體內占有一個可選擇調節(jié)的軸向位置；圖8A為圖8中設備的端面(半徑方向)的剖視圖，該剖面系沿圖8中A-A線切??；及圖9為一曲線圖，該圖畫出以渦輪壓力比和渦輪效率表示的、按照本發(fā)明的固定形狀調整直徑的尺寸大小對固定修整直徑的相對影響。
優(yōu)選實施例說明本發(fā)明涉及渦輪，特別是但并非必需，涉及用于渦輪增壓發(fā)動機的渦輪。本發(fā)明的設備在以柴油為燃料的發(fā)電廠及包括但并不限于大型汽車的發(fā)動機所使用的廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)方面可找到有利的應用。按照本發(fā)明修改渦輪葉輪保持裝置的結構能夠設計渦輪效率特性來滿足特殊的需要，并可改善葉輪盤的保持。因此本發(fā)明可緩解在渦輪機上使用EGR系統(tǒng)所帶來的渦輪葉輪保持和渦輪效率特性問題。這些問題可通過渦輪殼體創(chuàng)新的修改來解決。如同下面要進一步列出其特征并披露的，本發(fā)明包括這些修改。
如同本行業(yè)所公知，渦輪所作的功正比于渦輪效率、物質的流量、渦輪前后的壓力的比和進口的溫度。軸或轉子的轉速為渦輪的功作用于直接驅動的壓縮機的產(chǎn)物。通過出口形狀和大小的設計，在渦輪葉輪出口處利用改變其出口構形和尺寸來調整渦輪效率，能夠改變VNT渦輪轉子的轉速。效率改變的作用被用來匹配壓縮機和VNT特性，借以滿足發(fā)動機空氣系統(tǒng)的要求。除了渦輪機械轉速的控制以外，出口處細部的制定尺寸還要受最終的發(fā)動機性能參數(shù)如燃料消耗量或者可能包括發(fā)動機壓力比的限制。
在渦輪葉輪出口處的渦輪殼體內設置一個規(guī)定形狀和制定尺寸的階梯孔能夠有選擇地調整和改善渦輪效率特性，從而可提高VNT渦輪增壓器EGR系統(tǒng)的性能。扼要地說，設置階梯孔可降低渦輪效率，造成渦輪進口壓力有利的增加。這個增加的進口壓力可促使排氣從發(fā)動機的排氣歧管流動到發(fā)動機的進氣歧管內。按照本發(fā)明，這個有利的渦輪增壓器的性能可在渦輪增壓器較低的轉速下完成，否則利用典型的渦輪機械的渦輪效率特性，則要用較高的轉速。盡管使用較低的渦輪增壓器的轉速，但性能并沒有被損害，因此這個創(chuàng)新的設備可用現(xiàn)有的生產(chǎn)材料來制造，并且可用VNT渦輪增壓器已知的生產(chǎn)過程。另外，降低渦輪效率能夠提供驅動大量EGR使其流到發(fā)動機的進氣歧管內的能力，這是采用傳統(tǒng)的渦輪殼體設計所不能達到的。
參閱圖1，其中示出本發(fā)明設備的一個實施例。渦輪10有一個除了后面進一步說明的以外大致按照現(xiàn)有技術制造的渦輪機殼體12。該渦輪殼體12基本上環(huán)繞并形成一個渦輪孔14用來接納一個大致按照傳統(tǒng)可在渦輪軸上旋轉的渦輪葉輪(未在圖1中示出)。在一個可能的實施例中，在該殼體12的進入側可設有一個入口16以便在渦輪機裝配時將渦輪葉輪放置到孔14內。在將渦輪葉輪安裝好以后便將入口16封閉，并用例如渦輪增壓器中心殼體旋轉組合件(未示出)的螺栓附件予以固定。
繼續(xù)參閱圖1可以注意到該渦輪殼體12有兩個特征尺寸，一個是渦輪的末梢直徑DTIP，該直徑通常大致相當于按照現(xiàn)有技術的渦輪葉輪的最大末梢直徑。另一個是渦輪的修整直徑DTRIM，該直徑在不同的渦輪殼體模型中各不相同，但大致相當于渦輪葉輪的功能直徑，在葉輪的圓周和形成修整直徑DTRIM的殼體修整壁17之間有一個十分接近的間隙。在本發(fā)明的某些實施例中，渦輪末梢直徑DTIP可只略大于修整直徑DTRIM。
在孔12內的“下游”設有渦輪擴散器或導流器(exducer)18，這是一個導管，通過它燃氣從渦輪的組合件內被排出。直徑Dx在為聯(lián)軸節(jié)作出合適的機械接頭及制定排氣系統(tǒng)所需的尺寸時是一個重要尺寸。值得一提的是，本發(fā)明已在如圖1、4、5、6和8所示的采用大致成圓筒形的導流器的渦輪上以及在如圖3和7所示的具有喇叭口或圓錐形導流器的渦輪上實地使用。
渦輪效率調整的實施是通過其中包括影響燃氣流入并流過導流器18來完成的。參閱圖1，這可在孔14內設置階梯來達到，其時在軸向長度的一個短小部分內導流器18的直徑突然被縮減。例如在圖1的實施例中設有一個分開制造的階梯孔環(huán)20，該環(huán)可通過導流器18嵌入到孔14內。如在圖2A和2B可見，該階梯孔環(huán)20為一剛性環(huán)，其外直徑基本上等于導流器直徑DEX，因此可緊貼地安裝在導流器18的喉管內，同心地環(huán)繞孔14的軸線如圖1所示。該階梯孔環(huán)20可用螺栓21或其他合適的緊固設施固定在位或整鑄在渦輪殼體上。
值得注意的是，階梯孔環(huán)20在其內形成一個最好與環(huán)的外圓周同心的孔22，該孔具有一個可選擇調整的直徑d(圖2A和2B)。調整直徑d最好并且?guī)缀蹩偸切∮趯Я髌髦睆紻EX，并且小于渦輪殼體修整直徑DTRIM。因此由階梯孔環(huán)20在孔14內形成的階梯可這樣設計使在渦輪葉輪出口附近離開渦輪葉輪的燃氣由于通過環(huán)20孔眼22的通道被限制以致正常的順暢流動受到擾亂。經(jīng)調整的直徑d的大小在DTRIM的80％到100％之間。選擇并確定d和DTRIM之間的精確比率以便得到所需的調整。經(jīng)調整的直徑d和殼體修整直徑DTRIM之間的比率會影響渦輪效率特性。渦輪級性能的調整應與下游孔的調整直徑對DTRIM的影響(例如在圖1中)關聯(lián)起來。
由孔22造成的“階梯孔”可被調整使渦輪效率可被匹配以便將迎合需要的效率特性提供給VNT牌渦輪增壓器EGR系統(tǒng)。
圖9為一曲線圖，該圖示出以渦輪壓力比和渦輪效率表示的固定形狀的直徑d的尺寸大小對固定修整直徑的相對影響。通過對VNT渦輪級定尺寸的固定直徑d來調整渦輪效率是一種方法，用該方法能夠修改和選配渦輪機械的速率使它符合一組特定的發(fā)動機條件。孔直徑對效率的影響隨著尺寸大小和運轉的壓力比而變。各種設計的直徑d形狀的性能特性隨著孔的基本形狀而變。
參閱圖3所示出的本發(fā)明的較優(yōu)的實施例，該實施例在許多方面都與圖1的實施例十分相似，不同的只是其階梯孔環(huán)24系在殼體12上整體鑄造在位。圖上示出有一渦輪葉輪30裝在渦輪孔14內。在本發(fā)明的這個“幾何形狀和尺寸固定”的實施例中，整鑄在殼體12上的環(huán)24提供孔內的階梯25。因此環(huán)24是鑄造殼體的一個永久的延伸物并在殼體制造時與整體關聯(lián)。這個鑄造的細部一般為模鑄在殼體孔14內的環(huán)形。在鑄造環(huán)24內的圓孔限定調整直徑d。在圖3中可以注意到，導流器18不是圓筒形，而是一個圓錐形的擴散器，其直徑不斷向渦輪的排氣方向增加。圓錐形擴散器的加入可有助于調整渦輪性能的微調。
在圖3中實施例中，孔臺階細部是由整鑄在殼體12上的環(huán)24提供的?；蛘撸３汁h(huán)24可分開制造，然后嵌入并固定在渦輪孔內，如圖1、2A、2B和4所建議。孔臺階是由直徑為d的孔邊限定的。直徑d為供渦輪效率選用的調整直徑，在任何情況下都小于修整直徑DTRIM。渦輪的燃氣當然流動通過環(huán)24內的孔，但該孔太小不夠渦輪葉輪30通過。
圖5示出與圖4中實施例相似的可嵌入的保持環(huán)24如何給設備提供可適應性。可嵌入的環(huán)24可被設置在渦輪孔內并固定在一個或多個不同的軸向位置上。圖5所示為固定(例如用螺栓沿徑向通過環(huán)固定在殼體上)在軸向前面位置上的保持環(huán)24。但由于保持環(huán)24為可卸除的嵌入，其軸向位置也可有選擇地調節(jié)。如圖5中虛線所示，保持環(huán)可從軸向前面位置上卸下，滑到任一個后面的位置，再暫時固定在位。這個調節(jié)可以是逐步地或連續(xù)地變化，取決于將環(huán)24連接到殼體上的模式，這樣，單個渦輪10的保持環(huán)和調整零件便可按特殊用途調整。由于設置環(huán)的這個可調節(jié)性，由環(huán)限定的減小的調整直徑d的軸向位置尺寸大小和影響便都可被調節(jié)和選擇以便取得最佳的渦輪效率。保持器階梯25的定位同樣是可調的(例如可適應軸向長度不同的渦輪葉輪30)。
環(huán)的軸向運動可由兩個或更多在圓周上排列的縱向導條29、29’導引，該導條可以是從渦輪孔壁上突起的殼體12的整體延伸部。導條29、29’還可防止環(huán)繞設備中心軸線的環(huán)24在徑向上的偏移。嵌入而可卸除的保持環(huán)24可以卸下并重新裝上以便維修或更換。
本發(fā)明還有另一個可替代實施例在圖6和6A中示出。在殼體12上整體鑄出的多個異型的突起33、33’能夠具有保持器和調整的優(yōu)點。異型的突起能可變地環(huán)繞一條軸線旋轉，從而造成渦輪效率可變地被調整。突起33、33’的徑向陣列沿徑向延伸到孔14的喉內，并且最好環(huán)繞該孔的圓周均勻地間隔開如圖6A。如該圖所示，有效的調整直徑d可近似地由直徑兩端的突起的平均“高度”來限定。突起33、33’可具有任何一種截面輪廓或形狀。一個較好的截面輪廓在圖6和圖6A中示出，其中每一個突起具有一個多少為卵形或“淚滴狀”的軌跡和一個翼型的軸向截面輪廓。有很多種形狀和截面輪廓都可適用于本發(fā)明的功能，但這里示出的滑溜的空氣動力學的截面輪廓是比較好的。
或者，突起33、33’可具有較為直線的或導葉狀的形式。圖7和7A畫出一個可替代的實施例，其中具有多個均勻地間隔開的直線突起33、33’(在本例中為8個突起)。如圖所示，該突起可具有一個例如低的軸向截面輪廓，每一突起33都有一個四邊形的軸向截面，其先導“面”垂直于渦輪軸線，尾隨面用一個銳角圓滑地溶入導流器18的內壁。在本例中，有效的調整直徑d也是近似地使用突起的徑向延伸的平均值來確定的。
在任何一個具有陣列的多個突起33、33’的實施例中。突起的縱向軸線，雖然最好互相平行，但也可與渦輪軸線偏斜或成角度，以在排氣離開渦輪葉輪時促使其減少渦旋。突起33、33’的數(shù)目也可選用，例如可定在3與8之間(在圖6和7的實施例中為8個)。
本發(fā)明還有另一個實施例在圖8和圖8A中示出。這個實施例允許在一個圓錐形而不是圓筒形的導流器中使用一個可調節(jié)的孔臺階。在這實施例中，分成弧形段的環(huán)27具有一個可變的直徑，它可根據(jù)需要在圓錐形導流器18的傾斜的環(huán)狀面上擴張或收縮。該環(huán)弧形段31、31’的數(shù)目可變。至少為3(在圖8和圖8A中為4個)，可達到8或10個。
這樣圖8和8A的實施例可享有圖5所示實施例的某些特點和優(yōu)點，除了在殼體12內的軸向位置可選擇調節(jié)以外，階梯環(huán)27的有效直徑d也可調節(jié)，因為由環(huán)27內小孔限定的有效調整直徑d是可調節(jié)的。要增加調整直徑d時可沿徑向向外移動均勻間隔開的弧形段31、31’，這樣就可增加將相鄰弧形段分開的圓周上間隙的大小。同樣，當將環(huán)27移動到導流器內前面的位置時，由于環(huán)27的相鄰弧形段間的間隙減小，可將直徑d減小。
環(huán)段31、31’具有斜楔形的縱長的截面輪廓如圖8A所示，因此當騎跨在孔內的環(huán)狀斜面35上時能同時沿軸向和徑向移動。環(huán)段被這樣排列使它總是能形成一個分成弧形段的環(huán)并固定在一個或多個軸向位置上。圖8示出保持環(huán)27的弧形段固定(例如用螺栓沿徑向通過環(huán)固定在殼體上)在軸向上的前面位置上。但由于保持環(huán)27既可嵌入，也可卸除，其軸向位置也可有選擇地調節(jié)。如圖8A中虛線所示，保持環(huán)27可從軸向前面位置上卸下，滑到后面一個位置上，再次暫時固定在位。由于該環(huán)被設置在導流器18改變的直徑上，該環(huán)27調整的直徑d同樣被修改。這樣，單個渦輪設備10的保持環(huán)和調整零件便可按特殊用途調整。由于設置環(huán)的這個可調節(jié)性，由環(huán)限定的減小的調整直徑d的軸向位置、尺寸大小和影響便都可被調節(jié)和選擇以便取得最佳的渦輪效率。保持器階梯25的定位同樣是可調的(例如可適應軸向長度不同的渦輪葉輪30)。
與圖5的實施例相同，環(huán)27的運動可由兩個或更多在圓周上排列的縱向導條導引(未在圖8中示出)，該導條可以是從渦輪孔壁上突起的殼體12的整體延伸部。
因此，本發(fā)明的設備可在所有的實施例中設置一個階梯孔25，該階梯孔可用來保持渦輪葉輪30使它不會不適當?shù)匾葡驕u輪殼體12的后方。該保持器，典型地為一圓形環(huán)，具有或設有調整的突起，可以在其上作出一個相對于修整直徑DTRIM的調整直徑d來使渦輪效率特性優(yōu)化。
在渦輪殼體內渦輪葉輪的出口附近，將“階梯孔”設計、定形和定尺寸能夠修改或調整渦輪效率特性，使它對按照本發(fā)明的可變噴嘴渦輪機的渦輪增壓器的EGR系統(tǒng)的性能更為有利。實際的情況是，階梯孔25降低渦輪的效率，增加渦輪進口的壓力，從而促使排氣從發(fā)動機的排氣歧管流到發(fā)動機進氣歧管內。與使用普通的渦輪機械的渦輪效率特性相比，上述情況可用較低的渦輪增壓器的轉速來完成。
雖然本發(fā)明是結合較優(yōu)實施例來詳細說明的，但其他實施例也能得到相同的效果。對本行業(yè)的行家來說，在本發(fā)明的基礎上顯然是能作出各種變化和修改的，所有這些修改和等同變化理應包括在所附權利要求所限定的范圍之內。
權利要求
1.一種渦輪設備包括一個將一軸向孔和軸向導流器部分地封閉在其內的渦輪殼體，所說孔具有一個修整直徑；一個可旋轉地裝在所說孔內的渦輪葉輪；及一個設在所說導流器內靠近所說渦輪葉輪的保持器，所說保持器限定一個孔臺階和孔內的一個具有一調整直徑的小孔；其中所說修整直徑大于所說調整直徑。
2.權利要求1的設備，其特征在于所說調整直徑為所說調整直徑的約80％到100％。
3.權利要求1的設備，其特征在于所說保持器為一圓環(huán)。
4.權利要求3的設備，其特征在于所說環(huán)與所說殼體是整體鑄造的。
5.權利要求3的設備，其特征在于所說環(huán)可卸除地嵌入在所說導流器內。
6.權利要求5的設備，其特征在于所說環(huán)可有選擇地沿縱向定位，并沿所說導流器的軸線固定。
7.權利要求6的設備，其特征在于所說環(huán)包括多個環(huán)段，可相對于所說導流器的軸線沿徑向移動。
8.權利要求3的設備，其特征在于所說環(huán)還具有多個相對于所說導流器軸線沿徑向向內延伸的突起。
9.權利要求8的設備，其特征在于所說突起互相平行，并相對于所說導流器的軸線傾斜設置，以促使渦輪的排氣減少渦旋。
全文摘要
一種渦輪機械。在渦輪(10)上設有保持器(20)，其上有一孔臺階元件用來保持渦輪葉輪，并有一孔，該孔顯現(xiàn)一個比渦輪(10)的修整直徑(D
文檔編號F01D9/02GK1886576SQ02829977
公開日2006年12月27日 申請日期2002年12月19日 優(yōu)先權日2002年10月11日
發(fā)明者S·P·馬丁, G·F·湯姆普森, S·G·阿圭拉爾 申請人:霍尼韋爾國際公司