專利名稱：可變幾何形狀透平的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包含一可位移的透平進氣道側(cè)壁的可變幾何形狀透平。
US-5522697描述了一種已知的可變幾何形狀透平，其中殼體內(nèi)安裝一透平葉輪，繞一預定軸線轉(zhuǎn)動。在殼體固定壁和側(cè)壁之間限定一條通至透平葉輪的進氣道，該側(cè)壁可相對于固定壁位移，以控制進氣道寬度。該側(cè)壁被支持在平行于葉輪旋轉(zhuǎn)軸線延伸的一些桿上，這些桿相對于殼體軸向位移，以控制被側(cè)壁選用的位置。
這些桿被安裝在殼體外側(cè)上的氣動作動器移動，該氣動作動器驅(qū)動一活塞。該作動器活塞連接于一個自一根軸上延伸的杠桿，該軸由殼體可旋轉(zhuǎn)地這樣支承，即杠桿的移動能使軸轉(zhuǎn)動。有兩間隔臂的軛架安裝在處于殼體內(nèi)限定的內(nèi)腔中軸上。軛架的各臂端安裝在相應側(cè)壁支承桿的槽內(nèi)。作動器活塞的位移使該臂擺動，并由于這些臂和側(cè)壁支承桿之間的相互接合而沿軸向驅(qū)動該側(cè)壁。
這種已知的可變幾何形狀透平表現(xiàn)出種種有害的特點。具體地說，氣動作動器通常包含一彈性膜，這種膜尤其在與可變幾何透平相關(guān)的溫度、活塞沖程和壓力環(huán)境中易于出故障。支承軛架的軸暴露于高溫中，但不能迅速地得到潤滑，從而能使磨損增加。此外，這些杠桿與所述桿的接合具有滑動性質(zhì)，因此盡管已知在這些組件中包含抗磨材料，例如陶瓷，然而磨損仍然是個問題。最后，在殼體外安裝一氣動作動器，增加了組件的總體尺寸，這在某些應用場合，可能是一個關(guān)鍵因素。
本發(fā)明的一個目的是消除或減輕一個或多個上面提出的問題。
按照本發(fā)明，提供一種可變幾何透平，它包括一殼體；一透平葉輪，安裝成繞殼體內(nèi)一預定軸線轉(zhuǎn)動；一個能相對于殼體位移以控制所限定的燃氣進氣道寬度的側(cè)壁，該進氣道鄰近處于由側(cè)壁限定的第一表面和由殼體限定的第二表面之間的葉輪；和用以控制側(cè)壁相對于殼體位移的位移控制裝置，其中殼體限定至少一個構(gòu)成一個裝有一活塞的氣缸的腔，該側(cè)壁由于該活塞的位移而移動，該位移控制裝置包括用以控制所述至少一個腔內(nèi)的壓力以控制側(cè)壁相對于殼體的位置的裝置。
該活塞和氣缸可以是圓環(huán)形的。該活塞可由側(cè)壁限定，即該活塞可包括一個與側(cè)壁接合的圓環(huán)形件。
該側(cè)壁可被支承在平行于葉輪旋轉(zhuǎn)軸線延伸的導桿上。借助于至少一彈簧可將側(cè)壁和導桿組件偏離于或偏向于該第二表面。每一導桿可用一個或多個彈簧偏置。這些彈簧可有一可變彈簧率，按燃氣進氣道寬度的變化的彈簧力變化率在側(cè)壁達到第二表面時增大。例如，每一導桿可由兩彈簧作用于其上，僅當側(cè)壁接近殼體表面時，一個彈簧被壓縮。
現(xiàn)在參照各附圖，通過例子來說明本發(fā)明的實施例。


圖1是本發(fā)動可變化幾何形狀透平的側(cè)壁組件上半部的剖視圖；表示側(cè)壁處在燃氣進氣道為最小寬度位置；圖2表示圖1側(cè)壁組件的下半部，側(cè)壁移到全開位置；圖3和4表示圖1、2中所示側(cè)壁支承桿的另一彈簧布置；圖5是圖4彈簧組件特性的簡略表示及在圖4側(cè)壁上的燃氣分力和合力；圖6是表示側(cè)壁支承桿另一控制組件的剖視圖。
參照圖1和2，所示可變幾何形狀透平包括一個由軸承殼體1構(gòu)成的殼體；一個用一環(huán)形夾3夾緊在一起的透平葉輪殼體2；一個安裝在一軸5上繞一軸線6轉(zhuǎn)動的透平葉輪4。軸5被支承在軸承殼體1內(nèi)的軸承上。透平殼體2限定一表面7，表面7面對由側(cè)壁9限定的表面8。在各示組件內(nèi)的側(cè)壁9被表示為由較薄的鋼制成的，其橫截面大致為C形，但要理解，側(cè)壁9，例如，可以是一個鑄造部件。裝于側(cè)壁上的葉片10自表面8凸入在殼體內(nèi)限定的環(huán)形凹口11內(nèi)。支承葉片的側(cè)壁在所示組件中往往稱作噴咀環(huán)，但在本文中采用術(shù)語“側(cè)壁”。
密封環(huán)12防止燃氣在進氣道13和腔14之間流動，其中進氣道13被限定在表面7和8之間，而腔14處在遠離葉片10的側(cè)壁的一側(cè)。這樣，側(cè)壁9構(gòu)成一環(huán)形活塞，它被安置在限定腔14的一環(huán)形氣缸內(nèi)。其上裝有側(cè)壁9的支承桿15伸進腔14內(nèi)。在軸承殼體1中形成一進口16，以便能控制腔14內(nèi)的壓力。在壓力增加時，便將側(cè)壁9移向圖1所示的全閉位置，而在減小壓力時，將側(cè)壁9移向圖2中所示的全開位置。
這樣，腔14內(nèi)的壓力被用于控制側(cè)壁9的軸向位移。設(shè)置一種按照控制程序、根據(jù)例如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩及透平壓力和溫度來控制腔14中壓力的裝置(未示)。該壓力控制裝置與進口16連接。
參照圖3，它表示用彈簧將支承桿15安裝在軸承殼體內(nèi)的一種結(jié)構(gòu)。在相應于處在全開位置上的圖1和2的側(cè)壁9的圖3所示結(jié)構(gòu)中，各支承桿經(jīng)軸承殼體1中的一孔伸入內(nèi)腔17?？涨?7被限定在軸承殼體1跟與軸承殼體1接合的另一殼體部件18之間。內(nèi)腔17內(nèi)的壓力被保持在接近大氣壓力。
一壓簧19將桿15向圖3左側(cè)偏置，該壓簧被壓縮在軸承殼體1和保持在桿15該端的墊圈20之間。因此，若腔14連通大氣，則桿15會呈現(xiàn)在圖3所示的軸向位置。若腔14內(nèi)的壓力此后增加，則桿15和側(cè)壁9根據(jù)所施壓力會向圖3右側(cè)位移一距離。
現(xiàn)參照圖4，與圖3中所示部件等同的部件注有相同的標號。然而，在圖4的結(jié)構(gòu)中，可看到與軸線6共軸線的另一壓簧21頂壓一圓形支承環(huán)22，后者與圖3結(jié)構(gòu)中的墊圈20起同樣的作用。各支承桿51也穿過軸向壓簧19。因此，將桿14推至圖4左側(cè)的力是彈簧19、21施加的壓縮力和由流過進氣道13的燃氣施加在側(cè)壁9上的任何軸向力的復合。
彈簧13和21被這樣設(shè)置，使施加在桿15上的回歸力隨側(cè)壁9的表面接近由透平殼體2限定的表面7而增加。例如，彈簧21在其松馳狀態(tài)可有某一長度，使它不反抗環(huán)22向圖4右側(cè)移動，除非側(cè)壁9較接近表面7。業(yè)已發(fā)現(xiàn)這是一個有利的特點，因為作用在表面8上的進氣道13內(nèi)的壓力隨著表面8接近表面7而下降，這是由于在這兩表面之間限定的氣隙內(nèi)的流動狀態(tài)所致。
圖5表示彈簧19具有線性彈簧率的圖3結(jié)構(gòu)和彈簧19、21的復合產(chǎn)生非線性彈簧率的圖4結(jié)構(gòu)的差異。在圖5中，這些曲線代表隨著表面7和8(進氣道寬度)之間的距離從最小值23(如圖1中所示全閉)增加到最大值24(如圖2中所示全開)時，作用在包含側(cè)壁9部件的組件上的軸向力。
圖5中的曲線25代表由于側(cè)壁9表面8上的燃氣分力而使軸向力的變化?？梢钥吹剑S著該進氣道寬度減小，燃氣分力開始以大致線性方式上升，但隨后隨著側(cè)壁9接近透平殼體2的表面7而下降。曲線26、27代表由圖3的彈簧19作用的力。曲線28、29代表側(cè)壁9上的軸向合力，該合力由于進氣道寬度減小到由虛線30指示的距離之外而減小。因此，對于彈簧19具有線性特點的圖3所示的結(jié)構(gòu)，當進氣道寬度減小到由虛線30代表的極限時，側(cè)壁9的軸向位置不安定。具體地說，一當它通過由虛線30代表的位置時，側(cè)壁有被迅速移到處于非控狀態(tài)的最小寬度位置的傾向。
就圖4的結(jié)構(gòu)而言，當進氣道寬度處在由虛線24和31之間的距離代表的范圍時，彈簧21不起作用，然而，一當該進氣道寬度減小到由虛線31代表的極限時，進氣道寬度的進一步減小壓縮了兩彈簧21和19。結(jié)果，復合的彈簧特性如由線段26和32所代表的，而合力由線段28和33代表。因此，彈簧和燃氣分力的合力隨著進氣道寬度減小到由虛線23代表的最小值而連續(xù)地增大。從而避免了側(cè)壁19的軸向位置的不穩(wěn)定性。
參照圖6，采用了與圖1至4中相應標號相同的標號。然而，和圖1至4的結(jié)構(gòu)相反，跟腔14和側(cè)壁9限定一活塞和氣缸結(jié)構(gòu)不同，各桿15與一環(huán)形活塞34連接，該環(huán)形活塞這樣支承密封環(huán)35，使處在遠離彈簧19的活塞34一側(cè)的腔17內(nèi)的壓力通過控制環(huán)34的軸向位置來間接控制桿15的軸向活塞。通過控制一可控空氣進口36內(nèi)的壓力來控制活塞34兩側(cè)的壓差?；钊?4彈簧側(cè)上的壓力被保持在接近大氣壓力。
就圖6的結(jié)構(gòu)而言，如US 5522697所描述的可設(shè)置一些經(jīng)側(cè)壁9通至表面8的孔，從而減小側(cè)壁兩側(cè)的壓力差。若緊靠該側(cè)壁后面的該內(nèi)腔被用作一控制氣缸，如在圖1至4結(jié)構(gòu)的情況下，則這種結(jié)構(gòu)是不可能的。
在某些情況下，希望將側(cè)壁偏置到全閉位置，而不是如在圖1至4和6結(jié)構(gòu)中那樣偏向全開位置。這可以將圖6中所示的彈簧19設(shè)置在活塞34左側(cè)而不是在右側(cè)，并設(shè)置可控壓力進口36與內(nèi)腔17的右側(cè)端連通來達到。
還要理解，雖然可移動側(cè)壁9被設(shè)置在所示結(jié)構(gòu)的軸承殼體1內(nèi)，然而，通過顛倒相關(guān)部件相對于進氣道13的位置，可將該側(cè)壁支承在透平殼體2內(nèi)。這樣，便可相對于固定和可變幾何形狀兩種透平采用通用的軸承殼體來降低成本。
與已知可變幾何形狀透平相比，本發(fā)明提供了各種優(yōu)點。首先，由于無需跟側(cè)壁機械接合的作動器，避免了與這種作動器相關(guān)聯(lián)的一些問題。其次，由于省去了作動器和側(cè)壁之間的機械聯(lián)接，也避免了可能的磨損點。
權(quán)利要求
1.一種可變幾何形狀透平，包括一個殼體；一個安裝在殼體內(nèi)統(tǒng)一預定軸線旋轉(zhuǎn)的透平葉輪；一個可相對于殼體移動以控制被限定在由側(cè)壁限定的第一表面和由殼體限定的第二表面之間的葉輪鄰近的進氣道寬度的側(cè)壁；用以控制側(cè)壁相對于殼體位移的位移控制裝置，其中該殼體限定至少一個構(gòu)成裝有一活塞的一氣缸的腔，該側(cè)壁由于活塞的位移而移動，該位移控制裝置包括用以控制所述至少一個腔內(nèi)的壓力以控制側(cè)壁相對于殼體的位置的裝置。
2.按權(quán)利要求1所述的可變幾何形狀透平，其特征在于活塞和氣缸是圓環(huán)形的。
3.按權(quán)利要求2所述的可變幾何形狀透平，其特征在于，該活塞由側(cè)壁限定，該側(cè)壁被直接安置在該內(nèi)腔內(nèi)。
4.按權(quán)利要求2所述的可變幾何形狀透平，其特征在于，該活塞包括一個處在該腔內(nèi)的圓環(huán)形件，該圓環(huán)形件與所述側(cè)壁接合。
5.按上述任一權(quán)利要求所述的可變幾何形狀透平，其特征在于，側(cè)壁被支承在平行于葉輪旋轉(zhuǎn)軸線延伸的導桿上。
6.按權(quán)利要求5所述的可變幾何形狀透平，其特征在于，該導桿由至少一個彈簧偏置于遠離該第二表面。
7.按權(quán)利要求6所述的可變幾何形狀透平，其特征在于，各導桿由至少一個彈簧偏置于遠離該第二表面。
8.按權(quán)利要求6或7所述的可變幾何形狀透平，其特征在于，所述至少一個彈簧具有這樣一種可變彈簧率，使彈簧力隨氣流通道寬度的變化率隨著側(cè)壁接近該第二表面而增大。
9.按權(quán)利要求8所述的可變幾何形狀透平，其特征在于，各桿穿過頂壓該殼體和桿的一相應壓簧，設(shè)置另一壓簧以頂壓各桿端，所述另一彈簧僅當側(cè)壁接近第二表面時才被壓縮。
10.一種如在上文中參照各附圖所述的可變幾何形狀透平。
全文摘要
一種可變幾何形狀透平,其中在殼體內(nèi)安裝透平葉輪,繞一預定軸線旋轉(zhuǎn)。一側(cè)壁可相對于殼體的一表面移動,以控制被限定在該側(cè)壁和殼體表面之間的葉輪鄰近的燃氣進氣道寬度。該側(cè)壁被支承在平行于葉輪旋轉(zhuǎn)軸線延伸的桿上,移動該桿以控制側(cè)壁相對于殼體的位移。該殼體限定一個腔,所述桿伸入該腔,因此,限定了一個或多個活塞與氣缸結(jié)構(gòu)?？刂圃撉粌?nèi)的壓力,以控制活塞的軸向位置,由于活塞的位移,使側(cè)壁移動。
文檔編號F01D17/14GK1260026SQ9880609
公開日2000年7月12日 申請日期1998年5月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月10日
發(fā)明者J·帕克 申請人:奧爾塞特工程有限公司