專利名稱:用于渦輪增壓器的可變噴嘴組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及具有可變噴嘴渦輪的渦輪增壓器,其中可移動(dòng)葉片的 陣列安置在渦輪的噴嘴中用于調(diào)節(jié)進(jìn)入渦輪內(nèi)的廢氣流。
背景技術(shù):
廢氣驅(qū)動(dòng)的渦輪增壓器是一種結(jié)合內(nèi)燃機(jī)使用的裝置,用于通過 對(duì)輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口以與燃料混合并在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒的空氣進(jìn)行壓 縮來增加發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。渦輪增壓器包括安裝到壓縮機(jī)殼體中的 軸桿一端上的壓縮機(jī)葉輪和安裝到渦輪殼體中的軸桿的另一端上的渦 輪葉輪。典型地,渦輪殼體與壓縮機(jī)殼體各自獨(dú)立地形成,且存在另 一中心殼體連接在渦輪殼體與壓縮機(jī)殼體之間以容納用于軸桿的軸
承。渦輪殼體限定大體上環(huán)形的腔室,該大體上環(huán)形的腔室包圍渦輪 葉輪并從發(fā)動(dòng)機(jī)接收廢氣。渦輪組件包括從腔室通向渦輪葉輪內(nèi)的噴 嘴。廢氣從腔室經(jīng)過噴嘴流到渦輪葉輪并由廢氣來驅(qū)動(dòng)渦輪葉輪。因 而渦輪從廢氣提取動(dòng)力并驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。壓縮機(jī)通過壓縮機(jī)殼體的入口 接收環(huán)境空氣且空氣由壓縮機(jī)葉輪壓縮,然后從殼體排放到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn) 氣口。
利用渦輪增壓器來提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能所面臨的挑戰(zhàn)之一是在發(fā)動(dòng)機(jī) 的整個(gè)操作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所需的發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出量。已發(fā)現(xiàn)此目標(biāo)常常 不太容易利用固定幾何形狀的渦輪增壓器而實(shí)現(xiàn),因此研發(fā)了可變幾 何形狀的渦輪增壓器,其目的在于更大程度地控制由渦輪增壓器所提 供的增壓量。 一種可變幾何形狀的渦輪增壓器是可變噴嘴渦輪增壓器
(VNT),其包括在渦輪噴嘴中的可變?nèi)~片的陣列。所述葉片樞轉(zhuǎn)地安裝 在噴嘴中并且連接到能改變?nèi)~片的設(shè)定角度的機(jī)構(gòu)上。改變?nèi)~片的設(shè) 定角度具有改變渦輪噴嘴中的有效流通面積的作用,且因此可通過控 制葉片的位置來調(diào)節(jié)廢氣到渦輪葉輪的流動(dòng)。這樣,能調(diào)節(jié)渦輪的功 率輸出,這使得與利用固定幾何形狀的渦輪增壓器一般有可能實(shí)現(xiàn)的 效果相比,能在更大程度上控制發(fā)送機(jī)的功率輸出。
可變?nèi)~片機(jī)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,且因此在渦輪增壓器的組裝方面提出了
4挑戰(zhàn)。而且,機(jī)構(gòu)位于渦輪殼體與中心殼體之間,渦輪殼體由于其暴 露于廢氣而變得相當(dāng)熱,中心殼體的溫度遠(yuǎn)低于渦輪殼體的溫度。因 此,可變?nèi)~片機(jī)構(gòu)由于此溫度梯度而經(jīng)受熱應(yīng)力。
本申請的受讓人在先前通過提供一種可變噴嘴渦輪增壓器解決了 上文所述的問題,該可變噴嘴渦輪增壓器包括容納有可變?nèi)~片機(jī)構(gòu)的 盒。渦輪限定噴嘴和中心內(nèi)孔,廢氣通過噴嘴輸送到渦輪葉輪,在廢 氣穿過渦輪葉輪之后經(jīng)過中心內(nèi)孔排放。盒連接在中心殼體與渦輪殼 體之間且包括大體上環(huán)形的噴嘴環(huán)與葉片陣列的組件,葉片陣列繞噴
環(huán)使得致動(dòng)環(huán)的旋轉(zhuǎn)也使葉片旋轉(zhuǎn)以調(diào)節(jié)到渦輪葉輪的廢氣流動(dòng)。盒 還包括插入件,該插入件具有被密封地接收到渦輪殼體內(nèi)孔中的管狀 部分且具有從管狀部分的一端大體上在徑向向外延伸的噴嘴部分,該
伸。;個(gè)間隔;:接在插入;的噴嘴部分與噴嘴環(huán)i間用l將噴嘴環(huán) 固定到插入件上并維持插入件的噴嘴部分與噴嘴環(huán)之間的軸向間距。 間隔件焊接到插入件的噴嘴部分上。
由于噴嘴部分中用于間隔件的孔靠近噴嘴部分的徑向外邊緣的事 實(shí),因此將間隔件焊接到插入件的噴嘴部分上是一個(gè)復(fù)雜的任務(wù),且 因此每個(gè)孔與噴嘴部分的外邊緣之間的局部壁部段較薄,而在該孔的 徑向內(nèi)側(cè)上,有更多的金屬質(zhì)量。在孔周圍的這種較大的金屬質(zhì)量梯
度使得難以形成具有穿過噴嘴部分深度的足夠焊接熔深(weld penetration )的良好焊接。利用更大強(qiáng)度或更長持續(xù)時(shí)間的焊接來改進(jìn) 熔深是一個(gè)不可行的方案,因?yàn)槠渚哂杏泻Φ母弊饔?,諸如噴嘴部分 平坦性降級(jí)以及在壁部段較薄的噴嘴部分外邊緣處的過量金屬熔融。
因此,雖然上文所述的渦輪增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)良好,但仍尋求進(jìn)一步的 改進(jìn)。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)方面,在大體上如上文所述類型的渦輪增 壓器中,可變噴嘴組件包括大體上環(huán)形的噴嘴環(huán)和葉片陣列、以及 插入件,該葉片陣列可繞噴嘴環(huán)在周向間隔開并且可旋轉(zhuǎn)地安裝到噴 嘴環(huán)上從而可改變?nèi)~片的設(shè)定角度以調(diào)節(jié)流經(jīng)其中的廢氣流,該插入件具有管狀部分和從管狀部分的一端大體上在徑向延伸出來的環(huán)形噴 嘴部分。該噴嘴部分具有在軸向朝向噴嘴環(huán)的基本上平面的第一表面 和相對(duì)的基本上平面的第二表面。插入件限定了多個(gè)在軸向延伸的孔, 其延伸穿過限定在第一表面與第二表面之間的噴嘴部分的整個(gè)厚度, 該孔沿著噴嘴部分的周向彼此間隔開并且靠近噴嘴部分的徑向外邊 緣。該組件還包括多個(gè)間隔件,所述的多個(gè)間隔件在周向間隔開且并 且該間隔件的第一端接合到接合到噴嘴環(huán),間隔件的相對(duì)的第二端嚙 合到插入件的噴嘴部分的孔中并通過形成于第二表面的焊縫而固定到 噴嘴部分上。環(huán)形凹槽限定在噴嘴部分的第二表面中并位于孔的徑向 向內(nèi)處且靠近該孔,凹槽延伸穿過噴嘴部分的部分厚度。
在噴嘴部分中提供凹槽有效地減小鄰近每個(gè)孔的徑向內(nèi)側(cè)的金屬 質(zhì)量,使得在此區(qū)域中所實(shí)現(xiàn)的焊縫熔深相當(dāng)于或至少接近在靠近噴 嘴部分外邊緣處的孔的徑向外側(cè)上所實(shí)現(xiàn)的熔深程度。
除了凹槽之外或作為凹槽的替代,對(duì)于每個(gè)孔,噴嘴部分可具有 限定在第二表面中的一對(duì)凹口 ,所述凹口在每個(gè)孔的相對(duì)側(cè)上間隔開。 凹口延伸穿過噴嘴部分的部分厚度。凹口減小鄰近孔側(cè)部的金屬質(zhì)量 以幫助實(shí)現(xiàn)這些區(qū)域中更大的焊縫熔深。
已經(jīng)概括地描述了本發(fā)明,現(xiàn)將參看附圖,附圖未必按照比例繪
制,且其中
圖l是不包括本發(fā)明的特點(diǎn)的可變噴嘴組件的透視圖; 圖2是圖1的組件的一部分的截面圖3是在大體上如圖1所示的可變噴嘴組件中所產(chǎn)生的焊縫的放 大照片,該焊縫沿著組件的徑向-軸向平面剖切;
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可變噴嘴組件的透視圖; 圖5是圖4的組件的一部分的截面圖6是在根據(jù)本發(fā)明具有環(huán)形凹槽的可變噴嘴組件中所產(chǎn)生的焊 縫的放大照片,該焊縫沿著組件的徑向-軸向平面剖切;
圖7是在大體上如圖4所示的具有環(huán)形凹槽以及兩個(gè)凹口的可變 噴嘴組件中所產(chǎn)生的焊縫的放大照片,該焊縫沿著組件的徑向-軸向平 面剖切。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)將參看附圖在下文中更全面地描述本發(fā)明,在附圖中示出了本 發(fā)明的某些實(shí)施例但非全部實(shí)施例。實(shí)際上,這些發(fā)明可體現(xiàn)為許多
不同的形式且不應(yīng)被解釋為限于本文所述的實(shí)施例;而是提供這些實(shí) 施例使得本公開內(nèi)容滿足可適用的法律要件。在所有附圖中相同的附 圖標(biāo)記指代相同元件。
本發(fā)明涉及對(duì)大體上如圖1和圖2所示的可變噴嘴組件100的改 進(jìn)。該可變噴嘴組件由大體上環(huán)形噴嘴環(huán)110形成,該大體上環(huán)形噴 嘴環(huán)110支承多個(gè)葉片120,葉片120繞噴嘴環(huán)在周向間隔開。葉片以 已知方式可旋轉(zhuǎn)地通過樞軸支承在(journaled in)噴嘴環(huán)中從而可改 變?nèi)~片的設(shè)定角度來調(diào)節(jié)經(jīng)過噴嘴的流動(dòng)??勺儑娮旖M件還包括插入 件130,該插入件130具有管狀部分132,該管狀部分132被配置成插 入到渦輪殼體的軸向孔內(nèi)。該插入件還具有環(huán)形噴嘴部分134,環(huán)形噴 嘴部分134接合到管狀部分132的一端并且從該處徑向向外延伸。噴 嘴部分具有在軸向朝向噴嘴環(huán)110并與噴嘴環(huán)110間隔開的基本上平 面的第一表面136和背向噴嘴環(huán)的基本上平面的第二表面138。葉片 120安置在噴嘴環(huán)與插入件的噴嘴部分之間。葉片具有葉片臂(不可見), 葉片臂從插入件開始鄰近噴嘴環(huán)的相對(duì)側(cè),且葉片臂由可旋轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié) 環(huán)(unison ring)125嚙合。調(diào)節(jié)環(huán)的旋轉(zhuǎn)使葉片繞它們的相應(yīng)軸線樞轉(zhuǎn)。
噴嘴部分134利用多個(gè)間隔件140(在所圖解的實(shí)施例中數(shù)量為三 個(gè))固定到噴嘴環(huán)110上,間隔件140在周向間隔開并且沿軸向在噴嘴 部分與噴嘴環(huán)之間延伸。每個(gè)間隔件具有相對(duì)較大直徑的中部,以及 直徑小于中部且為圓柱形式的相對(duì)的第一和第二端部。第一端部以任 何合適的方式固定在形成于噴嘴環(huán)中的孔112中,且第二端部穿過形 成于噴嘴部分134中的孔142???12、 142的直徑小于間隔件的中部 的直徑使得中部鄰靠噴嘴環(huán)和噴嘴部分的相面對(duì)的表面并且使它們以 間隔件中部所決定的軸向距離保持間隔開。間隔件的第二端部的長度 約等于噴嘴部分134的厚度使得間隔件的頂端與第二表面138近似齊 平。間隔件的第二端部通過在第二表面形成的焊縫而固定到噴嘴部分 上。
以此方式產(chǎn)生焊縫且焊縫隨后沿著徑向-軸向平面被剖切并拍照。利用由德國Wissen的L-TEC Schwei P technik GmbH所供應(yīng)的PTW 150等離子電弧焊炬(arc torch)來產(chǎn)生焊縫。焊接溫度大約為1600 至20001:,且焊接過程為自熔焊過程(即,不添加焊接材料)。間隔件 140由AISI316L (奧氏體不銹鋼)制成且通過車削制造,且插入件130 由AISI309(奧氏體不銹鋼)制成且通過熱鍛和機(jī)加工而制造。剖切焊縫 的放大照片在圖3中示出??梢钥闯鲈诳?42的徑向外側(cè)(在圖3中表 示為區(qū)域A),在該處由于孔靠近噴嘴部分134的外邊緣所以金屬厚度 量值在徑向上較小,在噴嘴部分的厚度方向上的焊縫熔深相對(duì)較大。 相比而言,在孔的徑向內(nèi)側(cè)(在圖3中表示為區(qū)域B),在該處材料的質(zhì) 量大得多,焊縫熔深基本上更小。這種不均勻的熔深是不合乎需要的, 且本發(fā)明的目的在于減小這種不均勻性。
因此,根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可變噴嘴組件200在圖4和圖5 中示出。該組件包括與圖1的實(shí)施例相同的噴嘴環(huán)110、葉片120、和 間隔件140,且因此在此將不再重復(fù)這些部件的描述。組件200與現(xiàn)有 組件的不同在于相對(duì)于插入件130修改了插入件230。插入件230包括 大體上如上文所述的管狀部分232。插入件的噴嘴部分234還具有基本 上平面的第一表面236和基本上平面的第二表面238,并包括用于間隔 件140的笫二端部的孔242。但是,與現(xiàn)有實(shí)施例不同,笫二表面238 中具有在其中形成的環(huán)形凹槽250,該環(huán)形凹槽250延伸穿過噴嘴部分 234的部分厚度。凹槽位于靠近孔242的徑向向內(nèi)處。在孔242的徑向 內(nèi)邊緣與凹槽250的徑向外邊緣之間的徑向距離可約等于孔242的徑 向外邊緣與噴嘴部分的徑向外邊緣之間的徑向距離。 一般而言,這個(gè) 間距可以是孔242直徑的大約0.3至0.7倍,但是本發(fā)明并不限于此。 凹槽250的徑向?qū)挾瓤梢允强?42直徑的大約0.5至l.O倍,但同樣, 本發(fā)明并不限于此。
除了環(huán)形凹槽250之外或者作為環(huán)形凹槽250的替代,噴嘴部分 234的第二表面238還包括與每個(gè)孔242相關(guān)聯(lián)的一對(duì)凹口 260。凹口 260在周向上在每個(gè)孔242的相對(duì)側(cè)上間隔開,且延伸穿過噴嘴部分的 部分厚度。所述凹口中的每個(gè)凹口可以與相關(guān)聯(lián)的孔242間隔開周向 距離,該周向距離大約等于孔242的徑向外邊緣與噴嘴部分的徑向外 邊緣之間的徑向距離。 一般而言,這個(gè)周向距離可以是孔242直徑的 大約0.3至0.7倍,但本發(fā)明并不限于此。凹口可以是圓形的且可具有等于孔直徑大約0.8至1.3倍的直徑,但本發(fā)明也并不限于此。凹口 260 有效地減小鄰近孔242的周向相對(duì)側(cè)的金屬質(zhì)量,從而在這些區(qū)域中 幫助實(shí)現(xiàn)更大的焊縫熔深。
在間隔侔鳥且右玩形凹措250但不J右凹口 260的喰喵部分之間
所產(chǎn)生的焊縫沿著徑向-軸向平面剖切并拍照。焊縫的放大照片在圖6 中示出。在孔的徑向外側(cè),焊縫熔深同樣相對(duì)較大。在孔的徑向內(nèi)側(cè)(在 圖6中標(biāo)注為區(qū)域C),焊縫熔深并不太大,但基本上大于圖3所示焊 縫區(qū)域B的焊縫熔深。在孔(未圖示)的周向相對(duì)側(cè),熔深類似于圖3 的區(qū)域B。
為了測試凹口 260的效果,在大體上如圖4所示的間隔件與具有 環(huán)形凹槽250以及凹口 260 二者的噴嘴部分之間產(chǎn)生的焊縫沿著徑向-軸向平面剖切并拍照。焊縫的放大照片在圖7中示出。在孔的徑向外 側(cè),焊縫熔深同樣相對(duì)較大。在孔的徑向內(nèi)側(cè)(在圖7中標(biāo)注為區(qū)域D), 焊縫熔深并不很大,但基本上大于圖3所示的焊縫的區(qū)域B的焊縫熔 深。在孔的周向相對(duì)側(cè)(未圖示),熔深類似于區(qū)域D。因此,凹口260 在孔的周向相對(duì)側(cè)增加焊縫熔深。
因而環(huán)形凹槽250和/或凹口 260有效地增加其鄰近區(qū)域中的焊縫 熔深。
采用每個(gè)孔三個(gè)凹口且不采用凹槽也在本發(fā)明的范疇內(nèi)。這些凹 口中的兩個(gè)凹口處于孔的相對(duì)的周向側(cè)上,且第三凹口在孔的徑向內(nèi) 側(cè)上。
受益于前文描述和相關(guān)聯(lián)附圖中所提出的教導(dǎo)內(nèi)容,本發(fā)明所屬 領(lǐng)域的技術(shù)人員能想出本文所述的本發(fā)明的許多修改和其它實(shí)施例。 因此,應(yīng)了解本發(fā)明并不限于所公開的具體實(shí)施例且修改和其它實(shí)施 例旨在包括在所附權(quán)利要求書的范疇內(nèi)。盡管在本文中采用了具體術(shù) 語,但它們僅以一般性和描述性的意義使用且并不用于限制的目的。
權(quán)利要求
1. 一種用于渦輪增壓器的可變噴嘴組件,其包括大體環(huán)形的噴嘴環(huán)和葉片陣列,所述葉片陣列繞所述噴嘴環(huán)在周向上間隔開并且可旋轉(zhuǎn)地安裝到所述噴嘴環(huán)上從而可改變所述葉片的設(shè)定角度以用于調(diào)節(jié)流經(jīng)所述噴嘴的廢氣流動(dòng);插入件,其具有管狀部分并具有從所述管狀部分的一端大體上在徑向上向外延伸的環(huán)形噴嘴部分,所述噴嘴部分具有在軸向上朝向所述噴嘴環(huán)的基本上平面的第一表面和相對(duì)的基本上平面的第二表面,所述插入件限定多個(gè)在軸向上延伸的孔,所述多個(gè)在軸向上延伸的孔延伸穿過限定在所述第一表面與第二表面之間的所述噴嘴部分的整個(gè)厚度,所述孔沿著所述噴嘴部分的圓周方向彼此間隔開并且靠近所述噴嘴部分的徑向外邊緣;多個(gè)間隔件,其在周向間隔開并且其第一端接合到所述噴嘴環(huán)上,所述間隔件的相對(duì)的第二端嚙合到所述插入件的所述噴嘴部分中的所述孔中并通過在所述第二表面上形成的焊縫而固定到所述噴嘴部分上;以及環(huán)形凹槽,其限定在所述噴嘴部分的所述第二表面中且位于所述孔的徑向向內(nèi)處并靠近所述孔,所述凹槽延伸穿過所述噴嘴部分的部分厚度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變噴嘴組件,其特征在于,所述凹槽的 徑向?qū)挾妊刂芟蚝愣ā?br>
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變噴嘴組件,其特征在于,所述凹槽 的最大徑向?qū)挾鹊扔谒隹字睆降拇蠹s0.5至1.0倍。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變噴嘴組件,其特征在于,所述凹槽 以等于所述孔直徑大約0.3至0.7倍的徑向距離與所述孔間隔開。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所迷的可變噴嘴組件,其特征在于,其還包括 用于每個(gè)孔的一對(duì)離散的凹口 ,每對(duì)凹口形成在所述噴嘴部分的所述 第二表面中;且所述每對(duì)凹口大體上在圓周方向上在相應(yīng)孔的相對(duì)側(cè) 上間隔開,所述凹口延伸穿過所述噴嘴部分的部分厚度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的可變噴嘴組件,其特征在于,所述凹口 為圓形。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的可變噴嘴組件,其特征在于,所述凹口具有等于所述孔直徑的大約0.8至1.3倍的直徑。
8. —種用于渦輪增壓器的可變噴嘴組件,其包括大體環(huán)形的噴嘴環(huán)和葉片陣列,所述葉片陣列繞所述噴嘴環(huán)在周i角度^用于二節(jié)流經(jīng)所述噴嘴的廢氣流、動(dòng); "'、插入件,其具有管狀部分并具有從所述管狀部分的一端大體上在 徑向上向外延伸的環(huán)形噴嘴部分,所述噴嘴部分具有在軸向上朝向所 述噴嘴環(huán)的基本上平面的第一表面和相對(duì)的基本上平面的第二表面, 所述插入件限定多個(gè)在軸向上延伸的孔,所述多個(gè)在軸向上延伸的孔 延伸穿過限定在所述笫一表面與第二表面之間的所述噴嘴部分的整個(gè) 厚度,所述孔沿著所述噴嘴部分的圓周方向彼此間隔開并且靠近所述 噴嘴部分的徑向外邊緣;多個(gè)間隔件,其在周向間隔開并且其第一端接合到所述噴嘴環(huán)上, 所述間隔件的相對(duì)的第二端嚙合到所述插入件的所述噴嘴部分中的所 述孔中并通過在所述第二表面上形成的焊縫而固定到所述噴嘴部分 上;以及用于每個(gè)孔的一對(duì)離散的凹口,每對(duì)凹口形成在所述噴嘴部分的 所述第二表面中且所述每對(duì)凹口靠近相應(yīng)孔的側(cè)部,所述凹口延伸穿 過所述噴嘴部分的部分厚度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的可變噴嘴組件,其特征在于,所述每對(duì)凹 口大體在圓周方向上在相應(yīng)孔的相對(duì)側(cè)上間隔開。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的可變噴嘴組件,其特征在于,所述凹口 是圓形的且具有等于所述孔直徑的大約0.8至1.3倍的直徑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于渦輪增壓器的可變噴嘴組件,其中所述可變噴嘴組件包括噴嘴環(huán)和葉片陣列以及插入件,葉片陣列繞噴嘴環(huán)在周向上間隔開且可旋轉(zhuǎn)地安裝到噴嘴環(huán)上從而可改變?nèi)~片的設(shè)定角度,插入件具有管狀部分和從所述管狀部分的一端大體上在徑向向外延伸的環(huán)形噴嘴部分。多個(gè)在軸向延伸的孔延伸穿過噴嘴部分的厚度。多個(gè)間隔件的第一端接合到噴嘴環(huán)上,間隔件的相對(duì)的第二端嚙合到孔中并通過在第二表面上形成的焊縫而固定到噴嘴部分上。環(huán)形凹槽限定在噴嘴部分的第二表面中且在所述孔的徑向徑向向內(nèi)處并靠近所述孔??商娲鼗蜓a(bǔ)充地,離散的凹口形成在鄰近孔的第二表面中。凹槽和/或凹口有助于加大焊縫熔深。
文檔編號(hào)E21B29/06GK101532376SQ20091000775
公開日2009年9月16日 申請日期2009年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月25日
發(fā)明者F·阿貝爾, L·索斯, O·埃斯帕薩, P·巴瑟勒特 申請人:霍尼韋爾國際公司