CN108026831A - 可变喷嘴单元以及可变容量型增压器 - Google Patents

Abstract

本发明提供可变喷嘴单元以及可变容量型增压器，该可变喷嘴单元用于涡轮，该涡轮具有气体流路，该气体流路被相互面对的第一流路壁面和第二流路壁面夹着，并使从涡旋流路向涡轮叶轮流入的气体通过。可变喷嘴单元具备喷嘴叶片，该喷嘴叶片被第一流路壁面侧和第二流路壁面侧以双支承的方式轴支承，并在气体流入路内绕与涡轮叶轮的旋转轴线平行的转动轴线转动，在喷嘴叶片的端面形成有与前缘交叉的切割面，该切割面位于比转动轴线靠前缘侧的位置，并被切成与第二流路壁面的间隙大于与其他部位的间隙。

Description

可变喷嘴单元以及可变容量型增压器

技术领域

本公开涉及可变喷嘴单元以及可变容量型增压器。

背景技术

以往，作为这样的领域的技术，已知有下述专利文献1记载的可变涡轮增压器。该涡轮增压器具备：在壳体内配设于涡轮的喷嘴部的多个喷嘴叶片、和能够使喷嘴叶片转动来调节喷嘴叶片的开度的驱动机构。

专利文献1：日本特开2001-173450号公报

在这种可变喷嘴机构中，喷嘴叶片的端面一边在喷嘴部的气体流入路的壁面滑动、喷嘴叶片一边在气体流入路内旋转。因此存在在气体流入路的壁面产生滑动划痕的情况。本公开对减少在形成气体流入路的壁面产生的滑动划痕的可变喷嘴单元以及具备该可变喷嘴单元的可变容量型增压器进行说明。

发明内容

本公开的一个方式的可变喷嘴单元，用于涡轮，该涡轮具有：气体流入路，其使从涡旋流路向涡轮叶轮流入的气体通过；第一流路壁面以及第二流路壁面，它们在涡轮叶轮的旋转轴线方向上相互面对并形成气体流入路，可变喷嘴单元具备喷嘴叶片，该喷嘴叶片被第一流路壁面侧和第二流路壁面侧以双支承的方式轴支承，并在气体流入路内绕与涡轮叶轮的旋转轴线平行的转动轴线转动，在喷嘴叶片的端面中与第一流路壁面或者第二流路壁面中的任意一方的流路壁面面对的端面，形成有与前缘交叉的切缺部位，该切缺部位位于比转动轴线靠喷嘴叶片的前缘侧，并被切成与一方的流路壁面的间隙比与其他部位的间隙大。

根据本公开的可变喷嘴单元以及可变容量型增压器，能够降低在形成气体流入路的壁面产生的滑动划痕。

附图说明

图1是示出本实施方式的可变容量型增压器的剖视图。

图2是将可变容量型增压器的喷嘴叶片的周围放大表示的剖视图。

图3是示出本实施方式的喷嘴部件的立体图。

图4(a)、(b)是示意地示出运转中的喷嘴部件附近的剖视图。

图5是示意地示出运转中现有的喷嘴部件附近的剖视图。

图6是示出变形例的喷嘴部件的立体图。

图7(a)是图6中的VIIa-VIIa剖视图，(b)是图6中的VIIb-VIIb剖视图。

图8(a)、(b)是示意地示出变形例的喷嘴部件附近的剖视图。

具体实施方式

本公开的一个方式的可变喷嘴单元。用于涡轮，该涡轮具有：气体流入路，其使从涡旋流路向涡轮叶轮流入的气体通过；第一流路壁面以及第二流路壁面，它们在涡轮叶轮的旋转轴线方向上相互面对并形成气体流入路，可变喷嘴单元具备喷嘴叶片，该喷嘴叶片被第一流路壁面侧和第二流路壁面侧以双支承的方式轴支承、并在气体流入路内绕与涡轮叶轮的旋转轴线平行的转动轴线转动，在喷嘴叶片的端面中与第一流路壁面或者第二流路壁面中的任意一方的流路壁面面对的端面，形成有与前缘交叉的切缺部位，该切缺部位位于比转动轴线靠喷嘴叶片的前缘侧，并被切成与一方的流路壁面的间隙大于与其他部位的间隙。

另外，喷嘴叶片可以在涡轮运转时朝向一方的流路壁面而沿转动轴线方向被施力。另外，切缺部位可以是以随着朝向前缘侧而远离一方的流路壁面的方式倾斜的平面。另外，所述一方的流路壁面可以是沿周向对涡轮叶轮的叶片的护罩边缘进行覆盖的护罩侧的流路壁面。

本公开的可变容量型增压器具备上述任意一个可变喷嘴单元。

以下，一边参照附图、一边对本公开的可变喷嘴单元以及可变容量型增压器的实施方式进行说明。另外在各附图中，存在对构成要素的特征夸大描绘的情况，因此附图上的各部位的尺寸比不一定与实物一致。

图1所示的可变容量型增压器1，例如应用于船舶、车辆的内燃机。如图1所示，可变容量型增压器1具备涡轮2和压缩机3。涡轮2具备：涡轮壳体4、和收纳于涡轮壳体4的涡轮叶轮6。涡轮壳体4具有在涡轮叶轮6的周围沿周向延伸的涡旋流路16。压缩机3具备：压缩机壳体5、和收纳于压缩机壳体5的压缩机叶轮7。压缩机壳体5具有在压缩机叶轮7的周围沿周向延伸的涡旋流路17。

涡轮叶轮6设置于旋转轴14的一端，压缩机叶轮7设置于旋转轴14的另一端。在涡轮壳体4与压缩机壳体5之间设置有轴承壳体13。旋转轴14经由轴承而能够旋转地支承于轴承壳体13。旋转轴14、涡轮叶轮6以及压缩机叶轮7作为一体的旋转体12而绕旋转轴线H旋转。

在涡轮壳体4设置有排出气体流入口8以及排出气体流出口10。从内燃机(未图示)排出的排出气体通过排出气体流入口8而流入到涡轮壳体4内。然后，排出气体通过涡旋流路16流入涡轮叶轮6，使涡轮叶轮6旋转。之后，排出气体通过排出气体流出口10向涡轮壳体4外流出。

在压缩机壳体5设置有吸入口9以及排出口11。如上述那样若涡轮叶轮6旋转，则压缩机叶轮7经由旋转轴14而旋转。旋转的压缩机叶轮7通过吸入口9吸入外部的空气，对该空气进行压缩，并通过涡旋流路17而从排出口11排出。从排出口11排出的压缩空气被供给到上述的内燃机。

接下来，对涡轮2进行更详细地说明。涡轮2是可变容量型涡轮。在使从涡旋流路16向涡轮叶轮6流入的气体通过的气体流入路21，设置有可动的喷嘴叶片23。多个喷嘴叶片23配置在以旋转轴线H为中心的圆周上。各个喷嘴叶片23绕与旋转轴线H平行的转动轴线J转动。如上述那样通过喷嘴叶片23转动，能够根据导入到涡轮2的排出气体的流量而将气体流路的截面积调整为最佳。如上述那样，作为用于使喷嘴叶片23转动的驱动机构，涡轮2具备可变喷嘴单元25。可变喷嘴单元25嵌入至涡轮壳体4的内侧，通过安装螺栓27而固定于涡轮壳体4。

以下，一边参照图1以及图2、一边对可变喷嘴单元25进行更详细地说明。在以下的说明中，在仅称为“轴线方向”、“径向”、“周向”等时，分别指涡轮叶轮6的旋转轴线H方向、旋转径向、旋转周向。另外，在称为“上游”、“下游”等时，是指涡旋流路16的排出气体的上游、下游。另外，在旋转轴线H方向上，有时将接近涡轮2的一侧(在图1及图2中为左侧)简称为“涡轮侧”，将接近压缩机3的一侧(在图1及图2中为右侧)简称为“压缩机侧”。

可变喷嘴单元25具备：具有上述喷嘴叶片23的喷嘴部件24、和沿轴线方向夹着喷嘴叶片23的第一喷嘴环31以及第二喷嘴环32。第二喷嘴环32形成护罩32d，该护罩32d沿周向覆盖涡轮叶轮6的叶片6a的护罩边缘6d。第二喷嘴环32通过上述安装螺栓27而连结于涡轮壳体4。第一喷嘴环31经由沿周向设置有多个的连结销35而与第二喷嘴环32连结。第一喷嘴环31和第二喷嘴环32分别呈以旋转轴线H为中心的环状，并以沿周向包围涡轮叶轮6的方式配置。被第一喷嘴环31的涡轮侧的壁面31a和与壁面31a面对的第二喷嘴环32的压缩机侧的壁面32a夹着的区域，构成上述气体流入路21。连结销35的尺寸以高精度制作，从而确保气体流入路21的轴线方向的尺寸精度。以下，如上述那样分别将形成气体流入路21的壁面31a、32a称为第一流路壁面31a、第二流路壁面32a。

喷嘴部件24具有：上述喷嘴叶片23、从喷嘴叶片23沿轴线方向朝压缩机侧延伸的第一转动轴41、以及与第一转动轴41同轴且从喷嘴叶片23朝涡轮侧延伸的第二转动轴42。在第一喷嘴环31沿周向排列设置有与喷嘴部件24相同数量的第一轴承孔31b。另外，在第二喷嘴环32且在沿轴线方向与各第一轴承孔31b面对的位置，同轴地设置有第二轴承孔32b。第一轴承孔31b沿轴线方向贯通第一喷嘴环31，第二轴承孔32b沿轴线方向贯通第二喷嘴环32。然后，各喷嘴部件24的第一转动轴41能够旋转地插入至第一轴承孔31b，第二转动轴42能够旋转地插入至第二轴承孔32b。根据该结构，各喷嘴叶片23被第一流路壁面31a侧和第二流路壁面32a侧以双支承的方式轴支承，并能够在气体流入路21内绕与旋转轴线H平行的转动轴线J转动。

可变喷嘴单元25具备环机构26。环机构26使喷嘴叶片23相对于第一喷嘴环31以及第二喷嘴环32转动。由涡轮壳体4、第一喷嘴环31以及轴承壳体13包围的空间形成环室50，环机构26收纳于上述环室50。

在第一喷嘴环31的压缩机侧，经由安装销40固定有圆环状的引导环43。圆环状的驱动环28能够滑动地嵌入于引导环43的径向外侧。驱动环28是传递从外部输入的对喷嘴叶片23的驱动力的部件，例如由金属材料以一个部件形成。驱动环28呈在以旋转轴线H为中心的圆环上延伸的环状，被引导环43的外周面引导而能够绕旋转轴线H转动。在各喷嘴部件24的第一转动轴41安装有以该第一转动轴41为基端而向径向外侧延伸的杆29。在驱动环28设置有卡合接头30。各卡合接头30设置在与各杆29的前端对应的位置，各杆29的前端与卡合接头30啮合。

根据该结构，若来自涡轮2的外部的驱动力被输入到驱动环28，则驱动环28绕旋转轴线H转动。伴随驱动环28的转动，与卡合接头30啮合的各杆29进行转动，各喷嘴叶片23经由各第一转动轴41转动。另外，对驱动环28的驱动力，将设置于可变容量型增压器1外部的转动促动器51(参照图1)作为动力源。对驱动环28的驱动力经由动力传递机构53被输入。

内置有环机构26的环室50，经由涡轮壳体4与第一喷嘴环31之间的间隙而与涡旋流路16连通。因此在可变容量型增压器1的运转过程中，环室50因涡旋流路16的压力的影响而成为较高压力的空间。另一方面，插入有第二转动轴42的第二轴承孔32b，经由第二喷嘴环32与涡轮壳体4的间隙44而与排出气体流出口10连通。因此在可变容量型增压器1的运转过程中，第二轴承孔32b因排出气体流出口10的压力的影响而成为较低压力的空间。

因此，通过作用于第一转动轴41的轴端面的环室50的压力与作用于第二转动轴42的轴端面的第二轴承孔32b的压力之差，在运转中，喷嘴部件24处于被向涡轮侧施力的状态。因此在可变容量型增压器1的运转过程中(涡轮2的运转过程中)，喷嘴叶片23朝向第二流路壁面32a且向转动轴线J方向被施力，并被按压于第二流路壁面32a。根据该结构，与第二流路壁面32a面对的喷嘴叶片23的靠涡轮侧的端面23a以被第二流路壁面32a按压的状态在该第二流路壁面32a上滑动。

接下来，一边参照图3以及图4、一边对喷嘴部件24以及喷嘴叶片23的详细情况进行说明。图3是将喷嘴部件24的喷嘴叶片23附近放大表示的立体图。图4是示出可变喷嘴单元25中的喷嘴部件24附近的示意剖视图。在图3、图4中，图的上方为涡轮侧、下方为压缩机侧。另外，在图3、图4中右侧为气体的上游侧(涡旋流路16侧)、左侧为气体的下游侧(涡轮叶轮6侧)，喷嘴叶片23的右端的边缘是前缘23c，喷嘴叶片23的左端的边缘为后缘23d。

如图3以及图4(a)所示，在喷嘴叶片23的端面中与第二流路壁面32a面对的涡轮侧的端面23a，形成有将该端面23a的一部分切除而形成的切割面23h(切缺部位)。切割面23h位于比喷嘴叶片23的转动轴线J靠前缘23c侧的位置。切割面23h被切成与第二流路壁面32a的间隙大于与其他部位的间隙。切割面23h与前缘23c交叉。作为具体例，切割面23h相对于与转动轴线J正交的假想平面倾斜，为以随着朝向前缘23c侧而远离第二流路壁面32a的方式倾斜的平面。切割面23h的实际的倾斜例如为1/20～1/10的程度，在图3以及图4中将倾斜夸大示出。另外，在图1以及图2中由于倾斜过小，因此省略切割面23h的图示。另外，如图4(a)所示，在将转动轴线J方向上的切割面23h的长度设为s、将喷嘴叶片23的长度方向上的切割面23h的长度设为t时，切割面23h的倾斜是指s/t的值。

对具备上述那样的喷嘴叶片23的可变喷嘴单元25的作用效果进行说明。如上述那样，如图4(a)所示，在可变容量型增压器1的运转过程中，喷嘴叶片23向箭头A方向被施力而成为被按压于第二流路壁面32a的状态。另外，如图4(b)所示，在运转中，存在因可变喷嘴单元25各部位的热膨胀特性的差异、温度分布而引起第一轴承孔31b与第二轴承孔32b的相对位置在径向(图的左右方向)上偏离的情况。在图的例子的情况下，第一轴承孔31b比第二轴承孔32b更向径向外侧偏离。由此，如该图所示，喷嘴叶片23的转动轴线J也倾斜。

在此，如图5所示，若考虑不存在现有那样的切割面23h的喷嘴叶片的情况，则在端面23a与前缘23c交叉的位置存在锐利的角部23k。而且通过喷嘴叶片23向箭头A方向被施力，由此上述角部23k被按压于第二流路壁面32a。在该状态下若喷嘴叶片23转动，则产生由角部23k引起的第二流路壁面32a的滑动划痕。

相对于此，如图4(b)所示，通过具有切割面23h的喷嘴叶片23，能够避免角部23k那样的锐利的部分被按压于第二流路壁面32a的状态。例如，在该图的例子中，切割面23h相对于第二流路壁面32a为面接触。因此根据该可变喷嘴单元25，在运转中能够降低由喷嘴叶片23的转动所引起的第二流路壁面32a的滑动划痕。另外，由于切割面23h为平面，因此能够比较容易地形成切割面23h，切割面23h的形成方法的选择范围也较宽。例如，可以切削喷嘴叶片23的角部来形成切割面23h，也可以通过金属注射成形(MIM)来制作包含切割面23h的喷嘴部件24。进而通过降低运转中的滑动划痕，从而能够期待提高喷嘴叶片23在转动时的动作特性。

另外，若喷嘴叶片23与第二流路壁面32a的间隙(转动轴线J方向的距离)增大，则一部分气体不通过喷嘴叶片23而是向间隙泄露，因此存在涡轮性能下降的趋势。然而，本发明人们通过执行的涡轮性能试验，明确了在比转动轴线J靠前缘23c侧形成切割面23h，例如在切割面23h的倾斜为1/20～1/10的情况下，不会产生涡轮2的性能显著下降。因此通过可变喷嘴单元25，也不会产生由切割面23h引起的显著的涡轮2的性能下降。

与将切割面23h形成在端面23a中比转动轴线J靠后缘23d侧的位置的情况相比，形成在前缘23c侧的位置能够抑制涡轮2的性能下降。其理由如下。在喷嘴叶片23内通过的气体，一边从喷嘴叶片23的前缘23c侧朝向后缘23d侧、一边压力上升。因此在考虑从喷嘴叶片23与第二流路壁面32a的间隙泄露时，与压力高的后缘23d侧相比，该泄露在压力低的前缘23c侧减小。因此比较能够减小涡轮2的性能下降。

为了兼顾上述的滑动划痕的减少、和避免涡轮2的性能显著下降，优选切割面23h的倾斜是在比转动轴线J靠前缘23c侧。

本发明以上述的实施方式为代表，能够基于本领域技术人员的知识而以实施了各种变更、改良的各种各样的方式来实施。另外，利用上述实施方式记载的技术事项，也能够构成下述实施例的变形例。还可以将各实施方式的结构进行适当地组合来使用。

例如，形成于喷嘴叶片的切缺部位，若如实施方式的切割面23h那样是平面，则因加工方法的选择范围变宽而优选，但切缺部位并不一定为平面，切缺部位也可以是曲面。例如，可以代替喷嘴部件24，而采用图6以及图7所示的喷嘴部件124。图6是变形例的喷嘴部件124的立体图。图7(a)是截取与气体的流动方向平行的截面的喷嘴叶片123的前缘23c附近的剖视图(VIIa-VIIa剖视图)。图7(b)是截取与气体的流动方向正交的剖面的喷嘴叶片123的前缘23c附近的剖视图(VIIb-VIIb剖视图)。

如图6以及图7(a)所示，喷嘴部件124的喷嘴叶片123具有将端面23a与前缘23c交叉的角部进行倒圆加工的倒角部123h。在喷嘴叶片123中，上述倒角部123h的表面以与第二流路壁面32a的间隙比与其他部位的间隙大的方式，作为被切除的切缺部位而发挥作用。因此倒角部123h起到与上述切割面23h同样的作用效果。另外，在喷嘴叶片123处，如图6以及图7(b)所示，对端面23a的缘部中沿着气体流动方向延伸的缘部126也进行倒圆加工。该倒圆加工也有助于第二流路壁面32a的滑动划痕的减少。倒角部123h以及缘部126的曲率半径例如优选为喷嘴叶片123与第二流路壁面32a的间隙的5倍以上。

另外，在实施方式中，对喷嘴叶片23被按压于第二流路壁面32a的例子进行了说明，但根据可变喷嘴单元的构造，如图8(a)所示，也存在喷嘴叶片23向箭头B方向被施力，并被按压于第一流路壁面31a的情况。在该情况下，在比转动轴线J靠前缘23c侧，在与第一流路壁面31a面对的端面23b，形成与上述切割面23h同样的切割面23p即可。由此，起到与实施方式同样的作用效果。即，如图8(b)所示，通过切割面23p的存在，避免喷嘴叶片23的锐利的部位与第一流路壁面31a接触，从而降低第一流路壁面31a的滑动划痕。但是，如实施方式那样，根据喷嘴叶片23被按压于第二流路壁面32a的结构，能够极力减小第二流路壁面32a与喷嘴叶片23的间隙。在此，第二流路壁面32a是护罩32d侧(涡轮侧)的壁面。护罩32d沿周向覆盖涡轮叶轮6的叶片6a的护罩边缘6d(参照图1)。这样，在实施方式的结构中，能够极力减小喷嘴叶片23与护罩32d侧的流路壁面的间隙，因此与喷嘴叶片23被按压于第一流路壁面31a的情况相比，能够期待涡轮性能的提高。因此在设置有切割面23h的情况下，能够有助于避免涡轮性能的下降。

附图标记说明：1…可变容量型增压器；2…涡轮；6…涡轮叶轮；16…涡旋流路；21…气体流入路；23…喷嘴叶片；23a、23b…端面；23c…前缘；23h、23p…切割面；25…可变喷嘴单元；31a…第一流路壁面；32a…第二流路壁面；H…旋转轴线；J…转动轴线。

Claims (5)

1.一种可变喷嘴单元，用于涡轮，所述涡轮具有：

气体流入路，其使从涡旋流路向涡轮叶轮流入的气体通过；和

第一流路壁面以及第二流路壁面，它们在所述涡轮叶轮的旋转轴线方向上相互面对并形成所述气体流入路，

所述可变喷嘴单元的特征在于，

具备喷嘴叶片，该喷嘴叶片被所述第一流路壁面侧和所述第二流路壁面侧以双支承的方式轴支承，并在所述气体流入路内绕与所述涡轮叶轮的所述旋转轴线平行的转动轴线转动，

在所述喷嘴叶片的端面中与所述第一流路壁面或者所述第二流路壁面中的任意一方的流路壁面面对的端面形成有切缺部位，该切缺部位位于比所述转动轴线靠所述喷嘴叶片的前缘侧，并被切成与所述一方的流路壁面的间隙大于与其他部位的间隙，并且该切缺部位与所述前缘交叉。

2.根据权利要求1所述的可变喷嘴单元，其特征在于，

所述喷嘴叶片在所述涡轮运转时朝向所述一方的流路壁面而沿所述转动轴线方向被施力。

3.根据权利要求1或2所述的可变喷嘴单元，其特征在于，

所述切缺部位是以随着朝向所述前缘侧而远离所述一方的流路壁面的方式倾斜的平面。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的可变喷嘴单元，其特征在于，

所述一方的流路壁面是沿周向对所述涡轮叶轮的叶片的护罩边缘进行覆盖的护罩侧的流路壁面。

5.一种可变容量型增压器，其特征在于，

具备权利要求1至4中的任一项所述的可变喷嘴单元。