用于径流式涡轮机的喷嘴环和包括该喷嘴环的排气涡轮增压器
阅读说明：本技术 用于径流式涡轮机的喷嘴环和包括该喷嘴环的排气涡轮增压器 (Nozzle ring for radial turbine and exhaust gas turbocharger comprising same ) 是由 布赖恩·亚历山大 埃尔玛·格罗舍尔 伯恩哈德·克莱恩 于 2019-02-21 设计创作，主要内容包括：描述了一种用于径流式涡轮机的喷嘴环(10)。喷嘴环包括盘状主体(11),盘状主体(11)具有用于使轴从中穿过的中央开口(12)。此外,喷嘴环包括导向叶片(14),导向叶片(14)被周向设置在主体(11)的第一表面(11A)上的径向外部部分中。主体(11)的径向内部部分中设置有两个或更多个孔(17)。另外,主体(11)的第一表面(11A)中设置有凹槽(171),凹槽(171)连接两个或更多个孔(17)中的至少两个孔。(A nozzle ring (10) for a radial turbine is described. The nozzle ring comprises a disc-shaped body (11), the disc-shaped body (11) having a central opening (12) for the shaft to pass through. Furthermore, the nozzle ring comprises guide vanes (14), the guide vanes (14) being circumferentially arranged in a radially outer portion on the first surface (11A) of the body (11). Two or more holes (17) are provided in a radially inner portion of the body (11). In addition, a groove (171) is provided in the first surface (11A) of the body (11), the groove (171) connecting at least two of the two or more holes (17).)
技术领域
本公开的实施例涉及排气涡轮增压器。特别地，本公开的实施例涉及用于排气涡轮增压器的径流式涡轮机的喷嘴环。
背景技术
今天，排气涡轮增压器被广泛用于提高内燃机的性能。排气涡轮增压器通常具有在内燃机的排气管中的涡轮机和在内燃机上游的压缩机。内燃机的排气在涡轮中膨胀。所获取的功由轴传递到压缩机，该压缩机压缩供应给内燃机的空气。通过利用排气的能量来压缩被供应给内燃机中的燃烧过程的空气，可以优化内燃机的燃烧过程和效率。应当理解，涡轮增压器也用于压燃式发动机。
排气的热能和动能用于驱动涡轮增压器转子。为了确保安全运行，必须将排气射流引导到涡轮机叶轮上。为此，并且为了使得涡轮增压器能够针对不同应用“匹配”，喷嘴环被安装在径向涡轮级中涡轮机叶轮前面的流动通道的出口处。
取决于所使用的涡轮机和具体操作条件，工作介质(例如，排气)可能有很大的温度梯度。由于这个原因，排气涡轮增压器的喷嘴环通常会由于工作条件的变化(即，工作介质的压力和温度的升高或降低)而承受高负荷，并且因此会受到相对较高的温度膨胀。
喷嘴环通常通过轴向夹紧被保持就位，通常在涡轮机壳体与轴承座之间。此外，如果通过排气进入轴承座的热量太高，或者如果太多能量通过其他相邻组件而从排气中消散，则可以安装单独的隔热罩。有时可能需要将喷嘴环与涡轮机壳体的位置对准，这可以通过诸如销连接等的定位组件来实现。
用于将喷嘴环例如固定到轴承座的另一种可能性是使用诸如紧固螺栓或螺钉等紧固装置。因此，通常，喷嘴环设置有用于接纳相应紧固装置的通孔。
已经发现，通过使用螺栓型连接或螺纹连接而安装的常规喷嘴环会引起压力扰动，这可能生成涡轮叶片激励。这种激励可能会生成交替的叶片偏转，从而导致应力和应变水平增加，从而可能导致材料疲劳。
通常，涡轮叶片激励的问题通过以下方式解决。一种选择是提供导致叶片几何形状变化的导引器或引导器夹，并且因此将谐振频率改变到工作范围之外的频率。另一种选择是限制涡轮增压器速度，以避免达到所关注的转子速度。备选地，可以重新设计涡轮级以消除或最小化压力扰动的源或幅度。然而，这些措施相对复杂并且成本较高。
因此，鉴于上述情况，需要能够至少部分克服现有技术的问题、特别地是与涡轮叶片激励相关的问题的喷嘴环，从而可以提供改进的排气涡轮增压器。
发明内容
鉴于上述情况，提供了一种根据独立权利要求的用于径流式涡轮机的喷嘴环。根据从属权利要求、说明书和附图，其他的方面、优点和特征是很清楚的。
根据本公开的一方面，提供了一种用于径流式涡轮机的喷嘴环。喷嘴环包括盘状主体，该盘状主体具有用于使轴从中穿过的中央开口。此外，喷嘴环包括导向叶片，导向叶片被周向设置在主体的第一表面上的径向外部部分中。主体的径向内部部分中设置有两个或更多个孔。另外，主体的第一表面中设置有凹槽。凹槽连接两个或更多个孔中的至少两个孔。
因此，与传统的喷嘴环相比，本公开的喷嘴环得到改进。特别地，当安装喷嘴环时，如本文所述的喷嘴环的实施例有利地提供了涡轮机叶轮附近的压力扰动的减少。此外，利用如本文所述的喷嘴环，涡轮机叶轮的转子叶片激励可以被减少或甚至基本上被避免。更具体地，提供如本文所述的具有凹槽的喷嘴环的效果是：当转子叶片经过相应固定装置时产生的压力脉冲或扰动可以通过凹槽沿着盘状主体散布。因此，在本公开中，喷嘴环的凹槽也可以被称为“稳定凹槽”。
根据本公开的另一方面，提供了一种排气涡轮增压器。排气涡轮增压器包括涡轮机壳体、被安装在轴承座中并且轴上布置有具有转子叶片的涡轮机叶轮的轴。此外，在涡轮机叶轮上游形成在涡轮机壳体中的排气入口通道。此外，排气涡轮增压器设置有根据本文所述的任何实施例的喷嘴环。喷嘴环由延伸穿过两个或更多个孔的紧固装置、特别地是耐热紧固装置而被固定到轴承座。
因此，与传统的排气涡轮增压器相比，本文所述的排气涡轮增压器的实施例得到了改进，特别地是因为涡轮机叶轮附近的压力扰动可以减少，使得转子叶片激励可以被减少或甚至基本上被避免。
附图说明
为了能够详细地理解本公开的上述特征，可以通过参考实施例获取对以上简要概括的本公开的更具体的描述。附图涉及本发明的实施例，并且描述如下：
图1示出了根据本文所述实施例的喷嘴环的第一侧、特别地是涡轮侧的示意性透视图。
图2a至2d示出了沿着图1中指示的线A-A的横截面，用于示出根据本文所述实施例的设置在喷嘴环的主体的第一表面中的凹槽的示例性实施例；
图3a示出了根据本文所述实施例的喷嘴环的示意性等距视图，其中喷嘴环安装到轴承座。
图3b示出了根据本文所述实施例的图3a的示意性等距视图，还包括安装到轴的涡轮机叶轮，轴延伸穿过喷嘴环的中央开口；
图4示出了根据本文所述实施例的喷嘴环的第二侧、特别地是轴承座侧的示意性等距视图。
图5a示出了根据所述实施例的喷嘴环的轴承座侧的示意性等距视图，喷嘴环具有用于在安装喷嘴环时形成充气绝缘空间的凹部。
图5b示出了根据所描述的实施例的喷嘴环的轴承座侧的示意性等距视图，喷嘴环具有由肋部隔开的两个或更多个凹部，凹部被配置用于在安装喷嘴环时形成充气绝缘空间；以及
图6示出了根据本文所述实施例的具有喷嘴环的排气涡轮增压器的一部分的示意性截面图。
具体实施方式
现在将详细参考各种实施例，其一个或多个示例在每个图中示出。每个示例都是通过解释的方式提供的，并不表示限制。例如，作为一个实施例的一部分而示出或描述的特征可以用于任何其他实施例或与任何其他实施例结合使用以产生又一实施例。本公开旨在包括这样的修改和变化。
在以下对附图的描述中，相同的附图标记指代相同或相似的组件。一般地，仅描述相对于各个实施例的差异。除非另有说明，否则对一个实施例中的部分或方面的描述也可以适用于另一实施例中的对应的部分或方面。
示例性地参考图1，描述了根据本公开的用于径流式涡轮涡轮机器的喷嘴环10。根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，喷嘴环包括盘状主体11，该盘状主体11具有用于使轴从中穿过的中央开口12。此外，喷嘴环包括被周向设置在主体11的第一表面11A上的径向外部部分中的导向叶片14。典型地，第一表面11A是主体的涡轮侧。更具体地，通常，导向叶片被布置和配置为将排气引导到涡轮机叶轮的转子叶片上。如图1示例性地所示，通常，导向叶片14从主体的第一表面11A沿轴向方向延伸。此外，在主体11的径向内部部分中设置有两个或更多个孔17。另外，在主体11的第一表面11A中设置有凹槽171。凹槽171连接两个或更多个孔17中的至少两个孔。换言之，通常，凹槽被配置为使得凹槽提供至少从一个孔延伸到另一孔的路径。
因此，当喷嘴环被安装时，喷嘴环的实施例有利地提供了涡轮机叶轮附近的压力扰动的减少。此外，利用如本文所述的喷嘴环，涡轮机叶轮的转子叶片激励可以减少或甚至基本上被避免。更具体地，提供如本文所述的具有凹槽的喷嘴环的效果是：当转子叶片经过相应固定装置时产生的压力脉冲或扰动可以通过凹槽沿着盘状主体散布。
如图3a示例性所示，如本文所述的喷嘴环的主体11可以被配置为在组装时，在轴承座41的轴承空间40与涡轮机空间50之间形成热屏蔽。通常，喷嘴环的主体11从中央开口12径向向外延伸，如图1和3a示例性所示。特别地，喷嘴环的主体被形成为使得(除了孔17之外)在中央开口12和主体的外边缘之间设置有封闭表面。因此，有利地，可以提供具有集成隔热罩的喷嘴环，从而可以减少个体元件的数目以及由此减少所安装的喷嘴环的区域中的接口的数目。
根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，凹槽171至少部分同心地围绕中央开口12延伸，如图1示例性所示。根据一个示例，凹槽171同心地围绕中央开口12布置。
根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，凹槽171是闭环凹槽。特别地，凹槽171可以被配置为连接两个或更多个孔17中的所有孔。图1和3a示出了具有四个孔的示例性实施例，四个孔全部由凹槽连接。然而，应当理解，也可以实现具有两个、三个、五个、六个、七个、八个或更多个孔的其他实施例。此外，应当理解，“凹槽连接两个或更多个孔中的至少两个孔”这一特征可以适用于各种实施例，其中“两个或更多个孔中的至少两个孔”包括两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个或更多个孔。
根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，两个或更多个孔17被布置在围绕中央开口12的、具有第一半径R1的第一虚拟圆线上。此外，导向叶片14可以被布置在围绕中央开口12的、具有第二半径R2的第二虚拟圆线上。通常，第二半径R2满足R2≥1.5×R1。
示例性地参考图2a至2d，根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，凹槽171具有选自由以下各项组成的组的横截面形状：矩形U形、方形U形、圆形U形和锥形形状。凹槽171可以具有一个或多个倒角边缘。
如图2a至2d示例性所示，根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，凹槽171具有宽度W和深度D。例如，宽度可以大于或等于深度，即，W≥D。根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，凹槽171所具有的宽深比W/D为1≤W/D≤5，特别地为1.5≤W/D≤4，更特别地为2≤W/D≤3。
备选地，深度D可以大于或等于宽度，即，D≥W。另外，凹槽171的深宽比D/W可以为1≤D/W≤5，特别地为1.5≤D/W≤4，更特别地为2≤D/W≤3。
根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，凹槽171可具有2mm≤W≤10mm的宽度W和0.4mm≤D≤10mm的深度D。
示例性地参考图5a和5b，根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，喷嘴环10可以包括安装法兰15，该安装法兰15设置在主体11的第二表面11B上的径向内部部分中。通常，两个或更多个孔17延伸穿过安装法兰15。
根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，安装法兰15与主体11一体地形成。此外，导向叶片可以与主体11一体地形成。特别地，喷嘴环可以是一体的单件元件。例如，喷嘴环可以是机加工的、特别地是铣削的单件元件。换言之，完整的喷嘴环可以是单件结构。
根据可以与本文所述的其他实施例组合的实施例，两个或更多个孔17被配置用于接纳一个或多个紧固装置15A，如图3a和6示例性所示。
根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，两个或更多个孔17以规则角间距被布置在中央开口12周围，如图1示例性所示。
根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，主体11的第二表面11B包括一个或多个凹部18，一个或多个凹部18用于在安装喷嘴环10时形成一个或多个充气绝缘空间。此外，可以提供径向延伸的肋部19，如图5b示例性所示。这种肋部可以对喷嘴环的稳定性和热膨胀行为产生有益的影响。
在本公开中，主体的第二表面11B通常是指主体的、面向轴承座的表面。
示例性地参考图6，描述了根据本公开的排气涡轮增压器60。根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，排气涡轮增压器60包括涡轮机壳体51、被安装在轴承座41中并且在轴上布置有具有转子叶片31的涡轮机叶轮30的轴。此外，排气涡轮增压器60包括在涡轮机叶轮30上游形成在涡轮机壳体51中的排气入口通道33。此外，排气涡轮增压器60包括根据本文所述的任何实施例的喷嘴环10。具体地，如图6示例性所示，喷嘴环由延伸穿过两个或更多个孔17的紧固装置15A而被固定到轴承座41。例如，紧固装置15A可以是耐热紧固装置，
因此，鉴于上述情况，应当理解，与现有技术相比，本文所述实施例提供了改进的喷嘴环和改进的排气涡轮增压器。特别地，本公开的实施例具有可以减少或甚至消除涡轮机叶轮的转子叶片激励的优点。
虽然前面针对实施例，但在不脱离基本范围的情况下可以设计其他和另外的实施例，并且该范围由所附权利要求书确定。
附图标记
10：喷嘴环
11：主体
11A：主体的第一表面
11B：主体的第二表面
12：中央开口
14：导向叶片
15：安装法兰
15A：紧固装置
16：接触表面
17：孔
171：凹槽
18：凹部
19：肋部
20：轴
22：中心轴线
30：涡轮机叶轮
31：转子叶片
33：排气入口通道
40：轴承空间
41：轴承座
50：涡轮机空间
51：涡轮机壳体
60：排气涡轮增压器
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