多阶梯内孔涡轮增压器转让专利
申请号 : CN202010186405.4
文献号 : CN111794981B
文献日 : 2021-07-09
发明人 : L·贝金 , 邓定峰 , R·加格
申请人 : 通用汽车环球科技运作有限责任公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种涡轮增压器,包括:
压缩机壳体,限定压缩机腔;
涡轮壳体,限定涡轮腔;
中心壳体,轴向设置在所述压缩机壳体和所述涡轮壳体之间;
涡轮叶轮,设置在所述涡轮腔内;
涡轮轴,连接至所述涡轮叶轮;
压缩机叶轮,设置在所述压缩机腔内并连接至与所述涡轮叶轮相对的涡轮轴,所述压缩机叶轮设有具有圆柱形外径部分和圆柱形缩径部分的柄部,所述圆柱形缩径部分的直径小于所述圆柱形外径部分的直径;以及背板,所述背板为环形背板,所述环形背板安装至所述压缩机壳体,与所述压缩机叶轮相邻,其中所述环形背板限定具有最大直径部分和最小直径部分的阶梯圆柱形内孔,所述最小直径部分从所述最大直径部分径向向内延伸,且其直径小于所述最大直径部分,所述圆柱形外径部分设置在所述最大直径部分内,并且所述圆柱形缩径部分设置在所述最小直径部分内,其中所述压缩机叶轮的圆柱形外径大于或等于所述环形背板的最小直径部分,并且
其中所述阶梯圆柱形内孔和所述柄部限定了具有可变宽度的间隙。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器,其中所述压缩机叶轮的所述圆柱形外径部分和圆柱形缩径部分之间的间隙与所述环形背板的所述最大直径部分和最小直径部分限定了迂回窜气路径。
3.根据权利要求2所述的涡轮增压器,还包括设置在所述环形背板和所述压缩机壳体之间的轴承,所述轴承可旋转地支撑所述涡轮轴,并通过环形垫圈与所述压缩机叶轮分离。
4.根据权利要求3所述的涡轮增压器,还包括:环形活塞密封环,设置在所述阶梯圆柱形内孔的所述最小直径部分内并与之接触,其中所述阶梯圆柱形内孔在所述环形活塞密封环和所述压缩机叶轮的所述圆柱形缩径部分之间形成密封区域。
5.根据权利要求4所述的涡轮增压器,其中所述密封区域限定了所述迂回窜气路径的一部分,所述迂回窜气路径具有预定形状和预定路径长度,所述预定形状和预定路径长度选择成基本上消除从所述压缩机壳体中的高压区通过所述中心壳体到所述涡轮壳体中的低压区的窜气,其中所述高压区的气压比所述低压区的气压高。
6.根据权利要求4所述的涡轮增压器,其中所述压缩机叶轮的所述圆柱形缩径部分具有轴向缩径部分宽度。
7.根据权利要求6所述的涡轮增压器,其中所述环形活塞密封环具有轴向环宽度,所述最小直径部分具有轴向阶梯宽度,其中所述轴向环宽度大于所述轴向阶梯宽度,并且其中所述轴向缩径部分宽度大于所述轴向环宽度。
8.根据权利要求4所述的涡轮增压器,其中所述阶梯圆柱形内孔还包括向外表面,所述向外表面朝向所述涡轮轴从所述阶梯圆柱形内孔的所述最大直径部分径向向内延伸至所述最小直径部分,并且所述最小直径部分朝向所述中心壳体轴向延伸至向内表面,所述向内表面远离所述涡轮轴径向延伸。
9.根据权利要求4所述的涡轮增压器,其中所述环形背板的所述阶梯圆柱形内孔在所述压缩机叶轮的所述圆柱形缩径部分内轴向对齐,并且朝向所述圆柱形缩径部分径向延伸。
10.根据权利要求4所述的涡轮增压器,其中向外表面垂直于所述阶梯圆柱形内孔延伸,所述最小直径部分垂直于所述向外表面和所述向内表面延伸,其中所述向外表面和所述阶梯圆柱形内孔在圆角部分处结合连接,其中所述圆角部分具有防止所述压缩机叶轮束缚在所述环形背板上的预定半径。
说明书 :
多阶梯内孔涡轮增压器
技术领域
背景技术
轮联接至涡轮增压器的涡轮壳体中的排气涡轮并由排气涡轮驱动。压缩机壳体和涡轮增压
器的中心壳体之间存在压差,该压差会导致空气和/或润滑剂在高压差下从压缩机壳体和
中心壳体之间通过。
气流路径。然而,为了显著减少窜气并达到特定应用的排放、燃油经济性和容积效率目标,
可能需要增加活塞密封环的使用数量。使用更多数量的活塞密封环会增加涡轮增压器的成
本、物理和组装复杂性。
并降低了制造和组装涡轮增压器的成本和复杂性。
发明内容
心壳体。涡轮叶轮设置在涡轮腔中,并且涡轮轴连接至涡轮叶轮。压缩机叶轮设置在压缩机
腔内,并连接至与涡轮叶轮相对的涡轮轴上。压缩机叶轮具有柄部,该柄部具有圆柱形外径
部分和圆柱形缩径部分。圆柱形缩径部分的直径小于圆柱形外径部分的直径。背板安装至
压缩机壳体,与压缩机叶轮相邻。环形背板限定了具有最大直径部分和最小直径部分的阶
梯圆柱形内孔。最小直径部分从最大直径部分径向向内延伸,并且直径小于最大直径部分
的直径。圆柱形外径部分设置在最大直径部分内,并且圆柱形缩径部分设置在最小直径部
分内。压缩机叶轮的圆柱形外径大于或等于环形背板的最小直径部分。阶梯圆柱形内孔和
柄部限定了具有可变宽度的间隙。
密封区域(sealing land)。
高压区通过中心壳体到涡轮壳体中的低压区的窜气。高压区的气压高于低压区的气压。
伸至向内表面,该向内表面远离涡轮轴径向延伸。
定半径,该半径防止压缩机叶轮束缚在环形背板上。
压缩机壳体和涡轮壳体的相对端。面向压缩机壳体的一端是开口端。轴承设置在腔内,并由
周向延伸壁支撑。轴从靠近压缩机壳体的压缩机端延伸到靠近涡轮壳体的涡轮端。涡轮轴
由轴承可旋转地支撑。环形背板与压缩机壳体、涡轮壳体和中心壳体中的每一个分离。环形
背板设置在开口端中,并通过紧固件夹持在压缩机壳体上。压缩机叶轮安装在涡轮轴的压
缩机端。压缩机叶轮具有圆柱形外径部分和缩径部分。圆柱形缩径部分的直径小于圆柱形
外径。涡轮叶轮安装在涡轮轴的涡轮端。环形背板限定阶梯圆柱形内孔,该阶梯圆柱形内孔
包括一个或多个最小直径部分,该一个或多个最小直径部分从一个或多个最大直径部分朝
向压缩机叶轮和涡轮轴径向向内延伸。压缩机叶轮包括具有一个或多个圆柱形外径部分和
一个或多个缩径部分的柄部。压缩机叶轮的圆柱形外径大于或等于环形背板的一个或多个
最小直径部分。阶梯圆柱形内孔和该一个或多个缩径部分限定了迂回窜气路径。
合。该一个或多个缩径部分在环形活塞密封环和阶梯圆柱形内孔之间形成密封区域。
轴向环宽度。
个最小直径部分朝向中心壳体轴向延伸至向内表面,该向内表面径向向外并远离涡轮轴延
伸。
分由环形活塞密封环和阶梯圆柱形内孔之间的密封区域限定。
压缩机壳体和涡轮壳体的相对端。面向压缩机壳体的一端是开口端。轴承设置在腔内,并由
周向延伸壁支撑。轴从靠近压缩机壳体的压缩机端延伸到靠近涡轮壳体的涡轮端。涡轮轴
由轴承可旋转地支撑。压缩机叶轮安装在涡轮轴的压缩机端。压缩机叶轮具有圆柱形外径
部分和缩径部分。圆柱形缩径部分的直径小于圆柱形外径。涡轮叶轮安装在涡轮轴的涡轮
端。环形背板与压缩机壳体、涡轮壳体和中心壳体中的每一个分离。环形背板设置在开口端
内并夹持在压缩机壳体上。环形背板限定阶梯圆柱形内孔,该阶梯圆柱形内孔具有从阶梯
圆柱形内孔的一个或多个最大直径部分径向向内延伸的一个或多个最小直径部分。一个或
多个环形活塞密封环设置在一个或多个最小直径部分内并与之接触。该一个或多个最小直
径部分的直径等于或小于压缩机叶轮的圆柱形外径部分。该一个或多个最小直径部分和该
一个或多个环形活塞密封环与压缩机叶轮形成一个或多个密封区域。阶梯圆柱形内孔和该
一个或多个缩径部分限定了具有预定形状和预定路径长度的迂回窜气路径。该预定形状和
预定路径长度基本上消除了从压缩机壳体中的高压区通过中心壳体到涡轮壳体中的低压
区的窜气,其中高压区的气压比低压区的气压高。迂回窜气路径的一部分由环形活塞密封
环和阶梯圆柱形内孔之间的密封区域限定。
附图说明
具体实施方式
的任何一种。例如,涡轮增压器10可以是单涡旋涡轮增压器、双涡旋涡轮增压器、可变几何
涡轮增压器、电动涡轮增压器等。在一个方面,涡轮增压器10包括带有背板14的压缩机壳体
12。涡轮增压器10还包括中心壳体16。在一些实例中,中心壳体16具有大致为圆柱形的形
状,并限定了腔15。腔15具有分别面向压缩机壳体12和涡轮壳体18的相对端17、19。相对端
17、19中的一端是开口端19。开口端19面向压缩机壳体12,并适于容纳环形背板14。在进一
步的实例中,中心壳体16的包括开口端19的部分可以与压缩机壳体12一体形成。
在一些实例中,环形背板14直接连接至压缩机壳体12。更具体地,环形背板14通过一个或多
个紧固件21连接至压缩机壳体12。在不脱离本公开的范围或意图的情况下,紧固件21可以
采取多种不同形式中的任何一种。即,紧固件21可以是弹性挡圈、e形夹、卡环或其他类似的
紧固件21。在一个可选实施例中,一些实例中的环形背板14插入中心壳体16的开口端19中,
并由一个或多个紧固件21保持或夹持在其中。
承30中并由其支撑。一个或多个环形垫圈34夹在轴承30和环形背板14之间。一个或多个环
形垫圈34也夹在轴承30和压缩机叶轮22之间。涡轮轴32可绕轴线A旋转。环形垫圈34由提供
所需表面摩擦和压缩特性的金属材料形成。在一些实例中,环形垫圈34由钢、黄铜等制成。
环形垫圈34是基本平坦的圆片,其具有孔口(未具体示出),涡轮轴32延伸穿过该孔口。在不
脱离本公开的范围或意图的前提下,轴承30可以是多种类型中的任何一种,包括但不限于
止推轴承、滚珠轴承、滚针轴承、套筒轴承等。轴承30由轴环35围绕涡轮轴32分开或支撑。轴
环35是围绕涡轮轴32安装在轴承30内的圆柱形套筒。在若干方面,轴环35有助于在轴向和
径向方向上将轴承30定位在涡轮轴32上。轴环35可以由多种材料中的任何一种形成,例如
陶瓷、复合材料、金属、金属合金等。
A定向。最大直径部分38的直径大于最小直径部分40的直径。在若干方面,最小直径部分40
从最大直径部分38径向向内延伸。最大直径部分38从压缩机腔20向中心壳体16轴向延伸。
向外表面42将最大直径部分38连接至最小直径部分40。更具体地,向外表面42从最大直径
部分38径向向内延伸,并终止于最小直径部分40,从而形成环形阶梯或凸缘。
化。在若干方面,角度α’和β’选择成减小或基本上消除压缩机叶轮22束缚(binding)或以其
他方式物理干扰环形背板14的可能性。此外,特别参照角度α’,向外表面42和最大直径部分
38在圆角部分44A处结合。圆角部分44A具有选择成防止压缩机叶轮22束缚在环形背板14上
的预定半径。圆角部分44A的精确尺寸可以根据涡轮增压器10的总体尺寸以及涡轮增压器
10的用途而实质性地变化。例如,在用于大型卡车、半挂车等中的相对较大的涡轮增压器10
中,圆角部分44A的半径相应地可以比用于摩托车、小型汽车等的小型涡轮增压器10的圆角
部分44A的半径更大。
行或基本上彼此同心同轴。最大直径部分38具有始终一致的直径,并限定了环形背板14的
圆柱形区域。最小直径部分40也限定了环形背板14的圆柱形区域,该圆柱形区域具有始终
一致的直径。
向内表面45和向外表面42基本上彼此平行。最小直径部分40具有轴向阶梯宽度46。轴向阶
梯宽度46小于最大直径部分38延伸的轴向距离。
的任何一种。例如,压缩机叶片52可以是分开的叶片,使得交替的压缩机叶片52延伸的轴向
和/或径向距离不同于相邻的压缩机叶片52。在另一个实例中,压缩机叶片52可以是向前或
向后弯曲的。在另一实例中,压缩机叶片52可具有笔直的径向结构,使得每个压缩机叶片52
在垂直于涡轮轴32的轴线A的直线上延伸或发散。压缩机叶片52也可以是倒锥形,或者其径
向范围从鼻部48朝向柄部50增大。圆柱形孔54穿过压缩机叶轮22的至少一部分形成。在若
干方面,压缩机叶轮22包括大致为圆盘形的后板56。柄部50基本垂直于圆盘形后板56并朝
向涡轮增压器10的中心壳体16延伸。柄部50面向涡轮增压器10的中心壳体16,而鼻部48沿
着轴线A远离中心壳体16延伸。
22的柄部50的外径部分58设置在环形背板14的最大直径部分38内并同心地装配在其中。同
样地,圆柱形缩径部分60容纳在环形背板14的最小直径部分40内并同心地装配在其中。径
向表面62以角度β”连接至外径部分58。径向表面62还以角度α”连接至圆柱形缩径部分60。
如同角度α’和β’一样,应该理解的是,在不脱离本公开的范围或意图的前提下,角度α”和β”
可以变化。在若干方面,角度α”和β”选择成减少或基本上消除压缩机叶轮22束缚或以其他
方式物理干扰环形背板14的可能性。此外,特别参照角度α”,径向表面62和外径部分58在圆
角部分44B处结合。圆角部分44B具有预定半径,该预定半径选择成防止压缩机叶轮22束缚
在环形活塞密封环64上。压缩机叶轮22的圆角部分44B的精确尺寸可以根据涡轮增压器10
的总体尺寸以及涡轮增压器10的用途而实质性地变化。
阶梯宽度46。轴向缩径部分宽度63大于轴向阶梯宽度46,以便允许涡轮轴32和压缩机叶轮
22在压缩机壳体12和环形背板14内进行预定量的轴向运动,而不与压缩机壳体12或背板14
物理接触。此外,压缩机叶轮22的圆柱形外径部分58大于或等于最小直径部分40。
到圆柱形缩径部分60测量的。在若干方面,间隙D具有针对特定涡轮增压器10应用选择的预
定宽度或尺寸。例如,与设计用于小容量发动机的小型涡轮增压器中的较小间隙相比,用于
大容量发动机的大型涡轮增压器中的间隙D相对较大。同样地,涡轮增压器的数量、发动机
类型(汽油发动机、柴油发动机等)等可以作为特定涡轮增压器10应用的预定间隙D的因素。
间隙D也可以沿着柄部50和环形背板14的轴向范围变化。在若干方面,间隙D选择成将柄部
50和环形背板14分开,并降低柄部50和环形背板14之间的物理接触的可能性。
的最小直径部分40的直径小于柄部50的圆柱形外径部分58的直径,所以环形活塞密封环64
设置在柄部50内并与柄部50旋转密封接合。环形活塞密封环64还具有轴向环宽度66。轴向
环宽度66是环形活塞密封环64延伸的轴向距离。在若干方面,轴向环宽度66大于轴向阶梯
宽度46,而轴向缩径部分宽度63大于轴向环宽度66。因为轴向缩径部分宽度63大于轴向环
宽度66,所以环形活塞密封环64装配在轴向缩径部分宽度63内,而不会干扰柄部50在环形
背板14内的旋转运动。同样地,因为柄部50在某些运行条件下可能发生轴向位移,所以通过
提供大于轴向阶梯宽度46的轴向环宽度66,环形活塞密封环64降低了环形背板的最小直径
部分40物理接触柄部50的可能性。
路径长度,该预定形状和预定路径长度选择成基本上消除从压缩机壳体12中的高压区通过
中心壳体16到涡轮壳体18中的低压区的窜气。密封区域68限定了迂回窜气路径70的一部
分,在涡轮增压器10的某些运行条件下,加压空气或其他气体可以通过迂回窜气路径70。
趋向于与低压平衡,因此涡轮增压器10上的压差导致压缩机壳体12中的高压空气试图向涡
轮壳体18中的低压排气移动。
的高压空气会流失到排气或通风中,所以涡轮增压器10可能无法发挥其潜力。在第二个实
例中,涡轮增压器10的适当润滑可能由于空气被引入涡轮增压器10的中心壳体16、轴承30、
轴32等而受到损害。即,高压空气可能取代原本会润滑轴承30、轴32等并降低轴承30、轴32
等上的摩擦应力的油或其他润滑剂。在第三个实例中,与第二个实例有所关联,进入中心壳
体16的空气也可以迫使润滑剂离开原本基本上封闭的系统并进入发动机的进气口或排气
口。因此,如果涡轮增压器10不包括足够的密封区域68来克服这些问题,则润滑剂(例如,
油)可能直接或通过在发动机中的燃烧流失到排气中。
限定。即,在某些情况下,来自压缩机壳体12的高压空气可以移动到压缩机叶轮22的圆盘形
后板56的后面,并进入柄部50和环形背板14之间的间隙D。当该高压空气沿着最大直径部分
38和圆柱形外径部分58之间的间隙D朝着中心壳体16继续前进时,由于柄部50的圆柱形缩
径部分60以及最小直径部分40的存在,空气的运动会受到阻碍。此外,因为环形活塞密封环
64设置在环形背板14的最小直径部分40上以及在柄部50的圆柱形缩径部分60内,所以空气
从压缩机壳体12朝向涡轮壳体18的流动被进一步阻碍。具体地,因为压缩机叶轮22的柄部
50的圆柱形外径部分58大于或等于最小直径部分40,所以环形活塞密封环64设置在柄部50
内并与柄部50可旋转地密封接合。因此,密封区域68由环形活塞密封环64的径向和轴向尺
寸限定,其中环形活塞密封环64设置在柄部50内并与柄部50可旋转地密封接合。
尽管在前面的描述中,环形背板14的阶梯圆柱形内孔36和压缩机叶轮22的柄部50已经被描
述为各自仅具有限定两个直径的单个阶梯,但是在不脱离本公开的范围或意图的情况下,
阶梯圆柱形内孔36和柄部50可以各具有两个以上的限定两个或更多个直径的台阶。例如,
柄部50可以具有多个外径部分58和缩径部分60,并且阶梯圆柱形内孔36可以具有多个最大
直径部分38和最小直径部分40。在柄部50具有多个缩径部分60并且阶梯圆柱形内孔36具有
多个最小直径部分40的实例中,阶梯圆柱形内孔36还配备有多个环形活塞密封环64。每个
环形活塞密封环64安装到最小直径部分40中的一个上,并与柄部50的同心定位且轴向对齐
的圆柱形缩径部分60形成密封区域68。