專利名稱：一種可變幾何截面的渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
—種可變幾何截面的渦輪機(jī)
1.技術(shù)領(lǐng)域:本實(shí)用新型涉及一種渦輪機(jī)，具體說是一種可變幾何截面的渦輪機(jī)，屬內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域。
2.背景技術(shù):渦輪機(jī)的功能是將流體的壓力勢(shì)能、動(dòng)能轉(zhuǎn)化成力矩和轉(zhuǎn)速，以驅(qū)動(dòng)其它機(jī)構(gòu)，其最廣泛的用途是與離心式壓氣機(jī)組合，構(gòu)成汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣渦輪增壓器。對(duì)于渦輪增壓器，我們希望通過控制進(jìn)入渦輪的廢氣流動(dòng)，以改善增壓器的效率和與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配范圍。隨著柴油機(jī)、汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)的不斷提高，只有可變幾何截面的渦輪增壓器才能滿足這些要求，而此增壓器的心臟就是可變幾何截面的渦輪機(jī)。流體沖擊渦輪葉片的速率及角度是決定渦輪機(jī)效率的二個(gè)重要參數(shù)。效率越高，渦輪遲滯現(xiàn)象越不明顯?，F(xiàn)有的可變幾何截面渦輪機(jī)，最杰出的要數(shù)保時(shí)捷的可變幾何截面渦輪增壓器中的可變噴嘴環(huán)式渦輪機(jī)。如
圖1所示，多個(gè)噴嘴葉片I轉(zhuǎn)動(dòng)連接在噴嘴環(huán)支撐盤2上，支撐盤2固接在渦輪殼中。執(zhí)行器通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同步控制這些分布在渦輪殼進(jìn)氣通道中的可擺動(dòng)的噴嘴葉片1，通過調(diào)整葉片I的角度，改變?nèi)~片間流道3的喉口面積，從而達(dá)到控制進(jìn)入渦輪4的廢氣能量的目的。
圖1中，二相鄰葉片的喉口面積SI最大，噴嘴葉片尾緣5距離渦輪葉片進(jìn)口 6最近，噴嘴7長(zhǎng)度最小，適用于大流量工況，其優(yōu)點(diǎn)是流體穿過噴嘴7時(shí)的動(dòng)能損失?。黄淙秉c(diǎn)是進(jìn)入噴嘴7的流體的流動(dòng)方向與渦輪葉片所構(gòu)成的沖擊角度Θ最小，降低了驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)量的有效值，從而使渦輪機(jī)的效率降低。圖2中，二相鄰葉片的喉口面積S2最小，噴嘴葉片尾緣5距離渦輪葉片進(jìn)口 6最遠(yuǎn)，噴嘴7長(zhǎng)度最大，適用于小流量工況，其優(yōu)點(diǎn)是流體流入喉口時(shí)的流速劇增；其缺點(diǎn)是流體穿過喉口后，因噴嘴7呈喇叭狀，流速劇減，流動(dòng)方向擴(kuò)散，使得驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)量有效值大減，從而極大地降低了渦輪機(jī)的效率。為解決上述缺點(diǎn)，中國(guó)專利“一種可變截面渦輪增壓器的復(fù)合噴嘴”(申請(qǐng)?zhí)?00720025887.5)，在保時(shí)捷的基礎(chǔ)上，提出了由動(dòng)、靜二半葉片構(gòu)成的復(fù)合葉片結(jié)構(gòu)。在圖3中，動(dòng)葉片8縮入靜葉片9中，二相鄰復(fù)合葉片之間的空間構(gòu)成流道10，且噴嘴喉口面積S3最大,復(fù)合葉片尾緣11距離渦輪葉片進(jìn)口 12最近,噴嘴13長(zhǎng)度最小,適用于大流量工況，該專利自認(rèn)此時(shí)其優(yōu)、缺點(diǎn)完全同保時(shí)捷之。在圖4中，動(dòng)葉片8從靜葉片9中旋出的角度最大，使得動(dòng)葉片8與相鄰靜葉片14構(gòu)成的噴嘴喉口面積S4最小，動(dòng)葉片尾緣15距離渦輪葉片進(jìn)口 12最遠(yuǎn)，而相鄰靜葉片尾緣16距離渦輪葉片進(jìn)口 12固定不變，噴嘴17長(zhǎng)度最大，適用于小流量工況，其優(yōu)點(diǎn)有二:一是流體流入喉口時(shí)的流速劇增，二是流體穿過喉口后，因慣性仍繼續(xù)沿著相鄰靜葉片14沖向渦輪，流速減小幅度降低，擴(kuò)散程度減小，使得驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)量有效值的減小幅度降低，提高了小流量工況時(shí)的渦輪機(jī)效率；其缺點(diǎn)是因噴嘴17仍呈喇叭狀，液體穿過喉口后的流動(dòng)方向仍會(huì)有所擴(kuò)散，流速仍會(huì)有所減小，驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)量有效值仍會(huì)有所降低，從而使得渦輪機(jī)效率仍會(huì)有所減小。為此，該專利又采用了固定葉柵18，如圖5所示，以消除小流量工況時(shí)的擴(kuò)散現(xiàn)象，但同時(shí)，也帶來了如下二缺陷一是當(dāng)動(dòng)葉片8靠攏其靜葉片9時(shí)，葉柵18成了流道中的障礙物，使流體產(chǎn)生紊流，消耗了部分流體的能量，二是當(dāng)動(dòng)葉片8縮入其靜葉片9時(shí)，動(dòng)葉片8與葉柵18構(gòu)成的噴嘴喉口面積S5遠(yuǎn)大于葉柵18與相鄰靜葉片14構(gòu)成的噴嘴喉口面積S6，從而大部分流體擇從S5中流過，不僅使S6和葉柵18成了流體的障礙物，而且也改變了流體的流向，使流體與葉面的沖擊角度進(jìn)一步減小，極大地降低了渦輪機(jī)效率。3.本實(shí)用新型目的本實(shí)用新型的主要目的就是要提供一種可變幾何截面的渦輪機(jī)，既能按照需要調(diào)節(jié)噴嘴喉口尺寸，又能在各種喉口尺寸時(shí)，流體流經(jīng)噴嘴的動(dòng)能損失極小，并且流體流動(dòng)方向與葉面所構(gòu)成的沖擊角度始終最大，從而保證在各工況下渦輪機(jī)的效率始終最高。本實(shí)用新型的另一目的是提供該噴嘴環(huán)的全自動(dòng)或電控或二者兼有的控制機(jī)構(gòu)，使控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、加速和隨動(dòng)性能好。4.技術(shù)方案為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種可變幾何截面的渦輪機(jī)，包括渦輪殼、以軸承連接在渦輪殼中心的渦輪轉(zhuǎn)軸、固接在該轉(zhuǎn)軸一端的渦輪、雙環(huán)式可變幾何截面的噴嘴環(huán)機(jī)構(gòu)和噴嘴環(huán)的控制機(jī)構(gòu)，其特征是所述的噴嘴環(huán)機(jī)構(gòu)由一內(nèi)環(huán)、一外環(huán)和數(shù)個(gè)導(dǎo)向葉片構(gòu)成；外環(huán)動(dòng)配合在內(nèi)環(huán)圓周面上，并可繞渦輪軸心轉(zhuǎn)動(dòng)；內(nèi)環(huán)與渦輪殼的內(nèi)殼體固接，其外端面上均布著數(shù)個(gè)軸向的進(jìn)氣凹槽；這些凹槽被位于其外側(cè)的渦輪殼外端蓋軸向密封；外環(huán)圓周面上均布著數(shù)個(gè)進(jìn)氣通孔；每個(gè)通孔的后端固接著一導(dǎo)向葉片；每個(gè)導(dǎo)向葉片安放在內(nèi)環(huán)的一個(gè)凹槽中；每個(gè)導(dǎo)向葉片的前面與相應(yīng)的內(nèi)環(huán)凹槽的前面所構(gòu)成的流道的中心面，在二前面最接近位置時(shí)，與渦輪葉面垂直，以獲得最大的動(dòng)量有效值；外環(huán)通孔在固接導(dǎo)向葉片后的流道最小面積不小于內(nèi)環(huán)凹槽減去導(dǎo)向葉片后的流道最大面積；渦輪殼由內(nèi)殼體、外端蓋以螺釘鎖合而成；外環(huán)被軸向定位在內(nèi)殼體與外端蓋所形成的圓周凹槽中；渦輪動(dòng)配合在內(nèi)環(huán)中央；控制機(jī)構(gòu)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行器構(gòu)成，執(zhí)行器安裝在渦輪殼上，其輸出的運(yùn)動(dòng)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，再驅(qū)動(dòng)外環(huán)繞內(nèi)環(huán)在一定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變流道的尺寸，也同時(shí)改變噴嘴喉口的尺寸；所述的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括一外齒輪段、一扇齒輪和一扇齒輪轉(zhuǎn)軸；外齒輪段固接在外環(huán)的外圓周面上；扇齒輪置于渦輪殼進(jìn)氣通道內(nèi)，固接在其轉(zhuǎn)軸一端，并與外齒輪段嚙合；扇齒輪轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接在內(nèi)殼體的一軸向小孔中，其外露端與執(zhí)行器連接；所述的外環(huán)還可由垂直其軸心線所剖分成的二半以螺釘、銷鎖合而成，以便加工。所述的外環(huán)還可由不連續(xù)的數(shù)段構(gòu)成，以免受熱膨脹后，內(nèi)、外環(huán)抱死。所述的執(zhí)行器包括一長(zhǎng)舌片、一舌片轉(zhuǎn)軸、一主動(dòng)齒輪、一從動(dòng)齒輪、一舌片復(fù)位扭簧和一支承座；長(zhǎng)舌片安放在渦輪殼進(jìn)氣通道中，并與其轉(zhuǎn)軸固接；舌片轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接在外端蓋和內(nèi)殼體的另一軸向小孔中，其外露端穿出內(nèi)殼體與主動(dòng)齒輪固接；主、從動(dòng)齒輪嚙合傳動(dòng)；從動(dòng)齒輪固接在扇齒輪轉(zhuǎn)軸的外露端上；舌片轉(zhuǎn)軸的外露端轉(zhuǎn)動(dòng)連接在其支承座的一軸向小孔中；支承座固接在遠(yuǎn)離渦輪的渦輪殼體上；扭簧的二端分別固定在舌片轉(zhuǎn)軸和此支承座上；當(dāng)流體以一定的流速?zèng)_擊長(zhǎng)舌片時(shí)，長(zhǎng)舌片順轉(zhuǎn)一定角度，并通過主、從動(dòng)齒輪和扇齒輪，帶動(dòng)外環(huán)順轉(zhuǎn)一定角度，從而達(dá)到改變可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道尺寸的目的。上述所述的執(zhí)行器還可以是這樣的:舌片轉(zhuǎn)軸、扇齒輪轉(zhuǎn)軸之一的外露端上還可固接一曲柄，曲柄的另端與一開關(guān)控制型電磁閥的鐵芯的外露端鉸接；電磁閥體連接在渦輪殼上；在渦輪機(jī)與壓氣機(jī)組合成增壓器的場(chǎng)合，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)的油量增大率大于某一設(shè)定值時(shí)，內(nèi)燃機(jī)ECU發(fā)出指令，電磁閥通電，鐵芯軸向移動(dòng)，使可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道調(diào)至最小，從而在極短時(shí)間內(nèi)使渦輪機(jī)加速，壓氣機(jī)迅速加大壓氣量，以滿足加速時(shí)的大氣量要求，改善加速性能；電磁閥通電時(shí)長(zhǎng)由ECU控制。所述的執(zhí)行器還可以是這樣的:包括一擺動(dòng)氣缸；該氣缸內(nèi)有數(shù)個(gè)葉片和定子塊；氣缸上裝有葉片復(fù)位彈簧；氣缸的輸出轉(zhuǎn)軸與扇齒輪轉(zhuǎn)軸的外露端連接，且二者同步轉(zhuǎn)動(dòng)；氣缸的數(shù)個(gè)進(jìn)氣孔與壓氣機(jī)的排氣端相貫通；當(dāng)該排氣端壓力增大時(shí)，葉片旋轉(zhuǎn)一定角度，并通過扇齒輪，使外環(huán)轉(zhuǎn)角增大到一定值，來達(dá)到加大可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道尺寸的目的。所述的執(zhí)行器還可以是這樣的:包括一比例控制型旋轉(zhuǎn)電磁閥、一輸入到電磁閥線圈的可調(diào)脈沖信號(hào)占空比的電路；電磁閥體固接在渦輪殼上，其內(nèi)含一復(fù)位彈簧，其轉(zhuǎn)軸的輸出端與扇齒輪轉(zhuǎn)軸的外露端連接，且二者同步轉(zhuǎn)動(dòng)；ECU通過控制輸入電磁閥線圈的脈沖信號(hào)的占空比來控制磁場(chǎng)強(qiáng)度，以改變轉(zhuǎn)軸在電磁閥中的轉(zhuǎn)角位置，并通過扇齒輪，來達(dá)到改變可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道尺寸的目的；執(zhí)行器上還可裝有一位置傳感器，以檢測(cè)外環(huán)的轉(zhuǎn)角位置，即可變幾何截面機(jī)構(gòu)流道的尺寸。所述的執(zhí)行器還可以是這樣的:包括一步進(jìn)電機(jī)、一蝸輪、一蝸桿；蝸輪固接在扇齒輪轉(zhuǎn)軸的外露端上；蝸桿固接在步進(jìn)電機(jī)的輸出軸端止，并與蝸輪嚙合傳動(dòng)；電機(jī)固接在渦輪殼上；ECU通過對(duì)電機(jī)定子線圈通電順序和輸入脈沖數(shù)量的控制，以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)量，并通過蝸輪、蝸桿、扇齒輪，來達(dá)到改變可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道尺寸的目的J^ECU進(jìn)行這樣的技術(shù)設(shè)計(jì):ECU中設(shè)有專用的步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)脈沖數(shù)總和寄存器，以隨時(shí)計(jì)算電機(jī)的最終轉(zhuǎn)動(dòng)量，從而可計(jì)算出當(dāng)時(shí)外環(huán)的轉(zhuǎn)角位置和流道的尺寸，每次內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火開關(guān)關(guān)閉后，蓄電池繼續(xù)給ECU和電機(jī)供電，ECU控制電機(jī)回到初始位置，寄存器置零,此時(shí)可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道尺寸最小。所述的執(zhí)行器還可以是這樣的:包括一曲柄和一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；曲柄的一端與扇齒輪轉(zhuǎn)軸的外露端固接，其另一端與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的滑桿外露端鉸接；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與渦輪殼連接，該連接方式為固接、鉸接二者之一 ；ECU控制滑桿的軸向移動(dòng)量，并通過曲柄、扇齒輪，改變外環(huán)的轉(zhuǎn)角位置，從而達(dá)到改變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道尺寸的目的。所述的執(zhí)行器還可以是這樣的:包括一齒條、一小齒輪和一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；齒條固接在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的滑桿外露端上，并與小齒輪嚙合傳動(dòng)；小齒輪固接在扇齒輪轉(zhuǎn)軸的外露端上；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)固接在渦輪殼上；ECU控制滑桿的軸向移動(dòng)量，并通過齒條、小齒輪和扇齒輪，改變外環(huán)的轉(zhuǎn)角位置，從而達(dá)到改變可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道尺寸的目的。上述所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以是這樣的:包括一單桿活塞氣缸；活塞缸由缸筒、活塞、活塞桿和一復(fù)位彈簧構(gòu)成；活塞桿即為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的滑桿；活塞缸的進(jìn)氣孔與壓氣機(jī)的排氣端相貫通；當(dāng)該排氣端壓力增大時(shí)，活塞壓迫彈簧，并移動(dòng)一定路程；活塞移動(dòng)路程越大，則外環(huán)的轉(zhuǎn)角越大， 即可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道尺寸越大。上述所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還可以是這樣的:包括一內(nèi)含鐵芯的比例控制型平動(dòng)電磁閥、一鐵芯復(fù)位彈簧、一輸入到電磁閥線圈的可調(diào)脈沖信號(hào)占空比的電路；鐵芯即為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的滑桿；電磁閥體連接在渦輪殼上；ECU通過控制輸入電磁閥線圈的脈沖信號(hào)占空比來控制磁場(chǎng)強(qiáng)度，以改變鐵芯在電磁閥中的軸向位置；執(zhí)行器上還可裝有一位置傳感器，以檢測(cè)外環(huán)的轉(zhuǎn)角位置，即可變幾何截面機(jī)構(gòu)流道的尺寸。上述所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還可以是這樣的:包括一步進(jìn)電機(jī)和一絲杠機(jī)構(gòu)；絲杠機(jī)構(gòu)置于電機(jī)中，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻z杠的軸向平動(dòng)；絲杠即為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的滑桿；電機(jī)連接在渦輪殼上；ECU通過對(duì)電機(jī)定子線圈通電順序和輸入脈沖數(shù)量的控制，以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)量J^ECU進(jìn)行這樣的技術(shù)設(shè)計(jì):ECU中設(shè)有專用的電機(jī)正反轉(zhuǎn)脈沖數(shù)總和寄存器，以隨時(shí)計(jì)算電機(jī)的最終轉(zhuǎn)動(dòng)量，從而可計(jì)算出當(dāng)時(shí)外環(huán)的轉(zhuǎn)角位置和流道的尺寸，每次內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火開關(guān)關(guān)閉后，蓄電池繼續(xù)給ECU和電機(jī)供電，ECU控制電機(jī)回到初始位置，寄存器置零，此時(shí)可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道尺寸最小。5.本實(shí)用新型具有的有益效果:(I)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件少，加工成本低，耐磨，壽命長(zhǎng)；(2)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)比現(xiàn)有技術(shù)簡(jiǎn)潔，且更方便與執(zhí)行器連接；(3)在各調(diào)節(jié)位置，流道的中心面與渦輪葉面的沖擊角度基本不變，且為最大值，從而保證了在各調(diào)節(jié)位置時(shí)，流體動(dòng)量利用率最高；(4)在各調(diào)節(jié)位置時(shí)，喉口距離渦輪進(jìn)口均相同，即噴嘴長(zhǎng)度相同，且為最小設(shè)計(jì)值，從而保證了流體穿過喉口后，在噴嘴中的擴(kuò)散最小，即動(dòng)能損失最小，使渦輪機(jī)在各調(diào)節(jié)位置時(shí)利用流體動(dòng)能的效率均最高；(5)由于渦輪機(jī)效率得到提高，尤其在最小流道位置時(shí)，流體沖擊渦輪的力矩增大，從而可在更小流體排量時(shí)啟動(dòng)渦輪機(jī)，降低了渦輪遲滯現(xiàn)象；(6)根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣量要求，執(zhí)行器控制外環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，使渦輪機(jī)能始終工作在最佳工作狀態(tài)。6.結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明:附
圖1、2分別是背景技術(shù)中保時(shí)捷的可變噴嘴環(huán)在大、小流量工況時(shí)的狀態(tài)圖。
附圖3、4分別是中國(guó)專利的復(fù)合噴嘴環(huán)在大、小流量工況時(shí)的狀態(tài)圖。附圖5是中國(guó)專利采用葉柵時(shí)的復(fù)合噴嘴環(huán)在大流量工況時(shí)的狀態(tài)圖。附圖6是本實(shí)用新型專利的局部結(jié)構(gòu)剖視圖。附圖7是本實(shí)用新型專利的雙環(huán)式噴嘴環(huán)機(jī)構(gòu)在大流量工況時(shí)的狀態(tài)圖。如6、圖7所示，一種可變幾何截面的渦輪機(jī)，包括渦輪殼、以軸承連接在渦輪殼中心的渦輪轉(zhuǎn)軸19、固接在該轉(zhuǎn)軸一端的渦輪20、雙環(huán)式可變幾何截面的噴嘴環(huán)機(jī)構(gòu)和噴嘴環(huán)的控制機(jī)構(gòu)；噴嘴環(huán)機(jī)構(gòu)由內(nèi)環(huán)21、外環(huán)22和5個(gè)導(dǎo)向葉片23構(gòu)成；外環(huán)22動(dòng)配合在內(nèi)環(huán)圓周面上，并可繞渦輪軸心轉(zhuǎn)動(dòng)；內(nèi)環(huán)21與渦輪殼的內(nèi)殼體24固接，其外端面上均布著5個(gè)軸向的進(jìn)氣凹槽25 ;這些凹槽被位于其外側(cè)的潤(rùn)輪殼外端蓋30軸向密封；外環(huán)圓周面上均布著5個(gè)進(jìn)氣通孔26 ;每個(gè)通孔的后端固接著一導(dǎo)向葉片23 ;每個(gè)導(dǎo)向葉片23安放在內(nèi)環(huán)的一個(gè)凹槽25中；每個(gè)導(dǎo)向葉片的前面與相應(yīng)的內(nèi)環(huán)凹槽的前面所構(gòu)成的流道27的中心面28，在二前面最接近狀態(tài)時(shí)，與渦輪葉面29垂直，以獲得最大的動(dòng)量有效值；夕卜環(huán)通孔26在固接導(dǎo)向葉片23后的流道最小面積等于內(nèi)環(huán)凹槽25減去導(dǎo)向葉片23后的流道最大面積；潤(rùn)輪殼由內(nèi)殼體24、外端蓋30以螺釘鎖合而成；外環(huán)22被軸向定位在內(nèi)殼體24與外端蓋30所形成的圓周凹槽31中；渦輪20動(dòng)配合在內(nèi)環(huán)21中央；控制機(jī)構(gòu)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行器構(gòu)成，執(zhí)行器安裝在蝸輪殼上，其輸出的運(yùn)動(dòng)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，再驅(qū)動(dòng)外環(huán)22繞內(nèi)環(huán)21在一定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變流道和噴嘴喉口的尺寸。[0034]傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括一外齒輪段32、一扇齒輪33和一扇齒輪轉(zhuǎn)軸34 ;外齒輪段32固接在外環(huán)22的外圓周面上；扇齒輪33置于渦輪殼進(jìn)氣通道內(nèi)，固接在其轉(zhuǎn)軸34 —端，并與外齒輪段32嚙合；扇齒輪轉(zhuǎn)軸34轉(zhuǎn)動(dòng)連接在內(nèi)殼體24的一軸向小孔中，其外露端與執(zhí)行器連接。扇齒輪轉(zhuǎn)軸的外露端轉(zhuǎn)動(dòng)連接在一支承座的一軸向小孔中；支承座固接在遠(yuǎn)離渦輪的內(nèi)殼體上。執(zhí)行器包括一長(zhǎng)舌片35、一舌片轉(zhuǎn)軸36、一主動(dòng)齒輪37、一從動(dòng)齒輪38、一舌片復(fù)位扭簧和一支承座；長(zhǎng)舌片35安放在渦輪殼進(jìn)氣通道39中，并與其轉(zhuǎn)軸36固接；舌片轉(zhuǎn)軸36轉(zhuǎn)動(dòng)連接在外端蓋30和內(nèi)殼體24的另一軸向小孔中，其外露端穿出內(nèi)殼體24與主動(dòng)齒輪37固接；主、從動(dòng)齒輪嚙合傳動(dòng)；從動(dòng)齒輪38固接在扇齒輪轉(zhuǎn)軸34的外露端上；舌片轉(zhuǎn)軸36的外露端轉(zhuǎn)動(dòng)連接在其支承座的一軸向小孔中；支承座固接在遠(yuǎn)離渦輪的渦輪殼體上；扭簧的二端分別固定在舌片轉(zhuǎn)軸和此支承座上。本實(shí)施例的工作原理如下當(dāng)流體以一定的流速?zèng)_擊長(zhǎng)舌片35時(shí)，長(zhǎng)舌片35順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過主、從動(dòng)齒輪嚙合傳動(dòng)，帶動(dòng)扇齒輪33逆轉(zhuǎn)，再經(jīng)扇齒輪33與外齒輪段32的嚙合傳動(dòng)，帶動(dòng)外環(huán)22順轉(zhuǎn)，而此時(shí)，復(fù)位扭簧的反作用力促使外環(huán)22穩(wěn)定在某個(gè)轉(zhuǎn)角位置，也即使可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道的尺寸穩(wěn)定在某個(gè)值；該轉(zhuǎn)角位置隨流體流速的變化而變化。
權(quán)利要求1.一種可變幾何截面的渦輪機(jī)，包括渦輪殼、以軸承連接在渦輪殼中心的渦輪轉(zhuǎn)軸、固接在該轉(zhuǎn)軸一端的渦輪、雙環(huán)式可變幾何截面的噴嘴環(huán)機(jī)構(gòu)和噴嘴環(huán)的控制機(jī)構(gòu)，其特征是:所述的噴嘴環(huán)機(jī)構(gòu)由一內(nèi)環(huán)、一外環(huán)和數(shù)個(gè)導(dǎo)向葉片構(gòu)成；外環(huán)動(dòng)配合在內(nèi)環(huán)圓周面上，并可繞渦輪軸心轉(zhuǎn)動(dòng)；內(nèi)環(huán)與渦輪殼的內(nèi)殼體固接，其外端面上均布著數(shù)個(gè)軸向的進(jìn)氣凹槽；這些凹槽被位于其外側(cè)的渦輪殼外端蓋軸向密封；外環(huán)圓周面上均布著數(shù)個(gè)進(jìn)氣通孔；每個(gè)通孔的后端固接著一導(dǎo)向葉片；每個(gè)導(dǎo)向葉片安放在內(nèi)環(huán)的一個(gè)凹槽中；每個(gè)導(dǎo)向葉片的前面與相應(yīng)的內(nèi)環(huán)凹槽的前面所構(gòu)成的流道的中心面，在二前面最接近位置時(shí)，與渦輪葉面垂直，以獲得最大的動(dòng)量有效值；外環(huán)通孔在固接導(dǎo)向葉片后的流道最小面積不小于內(nèi)環(huán)凹槽減去導(dǎo)向葉片后的流道最大面積；渦輪殼由內(nèi)殼體、外端蓋以螺釘鎖合而成；外環(huán)被軸向定位在內(nèi)殼體與外端蓋所形成的圓周凹槽中；渦輪動(dòng)配合在內(nèi)環(huán)中央； 控制機(jī)構(gòu)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行器構(gòu)成，執(zhí)行器安裝在渦輪殼上，其輸出的運(yùn)動(dòng)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，再驅(qū)動(dòng)外環(huán)繞內(nèi)環(huán)在一定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變流道的尺寸，也同時(shí)改變噴嘴喉口的尺寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變幾何截面的渦輪機(jī)，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是這樣的:包括一外齒輪段、一扇齒輪和一扇齒輪轉(zhuǎn)軸；外齒輪段固接在外環(huán)的外圓周面上；扇齒輪置于渦輪殼進(jìn)氣通道內(nèi)，固接在其轉(zhuǎn)軸一端，并與外齒輪段嚙合；扇齒輪轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接在內(nèi)殼體的一軸向小孔中，其外露端與執(zhí)行器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變幾何截面的渦輪機(jī)，其外環(huán)的結(jié)構(gòu)是這樣的:為一連續(xù)不間斷的環(huán)；或由垂直其軸心線所剖分成的二半以螺釘、銷鎖合而成，以便加工；或由不連續(xù)的數(shù)段構(gòu)成，以免受熱膨脹后，內(nèi)、外環(huán)抱死。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變幾何截面的渦輪機(jī)，其執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)是這樣的: 包括一長(zhǎng)舌片、一舌片轉(zhuǎn)軸、一主動(dòng)齒輪、一從動(dòng)齒輪、一舌片復(fù)位扭簧和一支承座；長(zhǎng)舌片安放在渦輪殼進(jìn)氣通道中， 并與其轉(zhuǎn)軸固接；舌片轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接在外端蓋和內(nèi)殼體的另一軸向小孔中，其外露端穿出內(nèi)殼體與主動(dòng)齒輪固接；主、從動(dòng)齒輪嚙合傳動(dòng)；從動(dòng)齒輪固接在扇齒輪轉(zhuǎn)軸的外露端上；舌片轉(zhuǎn)軸的外露端轉(zhuǎn)動(dòng)連接在其支承座的一軸向小孔中；支承座固接在遠(yuǎn)離渦輪的渦輪殼體上；扭簧的二端分別固定在舌片轉(zhuǎn)軸和支承座上；當(dāng)流體以一定的流速?zèng)_擊長(zhǎng)舌片時(shí)，長(zhǎng)舌片順轉(zhuǎn)一定角度，并通過主、從動(dòng)齒輪和扇齒輪，帶動(dòng)外環(huán)順轉(zhuǎn)一定角度，從而達(dá)到改變可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道尺寸的目的； 或是這樣的:包括一長(zhǎng)舌片、一舌片轉(zhuǎn)軸、一主動(dòng)齒輪、一從動(dòng)齒輪、一舌片復(fù)位扭簧、一支承座、一曲柄和一開關(guān)控制型電磁閥；長(zhǎng)舌片安放在潤(rùn)輪殼進(jìn)氣通道中，并與其轉(zhuǎn)軸固接；舌片轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接在外端蓋和內(nèi)殼體的另一軸向小孔中，其外露端穿出內(nèi)殼體與主動(dòng)齒輪固接；主、從動(dòng)齒輪嚙合傳動(dòng)；從動(dòng)齒輪固接在扇齒輪轉(zhuǎn)軸的外露端上；舌片轉(zhuǎn)軸的外露端轉(zhuǎn)動(dòng)連接在其支承座的一軸向小孔中；支承座固接在遠(yuǎn)離渦輪的渦輪殼體上；扭簧的二端分別固定在舌片轉(zhuǎn)軸和支承座上；當(dāng)流體以一定的流速?zèng)_擊長(zhǎng)舌片時(shí)，長(zhǎng)舌片順轉(zhuǎn)一定角度，并通過主、從動(dòng)齒輪和扇齒輪，帶動(dòng)外環(huán)順轉(zhuǎn)一定角度，從而達(dá)到改變可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道尺寸的目的；舌片轉(zhuǎn)軸、扇齒輪轉(zhuǎn)軸之一的外露端上固接著曲柄，曲柄的另端與電磁閥的鐵芯的外露端鉸接；電磁閥體連接在渦輪殼上；在渦輪機(jī)與壓氣機(jī)組合成增壓器的場(chǎng)合，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)的油量增大率大于某一設(shè)定值時(shí)，內(nèi)燃機(jī)ECU發(fā)出指令，電磁閥通電，鐵芯軸向移動(dòng)，使可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道調(diào)至最小，從而在極短時(shí)間內(nèi)使渦輪機(jī)加速，壓氣機(jī)迅速加大壓氣量，以滿足加速時(shí)的大氣量要求，改善加速性能；電磁閥通電時(shí)長(zhǎng)由ECU控制； 或是這樣的:包括一擺動(dòng)氣缸；該氣缸內(nèi)有數(shù)個(gè)葉片和定子塊；氣缸上裝有葉片復(fù)位彈簧；氣缸的輸出轉(zhuǎn)軸與扇齒輪轉(zhuǎn)軸的外露端連接，且二者同步轉(zhuǎn)動(dòng)；氣缸的數(shù)個(gè)進(jìn)氣孔與壓氣機(jī)的排氣端相貫通；當(dāng)該排氣端壓力增大時(shí)，葉片旋轉(zhuǎn)一定角度，并通過扇齒輪，使外環(huán)轉(zhuǎn)角增大到一定值，來達(dá)到加大可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道尺寸的目的； 或是這樣的:包括一比例控制型旋轉(zhuǎn)電磁閥、一輸入到電磁閥線圈的可調(diào)脈沖信號(hào)占空比的電路；電磁閥體固接在渦輪殼上，其內(nèi)含一復(fù)位彈簧，其轉(zhuǎn)軸的輸出端與扇齒輪轉(zhuǎn)軸的外露端連接，且二者同步轉(zhuǎn)動(dòng)；ECU通過控制輸入電磁閥線圈的脈沖信號(hào)的占空比來控制磁場(chǎng)強(qiáng)度，以改變轉(zhuǎn)軸在電磁閥中的轉(zhuǎn)角位置，并通過扇齒輪，來達(dá)到改變可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道尺寸的目的；執(zhí)行器上裝有一位置傳感器，以檢測(cè)外環(huán)的轉(zhuǎn)角位置，即可變幾何截面機(jī)構(gòu)流道的尺寸； 或是這樣的:包括一步進(jìn)電機(jī)、一蝸輪、一蝸桿；蝸輪固接在扇齒輪轉(zhuǎn)軸的外露端上；蝸桿固接在步進(jìn)電機(jī)的輸出軸端上，并與蝸輪嚙合傳動(dòng)；電機(jī)固接在渦輪殼上；ECU通過對(duì)電機(jī)定子線圈通電順序和輸入脈沖數(shù)量的控制，以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)量，并通過蝸輪、蝸桿、扇齒輪，來達(dá)到改變可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道尺寸的目的；對(duì)E⑶進(jìn)行這樣的技術(shù)設(shè)計(jì):ECU中設(shè)有專用的步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)脈沖數(shù)總和寄存器，以隨時(shí)計(jì)算電機(jī)的最終轉(zhuǎn)動(dòng)量，從而可計(jì)算出當(dāng)時(shí)外環(huán)的轉(zhuǎn)角位置和流道的尺寸，每次內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火開關(guān)關(guān)閉后，蓄電池繼續(xù)給ECU和電機(jī)供電，ECU控制電機(jī)回到初始位置，寄存器置零，此時(shí)可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道尺寸最小； 或是這樣的:包括一曲柄和一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；曲柄的一端與扇齒輪轉(zhuǎn)軸的外露端固接，其另一端與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的滑桿外露端鉸接；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與渦輪殼連接，該連接方式為固接、鉸接二者之一 ；ECU控制滑桿的軸向移動(dòng)量，并通過曲柄、扇齒輪，改變外環(huán)的轉(zhuǎn)角位置，從而達(dá)到改變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道尺寸的目的； 或是這樣的:包括一 齒條、一小齒輪和一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；齒條固接在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的滑桿外露端上，并與小齒輪嚙合傳動(dòng)；小齒輪固接在扇齒輪轉(zhuǎn)軸的外露端上；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)固接在渦輪殼上；ECU控制滑桿的軸向移動(dòng)量，并通過齒條、小齒輪和扇齒輪，改變外環(huán)的轉(zhuǎn)角位置，從而達(dá)到改變可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道尺寸的目的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變幾何截面的渦輪機(jī)，其特征在于所述的執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是這樣的: 包括一單桿活塞氣缸；活塞缸由缸筒、活塞、活塞桿和一復(fù)位彈簧構(gòu)成；活塞桿即為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的滑桿；活塞缸的進(jìn)氣孔與壓氣機(jī)的排氣端相貫通；當(dāng)該排氣端壓力增大時(shí)，活塞壓迫彈簧，并移動(dòng)一定路程；活塞移動(dòng)路程越大，則外環(huán)的轉(zhuǎn)角越大，即可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道尺寸越大； 或是這樣的:包括一內(nèi)含鐵芯的比例控制型平動(dòng)電磁閥、一鐵芯復(fù)位彈簧、一輸入到電磁閥線圈的可調(diào)脈沖信號(hào)占空比的電路；鐵芯即為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的滑桿；電磁閥體連接在渦輪殼上；ECU通過控制輸入電磁閥線圈的脈沖信號(hào)占空比來控制磁場(chǎng)強(qiáng)度，以改變鐵芯在電磁閥中的軸向位置；執(zhí)行器上裝有一位置傳感器，以檢測(cè)外環(huán)的轉(zhuǎn)角位置，即可變幾何截面機(jī)構(gòu)流道的尺寸；或是這樣的:包括一步進(jìn)電機(jī)和一絲杠機(jī)構(gòu)；絲杠機(jī)構(gòu)置于電機(jī)中，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻z杠的軸向平動(dòng)；絲杠即為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的滑桿；電機(jī)連接在渦輪殼上；ECU通過對(duì)電機(jī)定子線圈通電順序和輸入脈沖數(shù)量的控制，以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)量JtECU進(jìn) 行這樣的技術(shù)設(shè)計(jì)=ECU中設(shè)有專用的電機(jī)正反轉(zhuǎn)脈沖數(shù)總和寄存器，以隨時(shí)計(jì)算電機(jī)的最終轉(zhuǎn)動(dòng)量，從而可計(jì)算出當(dāng)時(shí)外環(huán)的轉(zhuǎn)角位置和流道的尺寸，每次內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火開關(guān)關(guān)閉后，蓄電池繼續(xù)給ECU和電機(jī)供電，ECU控制電機(jī)回到初始位置，寄存器置零，此時(shí)可變幾何截面機(jī)構(gòu)的流道尺寸最小。
專利摘要一種可變幾何截面的渦輪機(jī)，包括渦輪殼、以軸承連接在渦輪殼中心的渦輪轉(zhuǎn)軸、固接在該轉(zhuǎn)軸一端的渦輪、雙環(huán)式可變幾何截面的噴嘴環(huán)機(jī)構(gòu)和噴嘴環(huán)的控制機(jī)構(gòu)。所述的噴嘴環(huán)機(jī)構(gòu)由一內(nèi)環(huán)、一外環(huán)和數(shù)個(gè)導(dǎo)向葉片構(gòu)成；外環(huán)動(dòng)配合在內(nèi)環(huán)圓周面上，并可繞渦輪軸心轉(zhuǎn)動(dòng)；內(nèi)環(huán)與渦輪殼的內(nèi)殼體固接，其外端面上均布著數(shù)個(gè)軸向的進(jìn)氣凹槽；這些凹槽被位于其外側(cè)的渦輪殼外端蓋軸向密封；外環(huán)的圓周面上均布著數(shù)個(gè)進(jìn)氣通孔；每個(gè)通孔的后端固接著一導(dǎo)向葉片；每個(gè)葉片安放在內(nèi)環(huán)的一個(gè)凹槽中。通過全自動(dòng)或電控或二者兼有的控制機(jī)構(gòu)，改變內(nèi)、外環(huán)的配合，實(shí)現(xiàn)氣流調(diào)節(jié)，有效解決現(xiàn)有產(chǎn)品效率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、匹配范圍窄的缺陷。運(yùn)用于各種內(nèi)燃機(jī)。
文檔編號(hào)F01D17/16GK202914143SQ20122023166
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月11日
發(fā)明者周浩明 申請(qǐng)人:周浩明