CN112313397A - 用于因热膨胀而具有几何减小应力的涡轮增压器的扩散器 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于涡轮机的扩散器，其包括：被配置为安装到涡轮机壳体的支撑件；被配置为从涡轮机的出口接收流体的扩散器主体，扩散器主体限定纵向轴线并具有外缘，外缘具有在垂直于纵向轴线的平面中所测得的长度；以及被配置为将支撑件连接到扩散器主体的桥接部，其中，桥接部和扩散器主体之间的连接被限制在扩散器主体的外缘的连续部分，连续部分不大于扩散器主体的外缘的总长度的约50％。

Description

用于因热膨胀而具有几何减小应力的涡轮增压器的扩散器

本发明涉及一种用于涡轮机的扩散器，并且具体地，涉及一种用于具有排气阀门的涡轮机的扩散器。

涡轮机是一种将流体的势能转换成机械功的机器。涡轮机包括涡轮机叶轮，以及限定涡轮机入口和涡轮机出口的涡轮机壳体。在使用中，流体通过涡轮机入口进入涡轮机，其中流体流到涡轮机叶轮。流体在由涡轮机叶轮限定的一个或多个叶片上产生撞击，从而在涡轮机叶轮上施加力，从而使涡轮机叶轮转动。一旦流体流过涡轮机叶轮，流体就会通过涡轮机出口离开涡轮机。已知提供一种旁路通道，该旁路通道被配置为允许流体从涡轮机入口流到涡轮机出口而无需通过涡轮机叶轮。这样的旁路通道通常配备有称为排气阀门的阀，其被配置为允许或阻止流体经过旁路通道。

一些涡轮机包括位于涡轮机叶轮下游、涡轮机出口处的扩散器。这种扩散器限定通道，该通道随着流体在涡轮机出口的更下游行进而变宽。随着通道变宽，扩散器中的流体速度将降低，从而导致扩散器中的流体压力相应增加。例如，如果将排出的流体输送到另一下游涡轮机，或者在涡轮机是内燃机系统的一部分并且排出的流体被输送到排出气体后处理系统的情况下，这是有利的。此外，已知使用这种扩散器可以提高涡轮机的效率。

提供一种既具有排气阀门又具有扩散器的涡轮机是已知的。然而，已通过排气阀门的高压流体与已经通过涡轮机叶轮的低压流体之间的干扰可能具有降低涡轮机效率的不期望的效应。这样，期望保持离开涡轮机叶轮的流体和绕过涡轮机的流体的分离，直到两种流体流都位于扩散器的下游。在一些涡轮机布置中，扩散器悬挂在中空圆柱形支撑件内。支撑件形成扩散器的一部分，该扩散器安装到涡轮机壳体并部分地限定涡轮机出口。离开涡轮机叶轮的流体被直接排放到扩散器中，而绕过涡轮机叶轮的流体被排放到扩散器外部和限定有支撑件的中空圆柱体内部之间的环形区域中。通过这种方式，可维持上述流体之间的分离，直到两种流体流都已经通过扩散器的下游。

使扩散器对准是期望的，以使得扩散器与涡轮机叶轮的旋转轴线共线。这样，提供了在支撑件和扩散器之间延伸的支柱，借以使扩散器相对于涡轮机的轴线保持在正确的位置。支柱通常围绕扩散器的外缘分布，以使得每个支柱之间存在大体相等的距离。具有围绕扩散器的外缘周向地间隔开的三个或更多个支柱的扩散器是已知的。

在一些应用中，这样的涡轮机与内燃机一起使用。在这些应用中，涡轮机接收热排出气体，然后将其传递到扩散器。扩散器将吸收排出气体中的热能，从而使扩散器膨胀。然而，支撑件和扩散器之间的支柱反作用于扩散器本身的膨胀，并且会限制可产生的膨胀量。通过支柱传递的反作用力使得支柱内以及支撑件和扩散器的周围区域内形成高应力。如此高应力的存在会导致裂纹的形成和扩展。当涡轮机不连续使用并且允许周期性地冷却时(例如，当涡轮机用于车辆中时)，这种问题会加剧。

因此，本发明的一个目的是消除或缓解用于涡轮机的扩散器内裂纹的形成与扩展。本发明的另一目的是为涡轮机提供一种替代性的扩散器。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于涡轮机的扩散器，其包括：

支撑件，其被配置为安装到涡轮机壳体；

扩散器主体，其被配置为从涡轮机的出口接收流体，扩散器主体限定纵向轴线并且具有外缘，外缘具有在垂直于纵向轴线的平面上所测得的长度；以及

桥接部，其被配置为将支撑件连接到扩散器主体，其中，桥接部和扩散器主体之间的连接被限制在扩散器主体的外缘的连续部分，其不大于扩散器主体的外缘的总长度的大约50％。

“外缘”是指由扩散器主体的最外边缘与垂直于扩散器主体的纵向轴线的平面之间相交而限定的二维分界线。“垂直”是指平面的两个维度都与扩散器主体的纵向轴线相互正交。“外缘的连续部分”是指外缘的单个整体部分。也就是说，不间断的且未被分成独立的间隔开的部分的外缘的部分。“被限制”是指桥接部仅在外缘的连续部分内连接到扩散器主体，而不在外缘的连续部分之外连接到扩散器。

进入扩散器的流体通常比周围环境的温度更高(例如，其中流体是来自内燃机的排出气体)。来自流体的热量被扩散器主体吸收，这使得扩散器主体膨胀。但是，由于桥接部仅在由外缘的连续部分限定的区域内连接至扩散器主体，因此在外缘的连续部分之外没有防止扩散器主体的膨胀的手段。这种方式有效地将外缘分为在扩散器主体与桥接部之间存在连接的“限制部”和在扩散器主体与桥接部之间不存在连接的“非限制部”。因为外缘的限制部不大于扩散器主体的总外缘的约50％，所以这意味着非限制部占总周长的至少约50％。也就是说，意图在扩散器主体和支撑件之间的扩散器主体的整个外缘的至少约50％的连续部分上没有连接。这样，扩散器主体的外缘的至少一半能够响应于扩散器主体的加热而膨胀。此外，在外缘的未限制部中没有作用在扩散器主体上的力来抵抗扩散器主体的膨胀。这样，减小了通过桥接部传递的合力，并因此减小了桥接部的内部应力。这减少了在桥接部内所形成的裂纹的发生，并因此延长了扩散器的使用寿命。相反，在扩散器由绕纵向轴线均匀间隔开的多个支柱支撑的情况下(即，在外缘的受限部分超过总周长的约50％的情况下)，支柱共同地作用以约束扩散器围绕其整个外缘的膨胀。支柱反作用在扩散器主体的膨胀上，并使通过支柱传递的力的量增加。这在支柱内产生较高的机械应力，其易于形成裂纹。

扩散器主体外缘的连续部分可以不大于扩散器主体的整个外缘的长度的约33％。当限制区域不大于总周长的约33％时，这意味着非限制区域是总周长的至少约67％。这样，扩散器主体的外缘的大部分没有作用在其上的外力以防止热膨胀。因此，扩散器主体的膨胀可在一定范围的方向上发生，并因此扩散器主体和桥接部内的机械应力可更好地消除。

扩散器主体的外缘的连续部分具有可以不大于扩散器主体的整个外缘的长度的约18％。当限制区域不大于总周长的约18％时，这意味着未限制区域是整个外缘的至少约82％。

涡轮机可被配置为接收来自内燃机的排出气体。在这样的实施例中，桥接部被配置为使得扩散器的第一模态频率高于内燃机的一阶点火频率(first order firingfrequency)。这可以通过选择扩散器主体的外缘的连续部分的长度以确保扩散器的第一模态频率高于内燃机的一阶点火频率来实现。在使用期间，内燃机的点火频率可能会使扩散器振动。但是，因为扩散器的第一模态频率高于内燃机的一阶点火频率，所以避免了扩散器主体的共振。这样，桥接部会为扩散器主体提供足够的支撑，同时桥接部足够窄以允许扩散器主体充分地膨胀。

桥接部可包括单个连续支柱。这样，桥接部能够在整个限制部分支撑扩散器主体，并因此改进桥接部的机械稳定性。在一些实施例中，单个支柱可包括一个或多个通孔。这些通孔用作减轻桥接部的质量。

桥接部可包括多个支柱。因为存在多于一个支柱，所以桥接部被有效地分成多个独立部件。桥接部的独立部件可以彼此间隔开，以在独立部件之间限定间隙。这样，在不损害扩散器主体的结构支撑的情况下，减小了桥接部的质量，这节省了制造成本。

支柱可限定在其间的流动通道。流动通道为通过扩散器主体和支撑件之间的区域的流提供更大的面积，并因此扩散器表现出减小的流体流动阻力。

桥接部可以包括具有多个桥接构件的格栅。应当理解，桥接部可以是被配置为将扩散器主体连接到支撑件的大体任何结构。

扩散器可以形成为单个整体件。也就是说，扩散器主体、桥接部和支撑件以单个材料件制成。这样，避免了桥接部、支撑件和扩散器主体之间的机械界面，并因此扩散器的整体结构更为坚固。在这种情况下，可以通过铸造来制造扩散器。

扩散器主体和支撑件可以在垂直于纵向轴线的平面上限定间隙，间隙具有由扩散器主体、桥接部和支撑件限定的端部，并且其中间隙的端部具有大于间隙的宽度的直径。因为端部的直径大于间隙的直径，所以这减少了可由拐角(tight corner)或尖锐的边缘的存在而增大的应力集中。这样，提高了扩散器的使用寿命。

桥接部和扩散器主体之间的连接可以被倒圆。也就是说，扩散器主体和桥接部的、在桥接部连接到扩散器主体的区域中的表面被倒角。圆角避免拐角和锐利的边缘，否则会增大应力集中。

扩散器主体可以为大体截头圆锥形，并且相对于纵向轴线限定第一端和与第一端相对的第二端，并且扩散器主体的第一端的内径可以比扩散器主体的第二端的内径窄。这样，扩散器主体的直径沿纵向轴线增大。此外，应当理解，因为扩散器主体是截头圆锥形的，所以扩散器主体的横截面在相对于纵向轴线的平面中将会是大体圆形的。这样，扩散器主体的外缘是扩散器主体的周界，并且外缘的限制部是周界的连续弧。因此，限制部的范围可由弧相对于纵向轴线对着(subtend)的角度来表示。

扩散器主体可以包括扰动表面。扰动表面用作加固扩散器，以使得可以减小扩散器的厚度。扰动表面进一步提高扩散器主体对振动的抵抗力。扰动表面可以是例如由扩散器主体限定的肋或肩部。扰动表面可以位于扩散器主体的第一端。

支撑件可以限定内部，并且其中，扩散器主体位于支撑件的内部内，扩散器主体和支撑器彼此间隔开，以在其间限定外部流动区域，外部流动区域被配置为接收通过涡轮机的排气阀门的旁路通道的流体。这样，支撑件会围绕扩散器主体的整个外缘。因此，外部流动区域内的流体与扩散器主体中的流体保持分离，直至其已经相对于涡轮机超过扩散器主体的远端为止。

支撑件可以包括基部，并且在使用期间，基部可以安装至涡轮机壳体，并被配置为将流体从排气阀门的旁路通道引导至外部流动区域。

扩散器主体可以被配置为使得当其在涡轮机的操作温度中暴露于流体时，扩散器主体的热膨胀可以使扩散器主体的纵向轴线与涡轮增压器的纵向轴线大体对准。这样，在涡轮机操作时会最小化涡轮机叶轮与扩散器主体未对准的情况。因此，改进了通过扩散器的流。

根据本发明的第二方面，提供了一种涡轮机，其包括：涡轮机壳体，其限定涡轮机入口和涡轮机出口；涡轮机叶轮，其设置在涡轮机壳体内；旁路通道，其被配置为允许流体从涡轮机入口流至涡轮机出口而无需经过涡轮机叶轮；排气阀，其被配置为选择性地允许或防止流体流过旁路通道；以及根据本发明的第一方面的扩散器，其中，支撑件安装至涡轮机壳体。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于涡轮机的扩散器，其中，涡轮机被配置为接收来自内燃机的排出气体，并且其中，扩散器包括：

支撑件，其被配置为安装到涡轮机壳体；

扩散器主体，其被配置为从涡轮机的出口接收排出气体，扩散器主体限定纵向轴线并具有外缘，外缘具有在垂直于纵向轴线的平面上所测得的长度；以及

桥接部，其被配置为将支撑件连接到扩散器主体，其中，桥接部和扩散器主体之间的连接被限制在扩散器主体的外缘的连续部分；以及

其中，扩散器主体的外缘的连续部分的长度被配置为使得扩散器的第一模态频率高于内燃机的一阶点火频率。

外缘的连续部分的长度优选地是围绕扩散器主体的外缘所测得的连续部分的长度。

优选地，桥接部和扩散器主体之间的连接被限制在扩散器主体的外缘的连续部分，其不大于扩散器主体的外缘的总长度的约50％。

应当理解，本发明的第一方面的可选特征可以结合到本发明的第二方面或第三方面。还应当理解，本发明的第一方面的可选特征的上述优点将等同地应用于本发明的第二方面和第三方面。

现在将参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1是根据现有技术的涡轮增压器的剖面图；

图2是包括排气阀门的另一种已知的涡轮增压器的部分的剖面图；

图3是图2的涡轮增压器的部分的透视图；

图4是根据本发明的涡轮机的部分的剖面图；

图5是图4的涡轮机的部分的透视图；

图6是图4的涡轮机的部分的示意性平面图；

图7是根据本发明另一实施例的涡轮机的部分的示意性平面图；以及

图8是根据本发明又一实施例的涡轮机的部分的示意性平面图。

在描述和附图中，相似的附图标记用于标注等同的特征。

图1示出了已知的涡轮增压器2的横截面。涡轮增压器2包括压缩机4、涡轮机6和轴承壳体7。压缩机4包括压缩机入口8、压缩机叶轮10、压缩机壳体12，以及压缩机出口14。涡轮机6包括涡轮机入口16、涡轮机叶轮18、涡轮机壳体20，以及涡轮机出口22。轴承壳体7包括轴承26，其支撑轴24以用于转动。压缩机叶轮10和涡轮机叶轮18固定地安装到轴24，以使得压缩机叶轮10和涡轮机叶轮18一起转动。

在使用期间，压缩机叶轮10的转动使空气进入压缩机入口8。空气通过压缩机叶轮10进入由压缩机壳体12限定的压缩机蜗壳28。由于通过压缩机叶轮10在进入的空气上施加了动能，所以压缩机蜗壳28中的空气比进入压缩机入口8的空气具有更高的压力。压缩空气通过压缩机出口14离开压缩机4，并被输送到内燃机(未示出)。在一些实施例中，在空气到达内燃机之前，空气通过热交换器以冷却空气。燃料与空气混合，并且燃料-空气混合物在内燃机中燃烧。由于进入内燃机的空气的增大的压力，因此更多氧气可用于燃烧，并因此可使内燃机产生更大的动力。然后，来自内燃机的排出气体被传送到涡轮机6。排出气体进入涡轮机入口16并进入由涡轮机壳体20限定的涡轮机蜗壳30。排出气体在涡轮机叶轮18的一个或多个叶片31上撞击，其使涡轮机叶轮18绕涡轮增压器轴线32转动。涡轮机叶轮18的转动驱动轴24和压缩机叶轮10的转动，因此也驱动了压缩机4。

涡轮机6还包括扩散器34，其由涡轮机壳体20的锥形壁36限定于涡轮机出口22处。在垂直于涡轮增压器轴线32的平面中，扩散器34的横截面积在远离涡轮机叶轮18的轴向方向上增大。这使得离开涡轮机6的排出气体的速度降低并使得排出气体的压力增大(根据文丘里效应)。扩散器34的出口连接到排出气体后处理系统(未示出)，该排出气体后处理系统将确定扩散器34的出口处排出气体的压力。因此，扩散器34的存在具有在涡轮机叶轮18的出口处降低排出气体的压力的作用。这增加了涡轮机入口16和涡轮机出口22之间的压力差，因此增加了从排出气体中所提取的能量，并提高了涡轮机6的效率。

图2和图3示出了另一种已知的涡轮增压器2。涡轮增压器2的涡轮机6包括排气阀门38，该排气阀门38包括排气阀40、阀轴42和致动构件44。涡轮机壳体20包括分隔器48，该分隔器48将涡轮机蜗壳30分为第一蜗壳30a和第二蜗壳30b。涡轮机壳体20还限定从第一蜗壳30a和/或第二蜗壳30b通往涡轮机出口22的旁路通道46。如图3最为清楚地示出，涡轮机壳体20包括端面50，该端面50被配置为用于与扩散器(未示出)配合。端面50包括多个安装孔52，这些安装孔52被配置为接收螺栓，以将扩散器保持在涡轮机壳体20上。

排气阀40限定闭合位置和打开位置，在闭合位置中，排气阀40抵住涡轮机壳体20以覆盖旁路通道46，在打开位置中，排气阀40不与涡轮机壳体20接触。致动构件44的位移可使阀轴42产生转动，并因此使排气阀40在打开位置和闭合位置之间移动。当排气阀40处于闭合位置时，可防止排出气体通过旁路通道46。这样，使得所有排出气体都流过涡轮机叶轮18。当排气阀40处于打开位置时，一些排出气体可以从第一蜗壳30a和/或第二蜗壳30b经由旁路通道46直接流到涡轮机出口22，而不经过涡轮机叶轮18。因为通过旁路通道46的气体并未在涡轮机叶轮18上产生撞击，所以可减少由涡轮机叶轮18吸收的来自排出气体的能量。涡轮机18的旋转速度降低，并且因此也减少了由压缩机4实现的进气的压缩。这样，排气阀40的致动可用于确保由压缩机4产生的压力增长处于不同发动机操作状况的可接受水平内。

图4示出了根据本发明的涡轮机6的横截面。为了清楚起见，图4中略去了涡轮机叶轮18和轴承壳体7。涡轮机壳体20限定涡轮机腔室54，涡轮机叶轮18在使用期间定位在涡轮机腔室54内。涡轮机6包括扩散器53，其具有扩散器主体56、支撑件58及配合面59。扩散器53安装到涡轮机壳体20，以使得扩散器53的配合面59邻接涡轮机壳体20的端面50。涡轮机6包括第一蜗壳30a和第二蜗壳30b，但是应当理解，在替代实施例中，涡轮机6可以包括如以上关于图1所描述的单个蜗壳。

扩散器主体56为大体截头圆锥形，使得其限定纵向轴线60。扩散器主体56是中空的并限定内部流动区域62，其在相对于纵向轴线60的相对两端处是开放的，以便从涡轮机叶轮18(未示出)接收并排出流体。扩散器主体56限定相对于纵向轴线60的第一端55和第二端57。在使用期间，第一端55定位在涡轮机叶轮18附近。第一端55限定内径，其小于第二端57的内径，使得扩散器主体56的内径在远离涡轮机叶轮18的方向上沿纵向轴线60增大。

扩散器主体56进一步限定外壁66。支撑件58为大体圆柱形并与扩散器主体56的纵向轴线60对准。支撑件58是中空的并包括内壁63。支撑件58的内壁63限定直径，其大于扩散器主体56的外壁66的直径。扩散器主体56定位在支撑件的内部内，使得支撑件58在垂直于纵向轴线60的平面中围绕扩散器主体56的整个外缘。外部流体区域64形成于支撑件58的内壁63和扩散器主体56的外壁66之间，外部流体区域64为大体环形。纵向轴线60与涡轮增压器2的涡轮增压器轴线32对准，使得扩散器主体56和支撑件58同心。在使用期间，扩散器主体的纵向轴线60被对准为使得其与涡轮增压器2的涡轮增压器轴线32大体上共线。

支撑件58包括第一端65，以及相对于纵向轴线60与第一端65相对的第二端67，支撑件58的第一端65安装到涡轮机壳体20。支撑件58的内壁63略微地逐渐变细，使得其在第一端65处限定较大的直径，并且在第二端67处限定较窄的直径。但是，在替代实施例中，内壁63可在靠近涡轮机壳体20的支撑件64的端部处具有较窄的直径。在这样的实施例中，可以选择内壁63的锥度以匹配扩散器主体56的锥度，特别是扩散器主体56的外壁66的锥度。可替代地，内壁63也可以具有恒定的直径(即，使得其不逐渐变细)。

扩散器主体56的外壁66包括一对在周向地延伸的肋68和肩部70，一对肋68定位在扩散器主体56的第一端55(即，最靠近涡轮机叶轮18的端部)附近，肩部70相对于纵向轴线60位于沿扩散器主体56的大约一半处。如在图4中可最为清楚地看到的，扩散器主体56最靠近涡轮机叶轮18的部分具有减小的厚度。减小扩散器主体56的厚度导致减少的材料使用并因此减少了制造成本。但是，减小扩散器主体56的厚度对扩散器主体56的强度产生不利影响，并且特别是扩散器主体56对于因振动所引起的疲劳的抵抗力。肋68和肩部70限定相对于外壁66的扰动表面，其作用为加强扩散器主体56并提高扩散器主体56对振动的抵抗力。肋68和肩部70相对于纵向轴线60从相对于纵向轴线60的外壁66径向向外延伸。但是，应当理解，在本发明的替代实施例中，肋60也可以不存在。

图5示出了图4的扩散器53的透视图。扩散器53还包括基部72、安装孔74和桥接部76。基部72从支撑件58沿垂直于扩散器主体56的纵向轴线60的方向延伸(参见图4)并可被认为是支撑件58的一部分。在图5中不可见的基部72的相反侧限定邻接涡轮机壳体20的端面50的配合面59。当扩散器53安装到涡轮机壳体20时，扩散器53的安装孔74与涡轮机壳体20的安装孔52对准。螺栓穿过安装孔52、74，以将扩散器53固定到涡轮机壳体20。应当理解，在本发明的替代实施例中，基部72可以是涡轮机壳体20的一部分，而不是扩散器53的一部分。在这样的实施例中，可将支撑件58直接安装在涡轮机壳体20上。

基部72覆盖排气阀门38正下游的涡轮机出口22的区域。这样，已经通过排气阀38绕过涡轮机叶轮18的排出气体在涡轮机壳体20和扩散器53的基部72之间捕获。涡轮机出口22的形状使得排出气体被引导至围绕扩散器主体56的外部流动区域64中。因此，已通过排气阀门38的排出气体与已通过涡轮机叶轮18的排出气体保持分离，直到两种排出气体流都已经超过扩散器主体56的第二端57为止。

桥接部76连接支撑件58和扩散器主体56，以使得扩散器主体56相对于支撑件58保持在适当的位置。在图5所示的实施例中，桥接部76是单个连续的支柱。将扩散器主体56连接到支撑件58的其他手段也被考虑并且在下面更详细地描述。尽管未示出，但是桥接部76限定在平行于扩散器主体56的纵向轴线60的方向上(也就是说，在图4中从左至右)的深度。在本实施例中，桥接部76从扩散器53的第一面65延伸到第二面67。优选地，桥接部76的深度不小于扩散器主体56在平行于纵向轴线60的方向上的长度的30％左右。然而，应当理解，桥接部76的深度可相对于纵向轴线60在任何适当的程度上延伸。

并不存在将扩散器主体56连接至支撑件58的其它手段，并且因此，桥接部76是为扩散器主体56提供结构支撑的扩散器53的唯一部分。扩散器主体56限定在垂直于扩散器主体56的纵向轴线60的平面中的外缘。本文将连接到桥接部76的扩散器主体56的外缘的部分称为“限制部”，而未由桥接部76支撑的扩散器主体56的外缘的部分称为“非限制部”。非限制部围绕扩散器主体56的外缘的大部分连续地延伸。

在使用期间，由于内燃机中燃料的燃烧，进入涡轮机6的排出气体将会变热。排气阀40通常定位在闭合位置，使得离开内燃机的大部分排出气体会通过涡轮机叶轮18而不通过旁路通道46。这样，与支撑件58相比，扩散器主体56暴露于更大容积的热气中。通过扩散器主体56吸收的热量会大于通过支撑件58吸收的热量，并且因此扩散器主体56会比支撑件58膨胀更多。

在现有技术的扩散器布置中，利用围绕扩散器的外缘均匀地间隔开的多个支柱将扩散器连接到支撑件是已知的。由于支柱围绕扩散器的整个外缘的支柱间隔开，所以支柱起到相对于扩散器的纵向轴线在所有方向上对扩散器的膨胀进行约束的作用。也就是说，支柱和支撑件不允许扩散器沿任何特定方向的运动，并且支柱和支撑件实际上起到防止扩散器相对于纵向轴线的任何运动的作用。支撑件通过支柱在扩散器上施加反作用力，并因此支柱内会产生较高的内部应力。换句话说，随着扩散器的加热，其内部能量会增大。因为防止了扩散器的膨胀，所以不会消耗内部能量的增量。所增加的内部能量本身会表现为使支柱内部机械应力增大的势能。这种高应力的区域容易导致开裂，这会降低扩散器的使用寿命。任何裂纹都会随着扩散器响应于变化的温度(例如在仅周期性地使用(例如在车辆内)涡轮机的情况下)而膨胀和收缩而增长。

在本发明中，扩散器主体56的非限制部上没有作用在其上的以防止其膨胀的外力。特别地，扩散器主体56的外缘的非限制部围绕外缘的大部分连续地延伸，并因此，随着扩散器主体56加热，扩散器主体56在大体上远离桥接部76的方向上自由地进行膨胀。由于在远离桥接部76的方向上不存在抵抗扩散器主体56膨胀的反作用力，所以减小了作用在桥接部76上的合力。因为通过桥接部76传递的力较小，所以也减小了桥接部76中的机械应力并且延长了扩散器主体56的疲劳寿命。换句话说，由于允许扩散器主体56进行膨胀，所以因加热而增加的扩散器主体56的内部能量会在外缘的非限制部周围消失，继而在桥接部76中产生较小的机械应力。

扩散器53优选地形成为通过铸造制造的单个整体材料件。应当理解，在将扩散器53铸造成单件的情况下，在扩散器主体56和支撑件58之间不存在机械界面，并因此，扩散器主体56和支撑件58之间的连接是牢固的。然而，应当理解，在本发明的替代实施例中，也可以分开形成扩散器主体56和支撑件58，使得它们不是一体的。在这种情况下，桥接部76可以由扩散器主体56限定和/或可以由支撑件58限定。可替代地，扩散器主体56和支撑件58二者可与桥接部76分开形成。

在图5所示的实施例中，桥接部76被定位成从扩散器主体56的纵向轴线60的与基部72的相同侧延伸。但是，应当理解，桥接部76可在垂直于纵向轴线60的平面中大体定位在围绕扩散器主体56的外缘的任意位置上(也就是说，以相对于纵向轴线60大体任意的角度)。特别地，可以基于制造需求(例如以允许铸造扩散器53)来选择桥接部76相对于基部72的位置。

图6示出了图5的实施例的扩散器53的示意性平面图，其中为清楚起见而省略了扩散器53的基部72。桥接部76是连续的并且相对于纵向轴线60对着(subtend)角度Θ。为了允许扩散器主体56大体远离桥接部76的运动，角度Θ应不大于180°。应当理解，扩散器主体56可在从纵向轴线60径向向外延伸的任意方向上扩大，其不受桥接部76限制。这样，当角度Θ减小时，扩散器主体56能在更广范围的方向上产生扩大。因此，从这个角度来看，这有助于最小化桥接部76相对于纵向轴线60所对着的角度Θ，以减小受到桥接部76所限制的扩散器主体56的外缘的比例。但是，角度Θ应足以使桥接部76为扩散器主体56提供结构支撑，以将其相对于支撑件58保持在适当的位置。桥接部76的大小也可被选择以最小化由振动引起的任何不利的共振效应。例如，桥接部76的大小可被选择以使得扩散器53的第一模态频率高于内燃机的标称一阶点火频率(first order firing frequency)。因此，角度Θ优选地在约5°至约120°的范围内，更优选地在约30°至约90°的范围内，最优选地在约45°至65°的范围内。更具体地，角度Θ可以为大约90°，大约65°，大约60°，大约45°或大约30°。

应当理解，在本发明的替代实施例中，扩散器主体56和支撑件58可限定非圆形的横截面。例如，扩散器主体56和/或支撑件58可限定正方形横截面。无论扩散器主体56和/或支撑件58具有什么样的几何形状，扩散器主体56的外缘的限制部的范围都可以用扩散器主体56的整个外缘的比例进行表示。具体地，扩散器主体56的外缘的限制部应不大于扩散器主体56的整个外缘的约50％。优选地，扩散器主体56的外缘的限制部在整个外缘的长度的约1％至约33％的范围内延伸，更优选地为约8％至约25％，并且最优选地为约12％至约18％。更具体地，扩散器主体56的外缘的限制部在整个外缘的长度的约25％、约18％、约17％、约13％或约8％上延伸。

如图5与图6最为清晰地示出，外部流动区域64终止于大体环形间隙82，其位于支撑件58的内壁63与扩散器主体56的外壁66之间的扩散器53离涡轮机叶轮18最远的一侧上。间隙82相对于垂直于纵向轴线60的平面限定端部80。端部80由扩散器主体56、桥接部76和支撑件58限定。端部80位于间隙82的周向相对端。端部80限定比间隙82的宽度较宽的直径。相对于间隙82的其余部分的宽度的端部80的增大直径避免出现尖锐的边缘或是拐角边缘，其会在使用期间增大桥接部76内所产生的任何应力。扩散器主体56、桥接部76和支撑件58的表面之间的界面被倒圆(即，进行倒角)，其进一步用作减少应力集中。

图7示出了根据本发明的扩散器53的另一实施例的示意性平面图。在图7所示的实施例中，桥接部76不是连续的，并且包括将支撑件58连接至扩散器主体56的两个支柱76a、76b。支柱76a、76b限定在其间的流动通道77，其与外部流动区域64连通。由于存在流动通道77，所以在支柱76a、76b之间的扩散器主体56的外缘部分中没有支撑扩散器主体56的手段。因此，扩散器主体56可以在该区域内膨胀。此外，流动通道77为经过外部流动区域64的排出气体的传输提供了更大的面积，并因此提供更少的流动阻力。

支柱76a、76b彼此以成角度的方式间隔开，以使得它们在由角度Θ限定的扩散器主体56的外缘部分内连接至扩散器主体56。因此，扩散器主体56的外缘的非限制部是位于如在图5和图6所示实施例中的对着的角度Θ的部分以外的扩散器主体56的外缘部分。因此，在使用期间，当扩散器主体56加热并膨胀时，扩散器主体如上关于图5与图6所描述的方式同样地作出反应(即，它在大体远离支柱76a、76b的方向上变形)。

流动通道77相对于垂直于纵向轴线60的平面限定端部84。端部84由支撑件58、支柱76a、76b和扩散器主体56限定。与图5和图6所示实施例中的端部80一样，端部84具有大于流动通道77的宽度的直径。因此，端部84进一步减小任何集中在支柱76a、76b的应力，以如上关于间隙82的端部80所描述的同样方式。

应当理解，本发明的替代实施例可以包括附加支柱(例如支柱76a、76b)，只要任何这些附加支柱都位于扩散器主体56外缘上的限制部内，也就是位于图7中的支柱76a、76b之间并且位于角度Θ以内。

图8示出了根据本发明的扩散器53的另一实施例的示意性平面图。在图8所示的实施例中，扩散器主体56通过采用格栅(lattice)78形式的桥接部76连接至支撑件58。格栅78由多个单独的桥接构件组成，桥接构件相互连接以产生能相对于支撑件58将扩散器主体56保持在适当位置的刚性结构。格栅78围绕扩散器主体56的纵向轴线60的范围对着角度Θ，以限定扩散器主体56的外缘的限制部。应当理解，桥接部76可以是能够将支撑件58连接至扩散器主体56的大体任何结构，并且图8所示的格栅78仅仅是一个优选实施例。

应当理解，随着扩散器主体56膨胀，扩散器主体56的纵向轴线60可移动远离桥接部76。这样，扩散器的纵向轴线60将不再精确地与涡轮增压器轴线32对准。然而，可以假设的是，与扩散器主体56的直径相比，纵向轴线60的移动量会是非常小的，所以，因这种未对准而引起的任何不利于流动的影响都是可以忽略不计的。在替代性实施例中，扩散器主体56的几何形状可使扩散器主体56的纵向轴线60移位，使得在扩散器主体56已经膨胀时(即，在内燃机正在运行时)，纵向轴线60与涡轮增压器轴线32对准。在该实施例中，当内燃机不运行且扩散器主体56低于运行温度时，扩散器主体56的纵向轴线60和涡轮增压器轴线32可有意地在预定程度上不对准。

Claims (18)

1.一种用于涡轮机的扩散器，包括：

支撑件，其被配置为安装到涡轮机壳体；

扩散器主体，其被配置为从所述涡轮机的出口接收流体，所述扩散器主体限定纵向轴线并具有外缘，所述外缘具有在垂直于所述纵向轴线的平面上所测得的长度；以及

桥接部，其被配置为将所述支撑件连接到所述扩散器主体，其中，所述桥接部和所述扩散器主体之间的连接被限制在所述扩散器主体的所述外缘的连续部分，其不大于所述扩散器主体的所述外缘的总长度的约50％。

2.根据权利要求1所述的扩散器，其中，所述扩散器主体的所述外缘的所述连续部分不大于所述扩散器主体的所述总外缘的长度的约33％。

3.根据前述权利要求中任一项所述的扩散器，其中，所述扩散器主体的所述外缘的所述连续部分不大于所述扩散器主体的所述总外缘的约18％。

4.根据前述权利要求中任一项所述的扩散器，其中，所述涡轮机被配置为接收来自内燃机的排出气体，并且其中，所述桥接部被配置为使得所述扩散器的第一模态频率高于所述内燃机的一阶点火频率。

5.根据前述权利要求中任一项所述的扩散器，其中，所述桥接部包括单个连续支柱。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的扩散器，其中，所述桥接部包括多个支柱。

7.根据权利要求6所述的扩散器，其中，所述多个支柱在其间限定流动通道。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的扩散器，其中，所述桥接部包括具有多个桥接构件的格栅。

9.根据前述权利要求中任一项所述的扩散器，其中，所述扩散器形成为单个整体件。

10.根据前述权利要求中任一项所述的扩散器，其中，所述扩散器主体和所述支撑件在垂直于所述纵向轴线的所述平面中限定间隙，所述间隙具有由所述扩散器主体、所述桥接部和所述支撑件限定的端部，并且其中，所述间隙的所述端部具有大于所述间隙的宽度的直径。

11.根据前述权利要求中任一项所述的扩散器，其中，所述桥接部和所述扩散器主体之间的连接被倒圆。

12.根据前述权利要求中任一项所述的扩散器，其中，所述扩散器主体为大体截头圆锥形并限定第一端和第二端，所述第二端相对于所述纵向轴线与所述第一端相对，并且其中，所述扩散器主体的所述第一端的内径比所述扩散器主体的所述第二端的内径窄。

13.根据前述权利要求中任一项所述的扩散器，其中，所述扩散器主体包括扰动表面。

14.根据前述权利要求中任一项所述的扩散器，其中，所述支撑件限定内部，并且其中，所述扩散器主体定位在所述支撑件的所述内部内，所述扩散器主体和所述支撑件彼此间隔开以便在其间限定外部流动区域，所述外部流动区域被配置为接收已经通过所述涡轮机的排气阀门的旁路通道的流体。

15.根据权利要求14所述的扩散器，其中，所述支撑件包括基部，并且其中，在使用期间，所述基部安装至所述涡轮机壳体并被配置为将流体从所述排气阀门的所述旁路通道引导至所述外部流动区域。

16.根据前述权利要求中的任一项所述的扩散器，其中，所述扩散器主体被配置为使得当所述扩散器主体在所述涡轮机的操作温度中暴露于流体时，所述扩散器主体的热膨胀可使所述扩散器主体的所述纵向轴线与所述涡轮增压器的纵向轴线大体对准。

17.一种涡轮机，包括

涡轮机壳体，其限定涡轮机入口和涡轮机出口；

涡轮机叶轮，其设置在所述涡轮机壳体内；

旁路通道，其被配置为允许流体在不通过所述涡轮机叶轮的情况下从所述涡轮机入口流到所述涡轮机出口；

排气阀，其被配置为选择性地允许或防止流体流过所述旁路通道；以及

根据前述权利要求中任一项所述的扩散器，其中，所述支撑件安装至所述涡轮机壳体。

18.一种用于涡轮机的扩散器，其中，所述涡轮机被配置为从内燃机接收排出气体，并且其中，所述扩散器包括：

支撑件，其被配置为安装到涡轮机壳体；

扩散器主体，其被配置为从所述涡轮机的出口接收排出气体，所述扩散器主体限定纵向轴线并具有外缘，所述外缘具有在垂直于所述纵向轴线的平面中所测得的长度；以及

桥接部，其被配置为将所述支撑件连接到所述扩散器主体，其中，所述桥接部和所述扩散器主体之间的连接被限制在所述扩散器主体的所述外缘的连续部分；以及

其中，所述扩散器主体的所述外缘的所述连续部分的长度被配置为使得所述扩散器的第一模态频率高于所述内燃机的一阶点火频率。

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