[发明专利]一种提高涡轮增压器涡轮机效率的密封结构及设计方法

说明书

本发明属于内燃机排气系统技术领域，涉及一种能提高涡轮增压器涡轮机效率的密封结构及设计方法。在气体由蜗壳喷嘴进入轴向间隙内位置处设置凸起，凸起与叶尖配合尺寸由L、D组成。设计方法包括：1、确定优化计算时L取值范围；2、保存相关L₀、D₀及涡轮机蜗壳至临时文件夹；3、将流动计算结果及涡轮机效率保存至“临时文件夹”；4、保存至“最优结果文件夹”；5、提取涡轮机效率与“最优结果文件夹”中效率进行比较；重复第5步，将取值范围内所有方案计算完毕；上一步完成后“最优结果文件夹”中保存的L及D的值为最优方案对应的值。本发明降低涡轮增压器涡轮机叶尖轴向间隙气体泄漏量，提高涡轮机效率1％～2％，提高发动机动力性和经济性水平。

技术领域

本发明属于内燃机排气系统技术领域，涉及一种能提高涡轮增压器涡轮机效率的密封结构及设计方法。

背景技术

大量研究表明，涡轮增压器内部的压力、速度、温度分布对涡轮增压器的效率和性能有重要影响。合理的设计蜗壳及叶轮，能够使蜗壳出口的气流分布均匀，减少流动损失，同时能减少气流进入叶轮时的冲击，防止回流、旋流、突扩等现象的产生。从而有效提高涡轮增压器的效率。通常通过改变涡轮增压器叶片个数、叶片厚度、叶轮进口直径、叶轮出口直径来对涡轮增压器的优化设计提供参考。

对于径流式涡轮，气体首先经喷嘴环导流和加速，再经涡轮的工作轮膨胀做功和排出，该过程会造成一定的流动损失，其中就包含喷嘴出口和叶轮入口处的轴向间隙中的流动损失。轴向间隙是指在蜗壳喷嘴出口和叶轮外圆之间的无叶片空间。轴向间隙越小，则涡轮机的漏气损失越小，效率越高。但是为了避免旋转叶轮与壳体碰擦，以及轴向间隙过小时会使涡轮的机的噪音水平升高，受加工条件和装配工艺约束，必须保留一定的设计轴向间隙。而有数值模拟研究结果表明轴向间隙每增加1％(相对入口叶高)，涡轮效率降低1.27％，该结论与美国NASA等的试验结果是基本一致的。

目前的解决方案对加工、装配工艺水平的依赖性很强。

发明内容

本发明针对目前的解决方案对加工、装配工艺水平的依赖性很强的问题，提出一种在保持涡轮机叶轮轴向设计间隙不变的条件下，减小泄露气体流量的密封结构，目的是增加涡轮增压器涡轮机的效率，提高发动机动力性和经济性水平，或者同等密封要求下，降低对生产工艺的要求。

因此在保证设计轴向间隙的前提下，减小气体流动损失是本发明需要解决的问题。

本发明通过如下技术方案实现：

一种提高涡轮增压器涡轮机效率的密封结构，其特征在于：在气体由蜗壳喷嘴进入轴向间隙内的位置处设置一个凸起，所述凸起与叶尖配合尺寸由L、D组成，其中，L为凸起高度，D为叶尖与凸起边缘的径向间隙。

技术方案中所述凸起高度L大于涡轮叶轮与蜗壳的轴向间隙，小于1.5mm。

D的值在0.5mm-2.5mm之间。

一种提高涡轮增压器涡轮机效率的密封结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

第1步，根据涡轮叶轮与蜗壳的轴向间隙及凸起高度的上限值确定优化计算时L的取值范围；

取L取值范围的中间值作为初始值L₀的值；根据计算容许的样本数量，确定更新步长dL的值；

确定优化计算时D的取值范围；取D取值范围的中间值作为初始值D₀的值；

根据计算容许的样本数量，更新步长dD的值；输入至优化软件或程序中。

第2步，根据第1步确定的L₀及D₀利用参数化造型的方法，调用3维造型软件或程序中，完成涡轮机蜗壳的3维几何造型，保存相关L₀、D₀及涡轮机蜗壳至临时文件夹；