[发明专利]一种流线隧道式涡轮增压器的设计方法

说明书

本发明公开了一种流线隧道式涡轮增压器的设计方法，包括：步骤1、应用流线隧道式旋转流体机械流道设计与成形方法成形流线隧道涡轮；步骤2、在传统涡轮增压器的结构基础上，将流线隧道涡轮与传统径流式压气机匹配，得到流线式隧道涡轮增压器转子结构；步骤3、根据步骤2得到的转子结构设计涡轮端涡壳并进行气动性能仿真分析；步骤4、根据步骤2得到的转子结构建立其转子动力学模型；步骤5、根据步骤4得到的转子动力学模型进行转子动力学特性仿真研究验证其稳定性。本发明公开的流线隧道式涡轮增压器的设计方法具有强度大、不易损坏、可降低重量、减小成本的优势。

技术领域

本发明涉及涡轮增压器领域，尤其涉及一种流线隧道式涡轮增压器的设计方法。

背景技术

燃气轮机和活塞式内燃机作为内燃机的两大分支，对人类文明的进步起着巨大的推动作用。为了获得更大的功率，活塞式内燃机多采用涡轮增压器。其可在发动机排放量不变的情况下增加输出功率。常见的废气涡轮增压器是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮旋转，又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器送来的空气，使之增压进入气缸，进而增加发动机的输出功率。传统开式、半开式叶片结构叶轮存在叶顶间隙，而且叶片的数量与厚度尺寸受材料科技水平的限制已经没有优化空间，这就限制了涡轮和压气机气动性能的进一步提高。同时，叶尖间隙泄漏流既影响压气机和涡轮气动性能，还影响转子动力学特性与可靠性；较薄的叶片结构强度差，与提高转速相矛盾。当今主流的涡轮增压器结构采用径流式涡轮和径流式压气机，应用较为成熟。传统的径流式涡轮采用开式叶轮结构，存在叶片单薄、强度较差、间隙泄露损失大的不足，影响涡轮的效率及寿命。且在工艺上，由于涡轮结构截面变化大、叶片流线复杂且薄，传统的铸造方法易使叶片产生热裂和应力集中现象。2003年，俄罗斯科学家Sudarev A V提出了用于微型燃气轮机发动机的新型无叶涡轮概念，并设计了燃气轮机的整机结构。因此，新型隧道涡轮在涡轮增压器上的应用有很好的研究前景。目前，国内对流线隧道式涡轮的研究较少，尤其缺乏对采用此种新结构的涡轮增压器的结构设计。

发明内容

为了克服现有技术中涡轮增压器存在额叶片单薄、强度较差、间隙泄露损失大的不足，进而影响涡轮的效率及寿命的缺陷。本发明所需要解决的问题在于提出一种流线隧道式涡轮增压器设计方法，重新设计涡轮端涡壳，使得到流线隧道式涡轮增压器相比于传统的叶片式开式涡轮，具有强度大、不易损坏、可降低重量、减小成本的优势。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种流线隧道式涡轮增压器的设计方法，包括以下步骤：

步骤1、应用流线隧道式旋转流体机械流道设计与成形方法成形流线隧道涡轮；

步骤2、在传统涡轮增压器的结构基础上，将流线隧道涡轮与传统径流式压气机匹配，得到流线式隧道涡轮增压器转子结构；

步骤3、根据步骤2得到的转子结构设计涡轮端涡壳并进行气动性能仿真分析；

步骤4、根据步骤2得到的转子结构建立其转子动力学模型；

步骤5、根据步骤4得到的转子动力学模型进行转子动力学特性仿真研究验证其稳定性。

优选地，流线隧道式涡轮增压器的涡轮端采用流线隧道涡轮，压气机端仍采用传统径流式压气机。

优选地，轴系借鉴于传统涡轮增压器，调整结构使其满足转子动力学特性。

优选地，满足设计参数的基础上可设计为两种涡壳：一种为基于传统涡轮壳结构的设计，一种为简化涡壳结构，并对两种涡壳进行气动分析使其流动损失最低。

优选地，流线隧道涡轮可采用陶瓷材料制造，具有耐高温、成本低、重量轻的优势。

本发明的有益效果为：