一种流线隧道式涡轮增压器的设计方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种流线隧道式涡轮增压器的设计方法
本专利技术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。
技术介绍
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SudarevAV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。
技术实现思路
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。本专利技术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，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术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。本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的一种流线隧道式涡轮增压器的设计方法，采用流线隧道式旋转流体机械流道设计与成形方法得到的新型流线隧道涡轮应用于传统涡轮增压器，并借鉴SudarevAV燃气轮机整机结构，重新设计涡轮端涡壳，得到流线隧道式涡轮增压器(流线隧道涡轮)。相比于传统的叶片式开式涡轮，新型流线隧道涡轮具有强度大、不易损坏、可降低重量、减小成本的优势。其涡轮壳可分为两种形式，一种为基于传统涡轮壳结构的设计，密封装置在涡轮壳侧壁与隧道轮外表面间设置阶梯式迷宫密封结构；一种为简化涡轮壳结构，进气口简化为可随安装要求改变形状的进气圆管，出口可设计为减压管，此种结构可省去传统子午面处的密封结构。涡轮壳结构的改变对气动性能、转子动力学特性产生重大影响，但对轴系影响不大。所以只需对其气动性能和转子动力学特性进行仿真测试，保证涡轮增压器的气动性能和转子稳定性。其轴系结构可借鉴现有涡轮增压器结构基础，降低成本，快速产业化。且流线隧道涡轮可采用多种材料以及先进的生产技术制造方法，从而可加快流线隧道式涡轮增压器(流线隧道涡轮)的产业化进程。附图说明图1为流线隧道涡轮的结构示意图；图2为一种流线隧道式涡轮增压器整体结构简图；图3为简化涡轮壳结构简图。图中：1、中间壳；2、压气机壳；3、压气机叶轮；4、轴；5、定子隧道流动区域；6、轴承；7、流线隧道涡轮；8、阶梯式迷宫密封结构；9、涡轮壳；10、出气圆管；11、出口延长段；12、迷宫密封结构；13、进口延长段；14、迷宫密封结构。具体实施方式下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本专利技术的技术方案。如图1所示，本专利技术首先采用流线隧道式旋转流体机械流道设计与成形方法，根据相关约束参数得到实际中心线的方程，进而构成完整流道，形成流线隧道涡轮。如图2所示，本专利技术一种流线隧道式涡轮增压器整体结构，包括压气机叶轮3和流线隧道涡轮7，所述压气机叶轮3和流线隧道涡轮7通过轴4和轴承6连接；压气机壳2和涡轮壳9通过中间壳1连接，并与转子结构形成定子隧道流动区域5；所述流线隧道涡轮7采用阶梯式迷宫密封结构8。如图3所示，本专利技术一种简化涡轮壳，出气口可简化为出气圆管10，可随安装要求弯曲、延长、缩短，可设计为减压管，此种结构可省去传统子午面处的密封结构。所述流线隧道式涡轮进口设置延长段12，并设置迷宫密封结构13；所述出气圆管10与出口延长段11相连，并设置迷宫密封结构14。本专利技术是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本专利技术的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本专利技术不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本专利技术保护的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种流线隧道式涡轮增压器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n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；/n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；/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
1.一种流线隧道式涡轮增压器的设计方法，其特征在于，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。


2.根据权利要求1所述的一种流线隧道式涡轮增压器的设计方法，其特征在于：
流线隧道式涡轮增压器的涡轮...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄若，高泽，郭文杰，
申请(专利权)人：萍乡北京理工大学高新技术研究院，
类型：发明
国别省市：江西;36