一种提高涡轮增压器涡轮机效率的密封结构及设计方法
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；
第3步，根据第2步的3维几何在计算流体力学软件或程序中自动开展涡轮机内流场性能分析，将流动计算结果及涡轮机效率保存至“临时文件夹”；
第4步，提取第3步的涡轮机效率反馈至优化软件或程序中，并将第2、3步保存在“临时文件夹”里的文件保存至“最优结果文件夹”，清空“临时文件夹”内的文件；
第5步，根据L的取值范围、步长dL及初始值L0，更新L值为L1；根据D的取值范围、初始值D0及步长dD，更新D值为D1，重复第2，第3步，提取涡轮机效率与“最优结果文件夹”中效率进行比较，如果效率高于“最优结果文件夹”，则用“临时文件夹”中的文件替换“最优结果文件夹”中的文件，并清空“临时文件夹”内的文件；反之，直接清除“临时文件夹”内的文件；
……
第n+4步，根据取值范围及步长，更新L值为Ln，D值为Dn，重复第5步工作，直至将取值范围内的所有方案计算完毕；
第n+5步，上一步完成后“最优结果文件夹”中保存的L及D的值即为最优方案对应的值，3维几何即为最优方案3维几何。
技术方案中所述L的取值范围0.5mm≤L≤1.5mm，初始值L0＝1.0mm，更新步长dL＝0.1mm。
技术方案中所述D的取值范围0.5mm≤D≤2.5mm，初始值D0＝1.5mm，更新步长dD＝0.1mm。
本发明与现有技术相比有益技术效果：
本发明能降低涡轮增压器涡轮机的叶尖轴向间隙气体泄漏量，提高涡轮机效率1％～2％，从而提高发动机的动力性和经济性水平。
附图说明
图1是常规的叶轮与蜗壳配合示意图；
图2是图1中A-A向配合间隙局部放大图；
图3是本发明所述一种提高涡轮增压器涡轮机效率的密封结构的叶轮与蜗壳配合示意图；
图4是图3B-B向配合间隙局部放大图；
图5本发明所述的一种提高涡轮增压器涡轮机效率的密封结构尺寸示意图；
图6是本发明所述提高涡轮增压器涡轮机效率的密封结构设计方法流程图；
1、叶轮；2、蜗壳；3、轴向间隙；4、凸起；5、尺寸L 6、尺寸D。
具体实施方式
本发明仅需对待改进涡轮机的蜗壳结构进行适当改动，根据加工图纸进行机加工即可。
解决方案已经经过计算模拟与试验验证，下面结合附图进一步描述：
当追求涡轮机的最大效率时，设计人员主要依据加工、装配水平等因素，通过经验给定最小轴向间隙。
参阅图1、图2，为常规涡轮机叶轮与蜗壳配合示意图。叶轮与蜗壳之间保有一定的轴向间隙，这就使得气体更加容易由蜗壳喷嘴流入该间隙之中，增加了气流的流动损失，降低了涡轮机的工作效率。
参阅图3、图4，本发明设计了一种密封结构，在气体由蜗壳喷嘴进入轴向间隙内的位置处设计了一个“凸起”，使叶轮叶尖相对蜗壳位置下沉，如图2所示。对比图1，该“凸起”起到了将气体由喷嘴流入轴向间隙的入口“隐藏”起来的作用，避免了大量气体由喷嘴直接进入轴向间隙，可以减少气体的泄漏量。
参阅图5，该“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，如图3所示。实际实施中，需要根据向心涡轮的不同规格，结合实际的加工、装配水平，运用计算流体力学(CFD)方法，优化出相应的L值与D值的大小。
本发明提出了一种结构，能够将传统涡轮机叶轮入口处的轴向间隙隐藏起来，以降低泄漏损失。常规涡轮机轴向间隙t的具体值通常为0.5mm-0.8mm
为了保证结构的密封性能，要求凸起高度L要足够的大，应大于前述涡轮的轴向间隙t，小于1.5mm。D的值与涡轮的轮径等参数优化，需保证涡轮机工作时，叶轮不会刮擦到蜗壳壁面，D的值通常在0.5mm-1.5mm之间。
参阅图6，实际操作时，需要结合优化软件、3维造型软件、计算流体力学分析软件或程序开展。
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，比如0.5mm≤L≤1.5mm；取L取值范围的中间值作为初始值L0的值，比如L0＝1mm；根据计算容许的样本数量，确定更新步长dL的值，比如dL＝0.1mm。确定优化计算时D的取值范围，比如0.5mm≤D≤2.5mm；取D取值范围的中间值作为初始值D0的值，比如1.5mm；根据计算容许的样本数量，更新步长dD的值，比如dD＝0.1mm；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。
第3步，根据第2步的3维几何在计算流体力学软件或程序中自动开展涡轮机内流场性能分析，将流动计算结果及涡轮机效率保存至“临时文件夹”。
第4步，提取第3步的涡轮机效率反馈至优化软件或程序中，并将第2、3步保存在“临时文件夹”里的文件保存至“最优结果文件夹”，清空“临时文件夹”内的文件。
第5步，根据L的取值范围、步长dL及初始值L0，更新L值为L1；根据D的取值范围、初始值D0及步长dD，更新D值为D1，重复第2，第3步，提取涡轮机效率与“最优结果文件夹”中效率进行比较，如果效率高于“最优结果文件夹”，则用“临时文件夹”中的文件替换“最优结果文件夹”中的文件，并清空“临时文件夹”内的文件；反之，直接清除“临时文件夹”内的文件。
……
第n+4步，根据取值范围及步长，更新L值为Ln，D值为Dn，重复第5步工作，直至将取值范围内的所有方案计算完毕。
第n+5步，上一步完成后“最优结果文件夹”中保存的L及D的值即为最优方案对应的值、3维几何即为最优方案3维几何。
本发明需要保护的重点内容为所述的蜗壳和叶轮之间的密封结构形式，包括用来定义蜗壳和叶轮之间的配合间隙的关键尺寸L和D，以及设计出L和D的方法。
同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
