[发明专利]一种高空两级涡轮增压器变工况匹配设计方法

说明书

本发明提出了一种高空两级涡轮增压器变工况匹配设计方法，在保证设计工况性能的同时提升了增压系统适应发动机变工况的能力，增强了其可靠性和高效性，并能给出可变增压系统的基本控制规律。具体为：采用中线设计和分析方法，基于一维损失模型分析压气机和涡轮部件的变工况特性，满足设计阶段快速分析性能和设计参数优化的要求；根据增压系统的变工况性能匹配要求优化两级压气机压比、涡轮膨胀比分配方案，保证压气机级的失速裕度和涡轮级的效率满足设计要求；基于非设计工况特性分析结果对压气机级内部件进行二次设计优化，进一步提升压气机级和涡轮级的变工况性能。本发明可用于高空环境下两级涡轮增压系统的方案设计和控制规律研究。

技术领域

本发明涉及一种两级涡轮增压器变工况匹配设计方法，属于涡轮增压器技术领域。

背景技术

涡轮增压器广泛应用于汽车发动机、活塞式航空发动机中，其作用是利用发动机气缸排出的废气做功，推动涡轮叶片做功，从而带动增压压气机工作，提高发动机的进气压力和密度。涡轮增压器能够有效提升发动机的容积效率，提高发动机升功率，显著改善发动机的动力性能，尤其是能够保持发动机在较高海拔工作时的功率恢复。

对于航空活塞发动机，为了提高其实用升限，采用涡轮增压器成为其必然途径，增压器增压能力的大小，直接决定了发动机在高空的功率恢复能力。一般来说，单级增压可使发动机的功率恢复高度达到五千米左右，而一万米以上的高空功率恢复则需要采用两级增压。

由于高空大气压力低、密度小的特点，涡轮增压压气机的进气条件随海拔高度发生明显变化，海拔一万米高空的大气压力仅为海平面位置的四分之一左右，这就要求涡轮增压器必须能够在很大的转速范围内稳定工作。相较于车用发动机的涡轮增压器，进气条件的变化使得两级增压的流量、功率匹配更加困难，限制了增压器的稳定工作范围。为了满足起飞、巡航、降落等工作条件下航空活塞发动机输出功率的按需调节，涡轮增压器设计或选型时必须对其变工况匹配规律进行详细分析，研究两级增压压气机、涡轮等部件压比、流量、功率的匹配控制方法。

获得增压器部件变工况特性的方法一般有两种：试验数据插值和损失模型计算。第一种方法适用于某一确定几何的部件，根据其部分工况的试验数据插值得到目标工况点的性能参数，能够比较准确地反映变工况条件下的增压器匹配性能，初步验证增压器选型的可靠性。而第二种方法基于大量试验数据拟合得到的通用损失模型，根据假定的部件几何分析其流动损失、效率、进出口参数等，便于对增压器的部件几何参数进行优化设计，给出增压器的初步设计可行性方案。本发明采用第二种方法。

发明内容

在航空活塞发动机总体设计阶段，为了根据发动机的功率调节需求对增压器进行优化设计，并给出起飞、巡航、降落等工作条件下的发动机增压系统调节控制方法，使得涡轮增压器在高空大气压力以及变工况条件下能够在较大转速范围内稳定工作，本发明基于压气机和废气涡轮中线设计和分析，提出了一种高空两级涡轮增压器变工况匹配设计方法。

本发明为实现上述设计目标，采取的技术方案是：

一种高空两级涡轮增压器变工况匹配设计方法，其特征在于，所述方法是通过以下步骤实现的：

SS1.根据初步分配的两级压气机压比设计压气机级

首先，选定两级涡轮增压器压气机的设计工况，根据初步给定的压比分配比例确定两级压气机的总压比ε，其中两级压气机压比的初步分配按照与压气机进口温度的平方根呈反比的原则进行，即

ε＝ε₁ε₂ (1)

其中，ε为两级压气机的总压比，ε₁和ε₂分别为低压级压气机和高压级压气机的压比，T_c1和T_c2分别为低压级压气机和高压级压气机的进口总温。