[发明专利]一种高空两级涡轮增压器变工况匹配设计方法

摘要

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。

主权项

1.一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子步骤1，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，Tc1和Tc2分别为低压级压气机和高压级压气机的进口总温。子步骤2，根据各级压气机的进口条件、增压空气质量流量、子步骤1所确定的总压比分别进行低压级压气机和高压级压气机的一维中线设计，得到两级压气机叶轮、扩压器和蜗壳的基本几何参数。子步骤3，基于子步骤2中得到的压气机级的几何参数，对低压级压气机和高压级压气机分别进行变工况特性分析，得到其通用特性曲线。SS2.计算压气机级的变工况性能并优化两级压气机的压比分配子步骤1，给定待分析各目标工况的发动机目标增压压力、增压空气质量流量，确定待分析各目标工况下各级压气机的进口气流参数，对步骤SS1设计的压气机级进行一维中线分析，得到各目标工况下两级压气机的级效率、压比、出口气流参数、耗功率等。子步骤2，确定各目标工况点在压气机级通用特性曲线上的位置，计算其失速裕度，并据此调整步骤SS1中的两级设计压比分配比例。子步骤3，根据新的两级压气机压比分配重复压气机级中线设计，并进行压气机级内部件二次优化设计，应用中线分析方法计算级的变工况特性，直至低压级压气机和高压级压气机在各目标工况下的失速裕度均满足设计要求(一般取大于20％)。SS3.根据初步分配的两级涡轮膨胀比设计涡轮级子步骤1，根据两级压气机的转速、耗功以及发动机排气压力、排气温度等确定两级废气涡轮的设计目标参数，同时根据两级涡轮的分布形式以及初步给定的两级涡轮的膨胀比分配比例，确定各级涡轮的膨胀比，其中两级涡轮的初步膨胀比分配按照与进口总温和功率正相关的原则进行，即：上式中：和分别为两级涡轮的初步膨胀比，T_t1和T_t2分别为两级涡轮的进口总温，W_t1和W_t2分别为两级涡轮的单位质量流量输出功率。子步骤2，根据各级涡轮的进口条件、膨胀比、转速、输出功率等参数分别进行高压级涡轮和低压级涡轮的一维中线设计，得到涡轮转子、喷嘴、蜗壳等的基本几何参数。子步骤3，基于上述过程得到的涡轮级的几何参数，对低压级涡轮和高压级涡轮分别进行变工况特性分析，得到其通用特性曲线。SS4.计算涡轮级的变工况性能并优化两级涡轮的膨胀比分配子步骤1，给定待分析目标工况的发动机目标增压压力、增压空气流量，根据发动机缸内燃烧仿真分析得到发动机排气压力、温度，确定涡轮的进口气流参数。子步骤2，根据上述过程得到的压气机转速、涡轮进口气流参数以及涡轮几何参数，对两级废气涡轮进行一维中线分析，得到该工况下的涡轮级效率、流量、输出功率等。子步骤3，确定各目标工况点在涡轮级通用特性曲线图上的位置，判断其工况点位于等转速线上最高效率点的大流量一侧还是小流量一侧，并据此调整步骤SS3中的两级涡轮设计膨胀比分配比例。子步骤4，根据新的两级涡轮设计膨胀比重复涡轮级中线设计，并进行级内部件二次优化设计，应用中线分析方法计算涡轮级的变工况特性，直至两级涡轮均在各目标工况下均处于等速度线上效率较高的区域(一般取95％‑100％最高效率范围)。