一種高速響應(yīng)的渦輪增壓器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提出一種高速響應(yīng)的渦輪增壓器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，用于降低渦輪增壓器的響 應(yīng)時(shí)間，屬于渦輪增壓器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 渦輪增壓器是通過(guò)吸收廢氣能量做功繼而為發(fā)動(dòng)機(jī)提供增壓空氣的機(jī)械裝置，為 了滿足車輛在不同工況下的行駛動(dòng)力性，需要實(shí)現(xiàn)渦輪增壓器轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化的良 好隨動(dòng)性，也即渦輪增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量實(shí)現(xiàn)良好的隨動(dòng)性。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣 門開度增加，廢氣能量增大，需要增壓器轉(zhuǎn)速能夠快速增加，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)空氣量增大的 需要，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度減小，廢氣能量減小，需要增壓器轉(zhuǎn)速能夠快速下降，以免發(fā)動(dòng) 機(jī)進(jìn)氣壓力過(guò)高。也即需要一種高速響應(yīng)的渦輪增壓器。
[0003] 傳統(tǒng)的降低渦輪增壓器響應(yīng)時(shí)間的方法，多從減小增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方 式著手，但轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)增壓器響應(yīng)時(shí)間的影響很有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種高速響應(yīng)的渦輪增壓器系統(tǒng)設(shè) 計(jì)方法。
[0005] 在渦輪增壓器系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣推動(dòng)渦輪做功，渦輪是主動(dòng)件，渦輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸和 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，壓氣機(jī)是從動(dòng)件，壓氣機(jī)壓縮空氣并提供給發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0006] 要降低渦輪增壓器的響應(yīng)時(shí)間，即降低增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，應(yīng)主要從增壓 器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)機(jī)械慣量、熱慣量和氣動(dòng)慣性三個(gè)方面入手分析。
[0007] 要降低增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的機(jī)械慣量，可以從輕量化渦輪和壓氣機(jī)葉輪的方式著 手，設(shè)計(jì)低慣量渦輪和壓氣機(jī)葉輪。
[0008] 發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫氣體，從蝸殼入口到達(dá)渦輪葉片入口，推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)做功。當(dāng)發(fā) 動(dòng)機(jī)工況發(fā)生變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的氣體狀態(tài)相應(yīng)發(fā)生變化，即蝸殼入口的氣體狀態(tài)發(fā)生 變化，此時(shí)渦輪葉片入口的氣體狀態(tài)變化會(huì)滯后于蝸殼入口的氣體狀態(tài)變化，這種氣體狀 態(tài)變化的滯后性稱作氣動(dòng)慣性。
[0009] 對(duì)于增壓器的渦端，要將氣體在蝸殼入口處的做功能力，迅速傳遞到渦輪葉片入 口處，需要克服蝸殼的熱慣性和氣動(dòng)慣性。要降低蝸殼的熱慣性，可采用薄壁蝸殼，要降低 蝸殼的氣動(dòng)慣性，可設(shè)計(jì)蝸殼型線為修正的對(duì)數(shù)螺旋線、不等環(huán)量低畢渥數(shù)的蝸殼。
[0010] 對(duì)于增壓器的壓端，壓氣機(jī)葉輪為從動(dòng)件，當(dāng)渦輪功發(fā)生變化時(shí)，增壓器轉(zhuǎn)速隨之 正向變化，然后壓氣機(jī)的出口狀態(tài)隨著增壓器轉(zhuǎn)速也發(fā)生變化，壓氣機(jī)出口氣體狀態(tài)隨著 增壓器轉(zhuǎn)速變化的滯后性稱作壓氣機(jī)的氣動(dòng)慣性。要降低壓氣機(jī)的氣動(dòng)慣性，需要重新分 配壓氣機(jī)出口的流場(chǎng)，壓氣機(jī)出口流場(chǎng)的變化主要靠壓氣機(jī)出口后流線的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)。壓氣 機(jī)出口后流線長(zhǎng)度短則壓氣機(jī)氣動(dòng)慣性低，流線長(zhǎng)則壓氣機(jī)氣動(dòng)慣性高。有葉擴(kuò)壓器的特 點(diǎn)是流線短，但流量和壓比的工作范圍窄，無(wú)葉擴(kuò)壓器的特點(diǎn)是流線長(zhǎng)，但流量和壓比的工 作范圍寬。
[0011] 在保證增壓器流量和壓比工作范圍的前提下，本發(fā)明提出了渦端和壓端氣動(dòng)慣性 的概念，提出了通過(guò)降低增壓器氣動(dòng)慣性來(lái)降低其響應(yīng)時(shí)間的方法，并推導(dǎo)出影響渦輪增 壓器響應(yīng)時(shí)間的公式，逐個(gè)分析公式中影響渦輪增壓器響應(yīng)時(shí)間的主要參數(shù)，要降低壓氣 機(jī)的氣動(dòng)慣性，本發(fā)明采用了由有葉擴(kuò)壓器和無(wú)葉擴(kuò)壓器組合而成的組合式擴(kuò)壓器。
[0012] 接下來(lái)從能量方程的角度分析影響增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的因素。由能量守恒 可知：
[0013] 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)能=渦輪功-壓氣機(jī)消耗功-機(jī)械摩擦耗散功 （1)
[0014] 公式⑴的兩邊同時(shí)除以單位時(shí)間可得：
[0015] 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)功率=渦輪功率-壓氣機(jī)消耗功率-機(jī)械摩擦耗散功率 （2)
[0016] 公式⑵的具體表達(dá)式如下：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高速響應(yīng)的渦輪增壓器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于：根據(jù)能量守恒公式， 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)能=渦輪功-壓氣機(jī)消耗功-機(jī)械摩擦耗散功⑴ 公式⑴的兩邊同時(shí)除以單位時(shí)間得： 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)功率=渦輪功率-壓氣機(jī)消耗功率-機(jī)械摩擦耗散功率⑵ 公式⑵的具體表達(dá)式如下：
⑶ 公式⑶中I為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，O1為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的初始角速度，ω2為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)經(jīng) 過(guò)單位時(shí)間后的角速度，Θ為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，Pt為渦輪輸入功率，η τ為渦輪效率，PC 為壓氣機(jī)輸出功率，n。為壓氣機(jī)效率，Pm為機(jī)械摩擦耗散功率； 將公式⑶變形可得轉(zhuǎn)子系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的表達(dá)公式如下：
⑷ 從公式⑷看出，要降低轉(zhuǎn)子系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，通過(guò)減小轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I、通過(guò)提高 渦輪效率nT、通過(guò)提高壓氣機(jī)效率Iu、通過(guò)降低機(jī)械摩擦耗散功率Pm實(shí)現(xiàn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速響應(yīng)的渦輪增壓器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所 述的減小轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在保證渦輪強(qiáng)度的前提下，在渦輪盤每相鄰的兩個(gè)葉片根 部之間進(jìn)行去重處理，保持渦輪葉形不變。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速響應(yīng)的渦輪增壓器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于：對(duì) 于提高渦輪效率nT，保證每個(gè)渦輪葉片入口處的氣體動(dòng)量矩相等，即"= ?夂W，治為蝸 殼內(nèi)氣體的質(zhì)量流量，其余部分是不等環(huán)量的，通過(guò)這一方法設(shè)計(jì)出來(lái)的蝸殼型線為一條 修正的對(duì)數(shù)螺旋線；蝸殼的壁厚在1~3mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速響應(yīng)的渦輪增壓器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于：對(duì) 于提高壓氣機(jī)效率n。，通過(guò)設(shè)計(jì)組合式擴(kuò)壓器實(shí)現(xiàn)，組合式擴(kuò)壓器由有葉擴(kuò)壓器和無(wú)葉擴(kuò) 壓器組合而成，即在壓氣機(jī)葉片出口處依次設(shè)置無(wú)葉擴(kuò)壓器和有葉擴(kuò)壓器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速響應(yīng)的渦輪增壓器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于：對(duì) 于降低機(jī)械摩擦耗散功率Pm，通過(guò)采用滾珠軸承實(shí)現(xiàn)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高速響應(yīng)的渦輪增壓器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，屬于渦輪增壓器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明根據(jù)能量守恒公式，得出通過(guò)降低轉(zhuǎn)子系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，通過(guò)減小轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、通過(guò)提高渦輪效率、通過(guò)提高壓氣機(jī)效率、通過(guò)降低機(jī)械摩擦耗散功率實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明采用薄壁蝸殼的質(zhì)量可以比同型號(hào)普通蝸殼的質(zhì)量降低百分之五十左右；通過(guò)調(diào)整組合式擴(kuò)壓器中有葉擴(kuò)壓器和無(wú)葉擴(kuò)壓器的流道長(zhǎng)度比例，可以實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)流量和壓比同時(shí)調(diào)節(jié)。
【IPC分類】F04D29-44, F01D25-24, F02B37-00
【公開號(hào)】CN104675509
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410788326
【發(fā)明人】丁水汀, 閔敏, 杜發(fā)榮, 張奇, 周煜
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2014年12月17日