[發明專利]一種高速響應的渦輪增壓器系統設計方法

在審

• 申請號: 201410788326.5
• 申請日: 2014-12-17
• 公開（公告）號: CN104675509A
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發明（設計）人: 丁水汀;閔敏;杜發榮;張奇;周煜
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F02B37/00
• 分類號: F02B37/00;F01D25/24;F04D29/44
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 姜榮麗

技術領域

本發明提出一種高速響應的渦輪增壓器系統設計方法，用于降低渦輪增壓器的響應時間，屬于渦輪增壓器技術領域。

背景技術

渦輪增壓器是通過吸收廢氣能量做功繼而為發動機提供增壓空氣的機械裝置，為了滿足車輛在不同工況下的行駛動力性，需要實現渦輪增壓器轉速與發動機工況變化的良好隨動性，也即渦輪增壓器轉子轉速與發動機廢氣能量實現良好的隨動性。當發動機節氣門開度增加，廢氣能量增大，需要增壓器轉速能夠快速增加，以滿足發動機對空氣量增大的需要，當發動機節氣門開度減小，廢氣能量減小，需要增壓器轉速能夠快速下降，以免發動機進氣壓力過高。也即需要一種高速響應的渦輪增壓器。

傳統的降低渦輪增壓器響應時間的方法，多從減小增壓器轉子系統轉動慣量的方式著手，但轉子系統轉動慣量對增壓器響應時間的影響很有限。

發明內容

為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種高速響應的渦輪增壓器系統設計方法。

在渦輪增壓器系統中，發動機廢氣推動渦輪做功，渦輪是主動件，渦輪帶動轉軸和壓氣機轉動，壓氣機是從動件，壓氣機壓縮空氣并提供給發動機。

要降低渦輪增壓器的響應時間，即降低增壓器轉子系統響應時間，應主要從增壓器轉子系統機械慣量、熱慣量和氣動慣性三個方面入手分析。

要降低增壓器轉子系統的機械慣量，可以從輕量化渦輪和壓氣機葉輪的方式著手，設計低慣量渦輪和壓氣機葉輪。

發動機排出的高溫氣體，從蝸殼入口到達渦輪葉片入口，推動渦輪轉動做功。當發動機工況發生變化時，發動機排出的氣體狀態相應發生變化，即蝸殼入口的氣體狀態發生變化，此時渦輪葉片入口的氣體狀態變化會滯后于蝸殼入口的氣體狀態變化，這種氣體狀態變化的滯后性稱作氣動慣性。

對于增壓器的渦端，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，要降低蝸殼的氣動慣性，可設計蝸殼型線為修正的對數螺旋線、不等環量低畢渥數的蝸殼。

對于增壓器的壓端，壓氣機葉輪為從動件，當渦輪功發生變化時，增壓器轉速隨之正向變化，然后壓氣機的出口狀態隨著增壓器轉速也發生變化，壓氣機出口氣體狀態隨著增壓器轉速變化的滯后性稱作壓氣機的氣動慣性。要降低壓氣機的氣動慣性，需要重新分配壓氣機出口的流場，壓氣機出口流場的變化主要靠壓氣機出口后流線的長度調節。壓氣機出口后流線長度短則壓氣機氣動慣性低，流線長則壓氣機氣動慣性高。有葉擴壓器的特點是流線短，但流量和壓比的工作范圍窄，無葉擴壓器的特點是流線長，但流量和壓比的工作范圍寬。

在保證增壓器流量和壓比工作范圍的前提下，本發明提出了渦端和壓端氣動慣性的概念，提出了通過降低增壓器氣動慣性來降低其響應時間的方法，并推導出影響渦輪增壓器響應時間的公式，逐個分析公式中影響渦輪增壓器響應時間的主要參數，要降低壓氣機的氣動慣性，本發明采用了由有葉擴壓器和無葉擴壓器組合而成的組合式擴壓器。

接下來從能量方程的角度分析影響增壓器轉子系統響應時間的因素。由能量守恒可知：

轉子系統的動能＝渦輪功-壓氣機消耗功-機械摩擦耗散功???⑴

公式⑴的兩邊同時除以單位時間可得：

轉子系統轉動功率＝渦輪功率-壓氣機消耗功率-機械摩擦耗散功率???⑵

公式⑵的具體表達式如下：