留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

航空发动机变几何涡轮增压性能研究

徐斌 周帆 杨世春 田富刚 谭龙兴

徐斌, 周帆, 杨世春, 等 . 航空发动机变几何涡轮增压性能研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(8): 1523-1530. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0639
引用本文: 徐斌, 周帆, 杨世春, 等 . 航空发动机变几何涡轮增压性能研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(8): 1523-1530. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0639
XU Bin, ZHOU Fan, YANG Shichun, et al. Research on performance of variable geometry turbocharger for aero engine[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(8): 1523-1530. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0639(in Chinese)
Citation: XU Bin, ZHOU Fan, YANG Shichun, et al. Research on performance of variable geometry turbocharger for aero engine[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(8): 1523-1530. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0639(in Chinese)

航空发动机变几何涡轮增压性能研究

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0639
基金项目: 

航空科学基金 2013ZB51018

详细信息
    作者简介:

    徐斌  男教授。主要研究方向:发动机涡轮增压及控制技术

    通讯作者:

    徐斌, E-mail: xbacb@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V234.1

Research on performance of variable geometry turbocharger for aero engine

Funds: 

Aeronautical Science Foundation of China 2013ZB51018

More Information
  • 摘要:

    提出了一种变几何涡轮增压器用于发动机高空恢复功率的方法,并对其调节规律和相关特性进行研究。依据涡轮流动模型,分析了相同工况下不同喷嘴环开度对涡轮增压器工作的影响。在GT-POWER中建立了变几何涡轮增压发动机模型,通过全高度下不同工况的仿真分析,验证了变几何涡轮增压发动机恢复海平面功率的应用。结果表明,匹配了变几何涡轮增压器的发动机能够显著提高发动机高空可调范围,其使用升限从5 km提升到了6 km,对变几何涡轮增压器应用于恢复功率与喷嘴环开度的调节规律具有指导意义。

     

  • 图 1  发动机原机GT-POWER仿真模型

    Figure 1.  Simulation model of original engine in GT-POWER environment

    图 2  不同喷嘴环开度时涡轮进气压力随曲轴转角变化

    Figure 2.  Variation of intake pressure with crank angle at different nozzle ring opening degrees

    图 3  5 km高度下不同节气门开度时涡轮功率随喷嘴环开度变化

    Figure 3.  Variation of turbine power with nozzle ring opening degree at height of 5 km under different throttle opening degrees

    图 4  5 km高度下不同节气门开度时进气压力随喷嘴环开度变化

    Figure 4.  Variation of intake pressure with nozzle ring opening degree at height of 5 km under different throttle opening degrees

    图 5  变几何涡轮增压器调节原理

    Figure 5.  Adjustment principle of VGT

    图 6  采用变几何涡轮增压的发动机GT-POWER仿真模型

    Figure 6.  Simulation model of engine with VGT in GT-POWER environment

    图 7  变几何涡轮增压发动机与原机功率随高度与转速的变化

    Figure 7.  Variation of power of engine with VGT and original engine with height and speed

    图 8  转速5 500 r/min时变几何涡轮增压发动机与原机功率随高度与节气门开度的变化

    Figure 8.  Variation of power of engine with VGT and original engine with height and throttle opening degree when speed is 5 500 r/min

    图 9  变几何涡轮增压发动机与原机扭矩随高度与转速的变化

    Figure 9.  Variation of torque of engine with VGT and original engine with height and speed

    图 10  转速5 500 r/min时变几何涡轮增压发动机与原机扭矩随高度与节气门开度的变化

    Figure 10.  Variation of torque of engine with VGT and original engine with height and throttle opening degree when speed is 5 500 r/min

    图 11  变几何涡轮增压发动机和原机在5 km高度下可调范围对比(转速、节气门开度)

    Figure 11.  Comparison of adjustable range between original engine and engine with VGT when height is 5 km (speed and throttle opening degree)

    图 12  5 km高度下不同节气门开度时原机与变几何涡轮增压发动机进排气压力对比

    Figure 12.  Comparison of intake pressure and exhaust pressure between original engine and engine with VGT when height is 5 km under different throttle opeing degrees

    图 13  5 km高度下原机与变几何涡轮增压发动机燃油消耗率对比

    Figure 13.  Comparison of fuel consumption rate between original engine and engine with VGT when height is 5 km

    表  1  发动机主要参数[7]

    Table  1.   Main parameters of engine[7]

    参数数值
    工作形式四缸四冲程航空汽油机
    最大扭矩/(N·m)2 142
    额定功率/kW73.5
    额定转速/(r·min-1)5 500
    使用升限/km5
    增压方式单级废气阀涡轮增压
    下载: 导出CSV

    表  2  不同高度及转速下变几何涡轮增压与原机扭矩提升比

    Table  2.   Torque lifting rate of engine with VGT and original engine at different height and speed

    %
    高度/km转速/(r·min-1)
    5 5005 0004 5004 0003 500
    40.250.760.348.6914.65
    52.251.073.0116.0114.77
    60.590.022.1618.7310.95
    74.113.0710.3224.9913.47
    下载: 导出CSV
  • [1] 丁水汀, 鲍梦瑶, 杜发荣.航空活塞发动机涡轮增压系统的安全边界研究[J].航空动力学报, 2011, 26(11):2534-2542. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKDI201111021.htm

    DING S T, BAO M Y, DU F R.Safety margins analysis on turbocharging system in aircraft piston engine[J].Journal of Aerospace Power, 2011, 26(11):2534-2542(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKDI201111021.htm
    [2] 徐斌, 谭龙兴, 杨世春, 等.飞机使用升限对增压活塞发动机的匹配要求[J].北京航空航天大学学报, 2014, 40(12):1643-1647. http://bhxb.buaa.edu.cn/CN/abstract/abstract13090.shtml

    XU B, TAN L X, YANG S C, et al.Requirement from maximum rate of climbing of aircraft service ceiling to turbocharged reciprocating engine[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2014, 40(12):1643-1647(in Chinese). http://bhxb.buaa.edu.cn/CN/abstract/abstract13090.shtml
    [3] ZAMBONI G, CAPOBIANCO M.Influence of high and low pressure EGR and VGT control on in-cylinder pressure diagrams and rate of heat release in an automotive turbocharged diesel engine[J].Applied Thermal Engineering, 2013, 51(1):586-596. https://core.ac.uk/display/54802214
    [4] YU B, DONG M C, BIAN W C.A low cost method for establishing hardware-in-loop platform for aviation piston engine electronic controller[C]//International Symposium on Computers and Informatics.Lyon:Atlantis Press, 2015:1289-1298.
    [5] 边文超. 航空活塞发动机控制器实物在回路仿真系统设计[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2013: 14-59.

    BIAN W C.Research on hardware-in-loop simulation system of controller for an aviation piston engine[D].Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2013:14-59(in Chinese).
    [6] 李红. VNT增压器控制系统研究[D]. 沈阳: 沈阳理工大学, 2013: 40-46.

    LI H.Research of VNT turbocharger control system[D].Shen-yang:Shenyang Ligong University, 2013:40-46(in Chinese).
    [7] Rotax Aircraft Engine.Operation, manual for ROTAX engine type 914 F[R].Vils:BRP-Rotax GmbH & Co.KG, Rotax Part:899374, 2007.
    [8] 朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M].北京:机械工业出版社, 1992:113-166.

    ZHU D X.Turbo charging method and turbocharger[M].Beijing:Mechanical Industry Press, 1992:113-166(in Chinese).
    [9] 郭林福, 马朝臣, 鲍捷.车用可变几何涡轮增压器执行机构的设计计算[J].车用发动机, 2002(2):5-8. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CYFD200202001.htm

    GUO L F, MA C C, BAO J.Design and calculation of control mechanism for variable geometry turbocharger used in automobile[J].Vehicle Engine, 2002(2):5-8(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CYFD200202001.htm
    [10] 陈红. 航空涡轮增压汽油机特性及其优化特性匹配研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2008: 28-34.

    CHEN H.Study on characteristics of aviation turbo gasoline engine and optimization research[D].Beijing:Beijing Jiaotong University, 2008:28-34(in Chinese).
    [11] 周帆, 徐斌, 杨世春, 等.基于神经网络PID的电动汽车轮毂电机调速设计与仿真[J].车辆与动力技术, 2015(2):53-57. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BGTK201502013.htm

    ZHOU F, XU B, YANG S C, et al.Design and simulation of electric vehicle in-hub motor speed control based on neural network PID[J].Vehicle & Power Technology, 2015(2):53-57(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BGTK201502013.htm
    [12] 彭成成. 高压共轨柴油机可变涡轮增压器匹配及控制策略研究[D]. 长春: 吉林大学, 2015: 71-79.

    PENG C C.Research on VNT match and control strategy of high pressure common rail diesel engine[D].Changchun:Jilin University, 2015:71-79(in Chinese).
    [13] 徐斌, 刘波, 杨世春, 等.某型航空活塞发动机进排气系统优化分析[J].航空动力学报, 2014, 29(3):624-630. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKDI201403024.htm

    XU B, LIU B, YANG S C, et al.Optimization analysis of a aircraft piston engine intake and exhaust system[J].Journal of Aerospace Power, 2014, 29(3):624-630(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKDI201403024.htm
    [14] 刘波. 电辅助航空涡轮增压器匹配特性研究[D]. 北京: 北京航空航天大学, 2015: 36-40.

    LIU B.Electric assisted aviation turbocharger matching characteristic research[D].Beijing:Beihang University, 2015:36-40(in Chinese).
    [15] 徐斌, 谭龙兴, 杨世春, 等.航空活塞发动机使用升限分析[J].北京航空航天大学学报, 2013, 39(12):1568-1572. http://bhxb.buaa.edu.cn/CN/abstract/abstract12791.shtml

    XU B, TAN L X, YANG S C, et al.Analysis of service ceiling on piston aero-engine[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2013, 39(12):1568-1572(in Chinese). http://bhxb.buaa.edu.cn/CN/abstract/abstract12791.shtml
  • 加载中
图(13) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  610
  • HTML全文浏览量:  17
  • PDF下载量:  554
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2016-08-02
  • 录用日期:  2016-11-04
  • 刊出日期:  2017-08-20

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答