一种高速响应的涡轮增压器系统设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明提出一种高速响应的涡轮增压器系统设计方法，用于降低涡轮增压器的响 应时间，属于涡轮增压器技术领域。
【背景技术】
[0002] 涡轮增压器是通过吸收废气能量做功继而为发动机提供增压空气的机械装置，为 了满足车辆在不同工况下的行驶动力性，需要实现涡轮增压器转速与发动机工况变化的良 好随动性，也即涡轮增压器转子转速与发动机废气能量实现良好的随动性。当发动机节气 门开度增加，废气能量增大，需要增压器转速能够快速增加，以满足发动机对空气量增大的 需要，当发动机节气门开度减小，废气能量减小，需要增压器转速能够快速下降，以免发动 机进气压力过高。也即需要一种高速响应的涡轮增压器。
[0003] 传统的降低涡轮增压器响应时间的方法，多从减小增压器转子系统转动惯量的方 式着手，但转子系统转动惯量对增压器响应时间的影响很有限。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种高速响应的涡轮增压器系统设 计方法。
[0005] 在涡轮增压器系统中，发动机废气推动涡轮做功，涡轮是主动件，涡轮带动转轴和 压气机转动，压气机是从动件，压气机压缩空气并提供给发动机。
[0006] 要降低涡轮增压器的响应时间，即降低增压器转子系统响应时间，应主要从增压 器转子系统机械惯量、热惯量和气动惯性三个方面入手分析。
[0007] 要降低增压器转子系统的机械惯量，可以从轻量化涡轮和压气机叶轮的方式着 手，设计低惯量涡轮和压气机叶轮。
[0008] 发动机排出的高温气体，从蜗壳入口到达涡轮叶片入口，推动涡轮转动做功。当发 动机工况发生变化时，发动机排出的气体状态相应发生变化，即蜗壳入口的气体状态发生 变化，此时涡轮叶片入口的气体状态变化会滞后于蜗壳入口的气体状态变化，这种气体状 态变化的滞后性称作气动惯性。
[0009] 对于增压器的涡端，要将气体在蜗壳入口处的做功能力，迅速传递到涡轮叶片入 口处，需要克服蜗壳的热惯性和气动惯性。要降低蜗壳的热惯性，可采用薄壁蜗壳，要降低 蜗壳的气动惯性，可设计蜗壳型线为修正的对数螺旋线、不等环量低毕渥数的蜗壳。
[0010] 对于增压器的压端，压气机叶轮为从动件，当涡轮功发生变化时，增压器转速随之 正向变化，然后压气机的出口状态随着增压器转速也发生变化，压气机出口气体状态随着 增压器转速变化的滞后性称作压气机的气动惯性。要降低压气机的气动惯性，需要重新分 配压气机出口的流场，压气机出口流场的变化主要靠压气机出口后流线的长度调节。压气 机出口后流线长度短则压气机气动惯性低，流线长则压气机气动惯性高。有叶扩压器的特 点是流线短，但流量和压比的工作范围窄，无叶扩压器的特点是流线长，但流量和压比的工 作范围宽。
[0011] 在保证增压器流量和压比工作范围的前提下，本发明提出了涡端和压端气动惯性 的概念，提出了通过降低增压器气动惯性来降低其响应时间的方法，并推导出影响涡轮增 压器响应时间的公式，逐个分析公式中影响涡轮增压器响应时间的主要参数，要降低压气 机的气动惯性，本发明采用了由有叶扩压器和无叶扩压器组合而成的组合式扩压器。
[0012] 接下来从能量方程的角度分析影响增压器转子系统响应时间的因素。由能量守恒 可知：
[0013] 转子系统的动能=涡轮功-压气机消耗功-机械摩擦耗散功 （1)
[0014] 公式⑴的两边同时除以单位时间可得：
[0015] 转子系统转动功率=涡轮功率-压气机消耗功率-机械摩擦耗散功率 （2)
[0016] 公式⑵的具体表达式如下：
【主权项】
1. 一种高速响应的涡轮增压器系统设计方法，其特征在于：根据能量守恒公式， 转子系统的动能=涡轮功-压气机消耗功-机械摩擦耗散功⑴ 公式⑴的两边同时除以单位时间得： 转子系统转动功率=涡轮功率-压气机消耗功率-机械摩擦耗散功率⑵ 公式⑵的具体表达式如下：
⑶ 公式⑶中I为转子系统的转动惯量，O1为转子系统的初始角速度，ω2为转子系统经 过单位时间后的角速度，Θ为转子系统的响应时间，Pt为涡轮输入功率，η τ为涡轮效率，PC 为压气机输出功率，n。为压气机效率，Pm为机械摩擦耗散功率； 将公式⑶变形可得转子系统响应时间的表达公式如下：
⑷ 从公式⑷看出，要降低转子系统响应时间，通过减小转子系统的转动惯量I、通过提高 涡轮效率nT、通过提高压气机效率Iu、通过降低机械摩擦耗散功率Pm实现。
2. 根据权利要求1所述的一种高速响应的涡轮增压器系统设计方法，其特征在于：所 述的减小转子系统的转动惯量，在保证涡轮强度的前提下，在涡轮盘每相邻的两个叶片根 部之间进行去重处理，保持涡轮叶形不变。
3. 根据权利要求1所述的一种高速响应的涡轮增压器系统设计方法，其特征在于：对 于提高涡轮效率nT，保证每个涡轮叶片入口处的气体动量矩相等，即"= ?夂W，治为蜗 壳内气体的质量流量，其余部分是不等环量的，通过这一方法设计出来的蜗壳型线为一条 修正的对数螺旋线；蜗壳的壁厚在1~3mm。
4. 根据权利要求1所述的一种高速响应的涡轮增压器系统设计方法，其特征在于：对 于提高压气机效率n。，通过设计组合式扩压器实现，组合式扩压器由有叶扩压器和无叶扩 压器组合而成，即在压气机叶片出口处依次设置无叶扩压器和有叶扩压器。
5. 根据权利要求1所述的一种高速响应的涡轮增压器系统设计方法，其特征在于：对 于降低机械摩擦耗散功率Pm，通过采用滚珠轴承实现。
【专利摘要】本发明公开了一种高速响应的涡轮增压器系统设计方法，属于涡轮增压器技术领域。本发明根据能量守恒公式，得出通过降低转子系统响应时间，通过减小转子系统的转动惯量、通过提高涡轮效率、通过提高压气机效率、通过降低机械摩擦耗散功率实现。本发明采用薄壁蜗壳的质量可以比同型号普通蜗壳的质量降低百分之五十左右；通过调整组合式扩压器中有叶扩压器和无叶扩压器的流道长度比例，可以实现压气机流量和压比同时调节。
【IPC分类】F04D29-44, F01D25-24, F02B37-00
【公开号】CN104675509
【申请号】CN201410788326
【发明人】丁水汀, 闵敏, 杜发荣, 张奇, 周煜
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2014年12月17日