高空汽油机二级涡轮增压研究

　　无人机作战平台是近年来发展迅速的新概念武器,世界各国有关的研究与试验非常活跃.由于无人机飞行高度的日益提高,作为其主要动力之一的增压活塞式发动机的研究也正向提高高空性能方向发展.随着海拔的升高,大气压力、温度、密度大幅下降,对发动机的动力性有严重的影响.为解决汽油机的高空运行问题,必须对发动机进行进气增压.本文对发动机一级增压工作过程做了计算与分析,并提出了二级涡轮增压的总体方案,应用AVL BOOST软件进行模拟计算,初步验证二级增压方案的可行性.

　　1　一级涡轮增压循环计算

　　根据航空发动机基本参数(见OperatormanualforRotax for engine type 914 series)以及同济大学新能源工程中心实验室ROTAX发动机特性实验数据(包括涡轮增压器试验、配气凸轮型线测量试验、气道性能试验、发动机性能试验、发动机进排气管路结构数据测绘),建立了发动机BOOST一级增压模型,如图1所示.

　　循环模拟计算的基本条件:环境平均海拔高度为4 km,环境温度20℃,环境压力为100·7 kPa,发动机试验点节风门开度100%,发动机转速测量点范围是2 500~5 000 r/min.功率、扭矩、比油耗随转速变化的计算结果与实验对比如图2、3、4所示.

　　从图中可以看出,模拟结果和试验结果相差很小,功率、扭矩以及比油耗的相对误差小于5%,说明建立模型的模拟工作过程与原发动机基本相符合.

　　2　不同海拔高度下性能分析

　　随着海拔高度的持续增加,环境气压的变动范围很大,对发动机的动力性能会产生重大影响.采用单级增压模型,对不同海拔高度下进行1000~6 000m发动机全负荷性能计算,来分析大气压力和温度的变化对发动机性能产生的具体影响.图5、6、7、8给出了发动机性能随海拔高度变化的分析结果.

　　从图5、6可以看出,发动机的功率和转矩迅速下降,恢复不到地面时的功率和转矩数值,难以满足无人机在5 000 m以上飞行的动力性要求.原因是单级增压发动机运行高度达到海拔4 500 m之后,发动机进气管内的压力和质量流量都在不断下降,单级增压不能为发动机提供充足的进气充量,如图7、8所示.为此,需采用二级增压系统以提高发动机的高空动力性能.

　　3　二级增压方案参数确定

　　二级涡轮增压系统是将两个增压器以串联或者并联形式对发动机进行增压,使空气在两个增压器中相继受到压缩以提高其压比的高增压系统.实现二级增压的最有效方案是串联二级增压系统,而并联二级增压系统的应用条件很有限,且低负荷时涡轮效率很差,因此确定采用串联二级增压系统[1、2].

　　图9是二级增压方案示意图,包含两台压气机,两台涡轮机,并且配有一个废气放气阀、一个调节阀和一个转换阀.增压调节方案分为涡轮能量调节系统和压气机最佳工作区域调整系统两部分.通过调节阀和放气阀对两级涡轮的能量进行调解,由单向阀对两级压气机的工作状态进行调解.