基于可扩展涡轮增压性能图的分析

1、 姓名：* 学号：* 班级：*基于动态状态的发动机模型的可扩展涡轮增压器性能图Scalable turbocharger performance maps for dynamic state-based engine models摘要本文介绍了一种实现无量纲性能图的方法，从而允许从相同的性能数据建模一系列涡轮增压器，从而减少实现本文介绍了一种实现无量纲性能图的方法，从而允许从相同的性能数据建模一系列涡轮增压器，从而减少实现不同尺寸的模型所需的工作量。无量纲图寻求模拟压缩机和涡轮机系列的性能，其中转子和壳体的几何形状是不同尺寸的模型所需的工作量。无量纲图寻求模拟压缩机和涡轮机系列的性能，其中转子

2、和壳体的几何形状是相似的，并且允许涡轮增压器按照与用于设计定制尺寸的涡轮增压器的方式大致相同的方式进行缩放。提出了相似的，并且允许涡轮增压器按照与用于设计定制尺寸的涡轮增压器的方式大致相同的方式进行缩放。提出了通过选择压缩机直径将无量纲压缩机图与发动机性能目标匹配的方法，以及使涡轮与所选压缩机匹配的方法。通过选择压缩机直径将无量纲压缩机图与发动机性能目标匹配的方法，以及使涡轮与所选压缩机匹配的方法。Adapting turbocharger performance maps to a form suitable for dynamic simulations is challenging fo

3、r the following reasons: (1) the amount of available data is typically limited, (2) data are typically not provided for the entire operating range of the compressor and turbine and (3) the performance data are non-linear. To overcome these challenges, curve fits are typically generated using the per

4、formance data individually for each device. The process, however, can take uneconomical amounts of effort to implement for a range of compressors and turbines. This article introduces a method to implement non-dimensional performance maps thereby allowing a range of turbochargers to be modeled from

5、the same performance data, reducing the effort required to implement models of different sizes. The non-dimensional maps seek to model the performance of compressor and turbine families in which the geometry of the rotor and housing are similar and allow the turbocharger to be scaled for simulation

6、in much the same way used to design customized sizes of turbochargers. A method to match the non-dimensional compressor map to engine performance targets by selecting the compressor diameter is presented, as well as a method to match the turbine to the selected compressor. 我们平常所说的涡轮增压装置其实就是一种空气压缩机，通

7、过压缩空气来增加发动机的进气量，一般来说，涡轮增压都是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入汽缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入汽缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率涡轮机，是利用流体冲击叶轮转动而产生动力的发动机 涡轮机，是利用流体冲击叶轮转动而产生动力的发动机。压缩机，是一种将气体压缩并同时提升气体压力的机械 收集特定于特定压缩机和涡轮机的性能数据并且产生准确地捕获数据的特性的曲线拟合通常需要

8、大量的时间和努力。 为了模拟位移和功率范围内的多个发动机，必须对每个发动机重复该过程。本文运用了量纲分析法减少了工作量，得到较多实验结果 物理量的量纲可以用来分析或检核几个物理量之间的关系，物理量的量纲可以用来分析或检核几个物理量之间的关系，这方法称为量纲分析这方法称为量纲分析 量纲分析法又称为因次分析法，是一种数学分析方法，通量纲分析法又称为因次分析法，是一种数学分析方法，通过量纲分析，可以正确的分析各变量之间的关系，简化试过量纲分析，可以正确的分析各变量之间的关系，简化试验和成果整理，所以量纲分析是我们分析流体运动的有力验和成果整理，所以量纲分析是我们分析流体运动的有力工具。工具。 各同名

9、特征数对应相等各同名特征数对应相等 各特征数之间存在函数关系各特征数之间存在函数关系 Jensen和Kristensen方法表示无量纲参数和压缩机效率作为标准化流量和入口马赫数的函数。使用与实验数据的最小二乘拟合来确定表达式的系数。 Mueller方法将无量纲头参数建模为归一化压缩机流量的二次函数。 零斜率线法描述压缩机流量参数作为压力比和速度参数的函数。通过连接每个速度线的最大质量流量的零斜率线将拟合分成线性区域和指数区域。 由Nelson等人使用的神经网络，由于需要大量的系数和有限数量的可用于训练神经网络的数据点而被确定为不适合于压缩器建模。 推荐的缩放方法 - 压缩机涡轮增压器设计者使用

10、无量纲方面的图来近似来自类似压缩机的新压缩机尺寸的性能，然后产生原型.8 Canova等人讨论的尺寸分析显示压缩机和涡轮机的特性曲线 取决于工作流体，雷诺数等设计参数：与叶片设计相关的转子直径和修整，以及与壳体设计相关的A / R比。 Turbocharger designers use maps in terms of nondimensional terms to approximate the performance of new compressor sizes from similar compressors before producing a prototype.8 The di

11、mensional analysis discussed by Canova et al.14 shows the characteristic curves for compressors and turbines are dependent on the working fluid, Reynolds number, and three design parameters: the rotor diameter and trim associated with the blade design, and the A/R ratio associated with the housing d

12、esign. 喘振现象 气流沿压气机轴线方向发生的低频率、高振幅的振荡现象。 当转速一定，压缩机的进料减少到一定的值，造成叶道中气体的速度不均匀和出现倒流，当这种现象扩展到整个叶道，叶道中的气流通不出去，造成压缩机级中压力突然下降，而级后相对较高的压力将气流倒压回级里，级里的压力又恢复正常，叶轮工作也恢复正常，重新将倒流回的气流压出去。此后，级里压力又突然下降，气流又倒回，这种现象重复出现，压缩机工作不稳定，这种现象成为喘振现象。 危害：会损坏涡轮所示的涡轮机具有177mm的转子直径。从无量纲图缩小到转子直径= 100mm的速度参数和质量流参数方面的压缩机。从无量纲图转换到转子直径= 200m

13、m的速度参数和质量流参数方面的压缩机。在喘振线处，压缩机失速并且质量流停止或可能反向流动。在喘振线上方的图的区域通常不由制造商通信，这使得难以将数据实现为压力比和转子速度（速度参数或转子尖端马赫数）试验台搭建图1.通常根据制造商的要求可获得的压缩机数据，其示为（a）作为压力比和速度参数的函数的校正质量流量，和（b）作为速度参数和质量流量参数的函数的等熵压缩机效率。 所示的压缩机具有189mm的转子直径。图2.通常根据制造商的要求可获得的涡轮数据：（a）作为膨胀比和速度参数的函数的校正质量流量，和（b）作为膨胀比和速度参数的函数的等熵压缩机效率。 所示的涡轮机具有177mm的转子直径。 -图3.

14、由图1中的数据开发的压缩机图，转换成无量纲质量流量系数和转子叶尖马赫数，并外推到低转子速度和压力比区域。虚线：压缩机等熵效率C0,c：入口处的转子夜尖马赫数图4.从无量纲地图缩小到转子直径= 100mm的速度参数和质量流量参数方面的压缩机图。图6.通过压缩机喘振压力比归一化的压缩机图，产生在模拟中容易实现的矩形查找表。 虽然矩形，在喘振线（Pidx = 1）附近，图快速变化并且需要使用足够数量的数据点来实现，如本文所描述的从原始数据插值。 提出的缩放方法提出的缩放方法 - 涡轮机类似于用于压缩机涡轮机类似于用于压缩机数据的方法的方法可以应用于涡轮机数据。如数据的方法的方法可以应用于涡轮机数据。

15、如果涡轮叶轮的直径果涡轮叶轮的直径DT是已知的，则可以容易地是已知的，则可以容易地将数据转换为无量纲参数。转子叶尖速度，涡将数据转换为无量纲参数。转子叶尖速度，涡轮机质量流量系数可以用公式算出。轮机质量流量系数可以用公式算出。 本文的其余部分分为三个部分。第一个简要回顾了适应性能数据并外推到压缩机图的低转子速度，低压力比区本文的其余部分分为三个部分。第一个简要回顾了适应性能数据并外推到压缩机图的低转子速度，低压力比区域的方法。然后示出了使用与在域的方法。然后示出了使用与在Yahya8中给出的类似的维度分析来缩放压缩器图以产生几何相似的压缩器的中给出的类似的维度分析来缩放压缩器图以产生几何相似的

16、压缩器的图的方法。压缩机数据由喘振线归一图的方法。压缩机数据由喘振线归一化以产生矩形查找表，其（化以产生矩形查找表，其（1）容易地在模拟中实现，和（）容易地在模拟中实现，和（2）捕获在喘振）捕获在喘振线附近的质量流的快速变化。应用类似的缩放方法来标准化涡轮机图。第二部分介绍一种选择压缩机直径以使线附近的质量流的快速变化。应用类似的缩放方法来标准化涡轮机图。第二部分介绍一种选择压缩机直径以使无量纲图与给定发动机匹配并选择将与压缩机转矩要求匹配的涡轮机直径的方法。最后，一组压缩机和涡轮机无量纲图与给定发动机匹配并选择将与压缩机转矩要求匹配的涡轮机直径的方法。最后，一组压缩机和涡轮机映射被缩放以匹配

17、结果部分中的几个发动机尺寸，以便说明该方法的效用。映射被缩放以匹配结果部分中的几个发动机尺寸，以便说明该方法的效用。The remainder of this article is divided into three sections. The first briefly reviews methods to fit performance data and extrapolate into the low rotor speed, low pressure ratio regions of a compressor map. An approach to scaling a compres

18、sor map using the dimensional analysis similar to that presented in Yahya8 to produce maps for geometrically similar compressors is then illustrated. The compressor data are normalized by the surge line to produce a rectangular lookup table which (1) is readily implemented in simulation and (2) capt

19、ures rapid change in mass flow near the surge line. A similar scaling approach is applied to normalize the turbine map. The second section introduces a method to select a compressor diameter to match the nondimensional map to a given engine and to select a turbine diameter which will match the compr

20、essor torque requirements. Finally, a set of compressor and turbine maps are scaled to match several engine sizes in the results section in order to illustrate the utility of the method 结果表明，无量纲图可用于在一系列发动机模型上对涡轮增压器压缩机和涡轮机建模。使用本文所述的方法，在涡轮增压起重要作用的控制研究中对发动机动力学建模所需的工作流程和工作量可以通过消除为每个发动机单独适应压缩机和涡轮机数据的需要而减

21、少，而是匹配“ “通用”家庭通过选择车轮直径映射到发动机。 当在一系列发动机尺寸上实施发动机模型时，用于缩放压缩机和涡轮机的方法是有用的工具。 该方法用于将具有特定A / R比的家庭的单个装置产生的无量纲压缩机和涡轮机性能数据与从500kW到2.5MW的四个柴油机匹配。 结果表明，当系列的图被缩放以匹配发动机功率和排量时，压缩机和涡轮机在发动机尺寸范围内类似地操作。 Normalizing the pressure ratio in compressor data by the pressure ratio at compressor surge produces rectilinear ax

22、es which are readily implemented as a lookup table in simulation models. The rectangular surgenormalized map captures the sudden decrease in flow at compressor surge and avoids modeling the surge region using empirical fits generated from data in the normal operating region of the compressor and ext

23、rapolated beyond surge. The non-dimensional maps represent devices where the turbocharger design parameters, namely, the A/R ratio and trim, are constant within a family. Implementing turbocharger performance data in statebased engine models using the non-dimensional mass flow coefficient and rotor tip Mach number allows the turbine and compressor to be scaled to match the displacement and power of the engine. This eliminates the need for data specific to each turbocharger and redu