航空活塞增压发动机使用升限的研究

航空活塞增压发动机使用升限的研究

涡旋压技术是提高航空动力性能和运营高度的重要手段。高压技术可以进一步提高航行速度，多级加压就是一项有效的技术方案之一。航空活塞增压发动机增压系统的主要目的是恢复功率,通过废气阀放气或可变涡轮喷嘴等实现增压器的调节.本文分析的发动机采用废气阀进行进气压力调节,以满足额定功率需求和发动机结构强度限制要求.1模型的精度和验证本文研究的发动机是四冲程一级涡轮增压汽油机,两个化油器,双点火系统,缸体水冷,缸盖风冷.其主要参数如表1.假设缸内工质状态均匀且为理想气体,气体流动状态为准稳态流动过程.燃烧模型采用零维单区模型,传热系数采用Woschni公式,采用三维CFD分析化油器特性.依据发动机结构参数和相关子模型,在GT-POWER软件中建立该发动机模型如图1所示.依据模型仿真结果与原机性能手册值、实验数据相比较以验证模型.图2和图3列出了海平面高度、节气门开度100%时,增压模型与原机功率、缸内压力的对比.结果显示最大误差不超过4%,验证了模型的正确性和可行性.随着海拔高度提高,进气密度下降对发动机性能产生较大影响.故分析在节气门开度100%、转速5500r/min时发动机功率随高度变化规律如图4.发动机在不同节气门开度时对应不同的进气压力是发动机设计时根据发动机结构强度要求和爆震限制分析给出的,以调节发动机工作负荷并防止爆燃的发生.进气压力随节气门开度的变化规律如图5所示.图4显示原机的功率可以维持到5km高度.使用手册给出的升限为4.875km,进一步验证了模型的正确性.在海拔0~5km时,通过废气阀放气以满足进气压力要求,发动机每循环进气质量能恢复到地面工况;当海拔超过5km时,废气阀完全关闭,废气全部驱动涡轮做功,还是无法满足进气压力要求,导致功率下降.发动机使用升限的确定,不但需要发动机在该高度下恢复地面标定工况功率,还需要该高度有一个稳定调节的工作范围.由飞机的使用要求提出发动机的可调工作范围.为分析高度对发动机性能的影响,假设发动机运转参数固定时其性能取决于进气压力.结合图5,不同高度进气压力的变化可转化为相应增压比的变化.故可由增压比分析发动机可调工作范围.现分析该发动机在4.875km时压气机增压比随转速、节气门开度的变化规律见图6.可以看出发动机可用工况满足下列范围:转速:80%nmax≤n≤nmax节气门开度:50%≤x≤100%发动机在此范围内工作,通过废气阀放气能够满足图5进气压力要求,恢复地面功率.且工作范围足够宽能满足使用的调节要求.2压气机增压比和压力参考该发动机使用升限的确定,提出航空活塞发动机使用升限的一般性标准:1)满足该高度下发动机恢复功率要求.2)发动机在使用升限内满足一定工况范围调节的要求.此适用范围根据飞机使用要求及发动机运行安全边界提出.其中,只满足功率恢复要求而不满足适用范围要求的高度称为极限高度.此时满足恢复功率要求的工况是点工况,而不是面工况.航空发动机增压系统的主要作用是恢复功率.在节气门开度一定的情况下,为保证进气压力不随转速和高度的变化而变化,需要废气阀对应的放气规律.发动机工作在可调范围的边界时,废气阀完全关闭后,进一步提升飞行高度,进气压力无法满足恢复功率要求,限制了使用升限的进一步提高.废气阀控制了涡轮能量的输出,涡轮的功率可以分为实际功率和最大功率.当废气阀完全关闭时,通过涡轮的气体流量最大,此时相应的功率定义为涡轮做功的最大功率,可知实际功率不大于最大功率.压气机所消耗的机械功率Pc:废气经过涡轮产生的机械功率Pt:式中,qmc,qmt分别是通过压气机和涡轮的质量流量;cp空气定压比热容;T0压气机进口温度;T3涡轮进口温度;πc压气机增压比;πt涡轮膨胀比;ηc,ηt分别是压气机、涡轮效率.压气机和涡轮的质量流量满足:式中为燃油质量流量;为废气阀放气质量流量.式(3)经整理后:式(1)与式(2)相除,求解结果为式(6)的结果包含了对使用升限的限制.高度变化带来的大气状态变化,对T0,πc产生直接影响.所以,使用升限可表示为其中,x%是废气阀放气质量分数.发动机排气温度T3的范围为1073~1223K,变化较小对使用升限判别影响不大.由此,使用升限与增压器总效率ηcηt、膨胀比、废气阀放气量有直接关系.对于给定发动机,废气阀恰好完全关闭的工况定义为发动机的临界工况,是以转速、节气门开度为参数的线工况.由运行高度h,可知当地大气温度和压力.由节气门开度对应的进气压力,可知压气机运行的理论增压比.根据压气机最大增压比可粗略估计发动机的运行高度.更精确的确定则需要依据压气机和涡轮的特性.压气机流量Ge:式中,ρs为进入气缸空气密度,kg/m3;ηv为容积效率;ηs为扫气效率.其中ρs与进气压力和温度有关:由此可计算通过压气机与涡轮的流量,且二者转速相同.由压气机增压比和流量并结合压气机特性,可知压气机效率;由涡轮转速和流量,可知涡轮膨胀比和效率.由流量、转速结合空燃比可知燃油质量,废气阀放气规律可知废气阀放气质量流量.综上由式(6)判断该高度是否适合作为发动机使用升限.对发动机而言,发动机运行各参数可由环境参数和可调参数确定.例如增压比可由高度、节气门开度、废气阀放气流量确定.式(6)的关系也可转化为高度、发动机转速、节气门开度、废气阀放气流量的关系.因此在使用范围确定的情况下也可以通过研究废气阀放气规律来研究使用升限.3级增压系统方案为进一步提高发动机动力性能,采用二级增压设计方案.除增压系统、冷却系统外,原机其他子系统不作调整.通过对二级涡轮增压器串联和并联的分析,最终采用了压气机串联,涡轮并联的二级增压系统方案,如图7所示.在二级增压模型建立过程中,采用CFD理论计算得到压气机和涡轮特性曲线.将二级增压器看作一个整体增压系统,通过分析低压级压气机入口和高压级压气机出口的气体状态,确定总压比;由于共轴驱动,两压气机转速一致,且流量相等.所以,在仿真模型中,低、高压级压气机以整体的形式出现.建立二级增压发动机仿真模型见图8.4级增压发动机仿真分析增压发动机要获得良好性能,必须解决好增压器与发动机的匹配问题.为此,模拟发动机在不同高度、不同转速、不同节气门开度下,发动机与增压器联合工作运行图见图9.由图9可知,增压器与发动机匹配情况符合使用要求.压气机与发动机的联合运行区域基本位于压气机的高效率区,且离喘振线有10%以上裕度,因此压气机与发动机的匹配能够满足发动机的使用要求.为了测试二级增压发动机的高空使用性能,对二级增压发动机的高空功率恢复特性进行仿真.二级仿真模型的高空功率恢复特性见图10.由图10可知,节气门开度100%,转速5500r/min工况下,二级增压发动机能够满足0~10km不同高度下输出功率的稳定.相对于原发动机一级增压系统,功率恢复特性显著提高.由发动机功率恢复高度10km可假定发动机使用升限为10km.现分析在10km高度下压气机增压比随转速和节气门开度的变化规律见图11.仿真结果显示,在10km高度下,其工作范围:转速为4900~5500r/min;节气门为80%~100%.显然发动机的可正常使用范围过于狭小,不适合作为发动机的使用升限.现分析其在7km高度下发动机可调工况范围见图12.仿真结果显示,发动机的工作范围为节气门:50%~100%可调范围能够满足2中提出的判别准则,由飞机使用对发动机提出的要求不变的情况下,可以将该二级增压发动机使用升限定位7km.通过分析比较原机和二级增压发动机可知,原机的极限高度与使用升限都在5km左右,而二级增压发动机极限高度可达到10km以上,使用升限却只能到7km.所以二级增压发动机还有进一步改进的潜力.发动机功率Pe,kW:式中,Hu为燃料低热值;Ge为气缸进气流量;ηi为指示效率;ηm为机械效率;α为过量空气系数;L0为燃烧1kg燃料理论空气量;ηs为扫气效率.可知,发动机功率很大程度上取决于气缸进气流量,其他参数影响很小.参考第2节中计算气缸进气流量.可根据预设高度计算发动机在最高转速、节气门全开时的功率,以此判断其极限高度.为了最大程度地开发发动机,要满足极限高度约等于使用升限.此高度下,对应转速、节气门开度的进气流量已知,可根据相应的步骤分别计算极限高度和使用升限.原机的设计基于进气流量,充分考虑了功率要求和压气机增压比、效率的协调.二级增压发动机的不完善主要是由于压气机的效率偏低影响使用升限的提高.这是只提高增压系统性能而没有改动发动机本身参数所带来的缺陷.5仿真分析和改进建议1)本文建立了一级增压发动机的可用模型,并依据高空特性分析提出了航空活塞增压发动机使用升限的一般性判别