基于可擴展渦輪增壓性能圖的分析

1、 姓名：* 學(xué)號：* 班級：*基于動態(tài)狀態(tài)的發(fā)動機模型的可擴展渦輪增壓器性能圖Scalable turbocharger performance maps for dynamic state-based engine models摘要本文介紹了一種實現(xiàn)無量綱性能圖的方法，從而允許從相同的性能數(shù)據(jù)建模一系列渦輪增壓器，從而減少實現(xiàn)本文介紹了一種實現(xiàn)無量綱性能圖的方法，從而允許從相同的性能數(shù)據(jù)建模一系列渦輪增壓器，從而減少實現(xiàn)不同尺寸的模型所需的工作量。無量綱圖尋求模擬壓縮機和渦輪機系列的性能，其中轉(zhuǎn)子和殼體的幾何形狀是不同尺寸的模型所需的工作量。無量綱圖尋求模擬壓縮機和渦輪機系列的性能，其中轉(zhuǎn)子

2、和殼體的幾何形狀是相似的，并且允許渦輪增壓器按照與用于設(shè)計定制尺寸的渦輪增壓器的方式大致相同的方式進(jìn)行縮放。提出了相似的，并且允許渦輪增壓器按照與用于設(shè)計定制尺寸的渦輪增壓器的方式大致相同的方式進(jìn)行縮放。提出了通過選擇壓縮機直徑將無量綱壓縮機圖與發(fā)動機性能目標(biāo)匹配的方法，以及使渦輪與所選壓縮機匹配的方法。通過選擇壓縮機直徑將無量綱壓縮機圖與發(fā)動機性能目標(biāo)匹配的方法，以及使渦輪與所選壓縮機匹配的方法。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. 我們平常所說的渦輪增壓裝置其實就是一種空氣壓縮機，通

7、過壓縮空氣來增加發(fā)動機的進(jìn)氣量，一般來說，渦輪增壓都是利用發(fā)動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進(jìn)入汽缸。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入汽缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量和調(diào)整一下發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，就可以增加發(fā)動機的輸出功率渦輪機，是利用流體沖擊葉輪轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生動力的發(fā)動機 渦輪機，是利用流體沖擊葉輪轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生動力的發(fā)動機。壓縮機，是一種將氣體壓縮并同時提升氣體壓力的機械 收集特定于特定壓縮機和渦輪機的性能數(shù)據(jù)并且產(chǎn)生準(zhǔn)確地捕獲數(shù)據(jù)的特性的曲線擬合通常需要

8、大量的時間和努力。 為了模擬位移和功率范圍內(nèi)的多個發(fā)動機，必須對每個發(fā)動機重復(fù)該過程。本文運用了量綱分析法減少了工作量，得到較多實驗結(jié)果 物理量的量綱可以用來分析或檢核幾個物理量之間的關(guān)系，物理量的量綱可以用來分析或檢核幾個物理量之間的關(guān)系，這方法稱為量綱分析這方法稱為量綱分析 量綱分析法又稱為因次分析法，是一種數(shù)學(xué)分析方法，通量綱分析法又稱為因次分析法，是一種數(shù)學(xué)分析方法，通過量綱分析，可以正確的分析各變量之間的關(guān)系，簡化試過量綱分析，可以正確的分析各變量之間的關(guān)系，簡化試驗和成果整理，所以量綱分析是我們分析流體運動的有力驗和成果整理，所以量綱分析是我們分析流體運動的有力工具。工具。 各同名

9、特征數(shù)對應(yīng)相等各同名特征數(shù)對應(yīng)相等 各特征數(shù)之間存在函數(shù)關(guān)系各特征數(shù)之間存在函數(shù)關(guān)系 Jensen和Kristensen方法表示無量綱參數(shù)和壓縮機效率作為標(biāo)準(zhǔn)化流量和入口馬赫數(shù)的函數(shù)。使用與實驗數(shù)據(jù)的最小二乘擬合來確定表達(dá)式的系數(shù)。 Mueller方法將無量綱頭參數(shù)建模為歸一化壓縮機流量的二次函數(shù)。 零斜率線法描述壓縮機流量參數(shù)作為壓力比和速度參數(shù)的函數(shù)。通過連接每個速度線的最大質(zhì)量流量的零斜率線將擬合分成線性區(qū)域和指數(shù)區(qū)域。 由Nelson等人使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由于需要大量的系數(shù)和有限數(shù)量的可用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)點而被確定為不適合于壓縮器建模。 推薦的縮放方法 - 壓縮機渦輪增壓器設(shè)計者使用

10、無量綱方面的圖來近似來自類似壓縮機的新壓縮機尺寸的性能，然后產(chǎn)生原型.8 Canova等人討論的尺寸分析顯示壓縮機和渦輪機的特性曲線 取決于工作流體，雷諾數(shù)等設(shè)計參數(shù)：與葉片設(shè)計相關(guān)的轉(zhuǎn)子直徑和修整，以及與殼體設(shè)計相關(guān)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. 喘振現(xiàn)象 氣流沿壓氣機軸線方向發(fā)生的低頻率、高振幅的振蕩現(xiàn)象。 當(dāng)轉(zhuǎn)速一定，壓縮機的進(jìn)料減少到一定的值，造成葉道中氣體的速度不均勻和出現(xiàn)倒流，當(dāng)這種現(xiàn)象擴展到整個葉道，葉道中的氣流通不出去，造成壓縮機級中壓力突然下降，而級后相對較高的壓力將氣流倒壓回級里，級里的壓力又恢復(fù)正常，葉輪工作也恢復(fù)正常，重新將倒流回的氣流壓出去。此后，級里壓力又突然下降，氣流又倒回，這種現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)，壓縮機工作不穩(wěn)定，這種現(xiàn)象成為喘振現(xiàn)象。 危害：會損壞渦輪所示的渦輪機具有177mm的轉(zhuǎn)子直徑。從無量綱圖縮小到轉(zhuǎn)子直徑= 100mm的速度參數(shù)和質(zhì)量流參數(shù)方面的壓縮機。從無量綱圖轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子直徑= 200m

13、m的速度參數(shù)和質(zhì)量流參數(shù)方面的壓縮機。在喘振線處，壓縮機失速并且質(zhì)量流停止或可能反向流動。在喘振線上方的圖的區(qū)域通常不由制造商通信，這使得難以將數(shù)據(jù)實現(xiàn)為壓力比和轉(zhuǎn)子速度（速度參數(shù)或轉(zhuǎn)子尖端馬赫數(shù)）試驗臺搭建圖1.通常根據(jù)制造商的要求可獲得的壓縮機數(shù)據(jù)，其示為（a）作為壓力比和速度參數(shù)的函數(shù)的校正質(zhì)量流量，和（b）作為速度參數(shù)和質(zhì)量流量參數(shù)的函數(shù)的等熵壓縮機效率。 所示的壓縮機具有189mm的轉(zhuǎn)子直徑。圖2.通常根據(jù)制造商的要求可獲得的渦輪數(shù)據(jù)：（a）作為膨脹比和速度參數(shù)的函數(shù)的校正質(zhì)量流量，和（b）作為膨脹比和速度參數(shù)的函數(shù)的等熵壓縮機效率。 所示的渦輪機具有177mm的轉(zhuǎn)子直徑。 -圖3.

14、由圖1中的數(shù)據(jù)開發(fā)的壓縮機圖，轉(zhuǎn)換成無量綱質(zhì)量流量系數(shù)和轉(zhuǎn)子葉尖馬赫數(shù)，并外推到低轉(zhuǎn)子速度和壓力比區(qū)域。虛線：壓縮機等熵效率C0,c：入口處的轉(zhuǎn)子夜尖馬赫數(shù)圖4.從無量綱地圖縮小到轉(zhuǎn)子直徑= 100mm的速度參數(shù)和質(zhì)量流量參數(shù)方面的壓縮機圖。圖6.通過壓縮機喘振壓力比歸一化的壓縮機圖，產(chǎn)生在模擬中容易實現(xiàn)的矩形查找表。 雖然矩形，在喘振線（Pidx = 1）附近，圖快速變化并且需要使用足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)點來實現(xiàn)，如本文所描述的從原始數(shù)據(jù)插值。 提出的縮放方法提出的縮放方法 - 渦輪機類似于用于壓縮機渦輪機類似于用于壓縮機數(shù)據(jù)的方法的方法可以應(yīng)用于渦輪機數(shù)據(jù)。如數(shù)據(jù)的方法的方法可以應(yīng)用于渦輪機數(shù)據(jù)。

15、如果渦輪葉輪的直徑果渦輪葉輪的直徑DT是已知的，則可以容易地是已知的，則可以容易地將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無量綱參數(shù)。轉(zhuǎn)子葉尖速度，渦將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無量綱參數(shù)。轉(zhuǎn)子葉尖速度，渦輪機質(zhì)量流量系數(shù)可以用公式算出。輪機質(zhì)量流量系數(shù)可以用公式算出。 本文的其余部分分為三個部分。第一個簡要回顧了適應(yīng)性能數(shù)據(jù)并外推到壓縮機圖的低轉(zhuǎn)子速度，低壓力比區(qū)本文的其余部分分為三個部分。第一個簡要回顧了適應(yīng)性能數(shù)據(jù)并外推到壓縮機圖的低轉(zhuǎn)子速度，低壓力比區(qū)域的方法。然后示出了使用與在域的方法。然后示出了使用與在Yahya8中給出的類似的維度分析來縮放壓縮器圖以產(chǎn)生幾何相似的壓縮器的中給出的類似的維度分析來縮放壓縮器圖以產(chǎn)生幾何相似的

16、壓縮器的圖的方法。壓縮機數(shù)據(jù)由喘振線歸一圖的方法。壓縮機數(shù)據(jù)由喘振線歸一化以產(chǎn)生矩形查找表，其（化以產(chǎn)生矩形查找表，其（1）容易地在模擬中實現(xiàn)，和（）容易地在模擬中實現(xiàn)，和（2）捕獲在喘振）捕獲在喘振線附近的質(zhì)量流的快速變化。應(yīng)用類似的縮放方法來標(biāo)準(zhǔn)化渦輪機圖。第二部分介紹一種選擇壓縮機直徑以使線附近的質(zhì)量流的快速變化。應(yīng)用類似的縮放方法來標(biāo)準(zhǔn)化渦輪機圖。第二部分介紹一種選擇壓縮機直徑以使無量綱圖與給定發(fā)動機匹配并選擇將與壓縮機轉(zhuǎn)矩要求匹配的渦輪機直徑的方法。最后，一組壓縮機和渦輪機無量綱圖與給定發(fā)動機匹配并選擇將與壓縮機轉(zhuǎn)矩要求匹配的渦輪機直徑的方法。最后，一組壓縮機和渦輪機映射被縮放以匹配

17、結(jié)果部分中的幾個發(fā)動機尺寸，以便說明該方法的效用。映射被縮放以匹配結(jié)果部分中的幾個發(fā)動機尺寸，以便說明該方法的效用。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 結(jié)果表明，無量綱圖可用于在一系列發(fā)動機模型上對渦輪增壓器壓縮機和渦輪機建模。使用本文所述的方法，在渦輪增壓起重要作用的控制研究中對發(fā)動機動力學(xué)建模所需的工作流程和工作量可以通過消除為每個發(fā)動機單獨適應(yīng)壓縮機和渦輪機數(shù)據(jù)的需要而減

21、少，而是匹配“ “通用”家庭通過選擇車輪直徑映射到發(fā)動機。 當(dāng)在一系列發(fā)動機尺寸上實施發(fā)動機模型時，用于縮放壓縮機和渦輪機的方法是有用的工具。 該方法用于將具有特定A / R比的家庭的單個裝置產(chǎn)生的無量綱壓縮機和渦輪機性能數(shù)據(jù)與從500kW到2.5MW的四個柴油機匹配。 結(jié)果表明，當(dāng)系列的圖被縮放以匹配發(fā)動機功率和排量時，壓縮機和渦輪機在發(fā)動機尺寸范圍內(nèi)類似地操作。 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