潘鐘鍵，鄒湘伏,2，周志東

(1.山河智能裝備股份有限公司 國家級企業(yè)技術中心，長沙 410100) (2.中南大學 機電工程學院，長沙 410083)

某航空活塞發(fā)動機機械增壓器旁通閥門啟閉特性分析

潘鐘鍵1，鄒湘伏1,2，周志東1

(1.山河智能裝備股份有限公司 國家級企業(yè)技術中心，長沙 410100) (2.中南大學 機電工程學院，長沙 410083)

機械增壓器現(xiàn)已在汽車發(fā)動機上得到了廣泛應用，但其在航空活塞發(fā)動機上的應用和研究較少。分析機械增壓器的工作過程，在簧片閥模型的基礎上，考慮旁通閥門啟閉壓力與渦輪增壓器壓比之間的線性關系并對其建模；搭建某型航空活塞發(fā)動機GT-POWER數(shù)值仿真模型并進行實驗驗證，在整機模型的基礎上，研究不同轉速下通過旁通閥門的質量流率以及不同高度下旁通閥門的通流面積。結果表明：巡航工況下，海拔2 680 m時閥門關閉；起飛工況下，海拔3 000 m閥門關閉，該結果可為發(fā)動機實際高空飛行提供理論支持。

航空活塞發(fā)動機；機械增壓器；旁通閥門；質量流率；通流面積

0 引 言

航空活塞發(fā)動機是輕型飛機、長航時無人機的動力單元。隨著飛行高度的不斷增加，渦輪增壓技術也在飛機發(fā)動機上得到了越來越多的應用[1]。而機械增壓器由于其動態(tài)響應好，在低速下也可獲得增壓效果，現(xiàn)已在汽車及船舶發(fā)動機上得到了較多應用并逐漸推廣[2-3]，但關于將機械增壓器應用于航空活塞發(fā)動機的研究仍較少。劉厚根等[4]、K.Ilie等[5]和尹紫恒[6]分別研究了羅茨機械增壓器的響應特性并對其加工工藝進行了改進，對旁通閥門開啟與油耗的關系進行了研究；潘鐘鍵等[7-8]對復合增壓技術在航空活塞發(fā)動機上的應用進行了理論分析，研究了機械增壓器對發(fā)動機性能的影響；A.Romagnoli等[9]、A.P.Carlucci等[10]和P.Mahendra等[11]分別對機械增壓器的進氣系統(tǒng)和增壓特性開展研究，并進行了實驗驗證。

隨著通航市場的逐步開放，增大了對航空活塞發(fā)動機的需求。 由于人們對升限的不斷追求，機械增壓器在航空活塞發(fā)動機上的應用也得到了越來越多的關注，但目前大多數(shù)活塞發(fā)動機均采用一級渦輪增壓，并未采用復合增壓技術來提高升限。因此，本文首先建立某型航空發(fā)動機的數(shù)值仿真模型，通過實驗驗證模型的準確性，并以該模型為基礎，研究某復合增壓發(fā)動機機械增壓器旁通閥門的啟閉特性，以期為提高航空活塞發(fā)動機升限、進行后續(xù)的增壓分析提供參考和借鑒。

1 機械增壓器結構與工作原理

某型航空活塞發(fā)動機采用復合增壓方式(渦輪增壓和機械增壓)，其羅茨式機械增壓器結構如圖1所示，在進氣口處有旁通閥門，增壓器內部有一對轉子，由曲軸帶動皮帶輪驅動轉子進行增壓，在增壓器底部有增壓后的空氣出氣口，最右端是皮帶輪，由發(fā)動機驅動直接轉動，機械增壓器的工作原理如圖2所示。

當飛機起飛或者高速巡航時，前端渦輪增壓器產(chǎn)生的進氣壓力較高，高壓氣體直接將旁通閥門打開，此時旁通閥門開啟，空氣直接進入掃氣箱，曲軸帶動機械增壓器空轉，機械增壓器內部的轉子不做功；當發(fā)動機轉速低或者飛機處于高海拔飛行時，渦輪增壓器產(chǎn)生的進氣壓力較低，壓縮空氣不足以打開旁通閥門，此時旁通閥門關閉，機械增壓器內部的轉子對進入的空氣進行二次增壓，以增加進入氣缸的燃燒工質。

2 發(fā)動機數(shù)學模型的建立

某型發(fā)動機是一款V型布局的壓燃式航空活塞發(fā)動機，其結構緊湊，和同功率發(fā)動機相比，重量較輕、功重比高；和同級別發(fā)動機相比，具有較低的燃油消耗率，渦輪增壓與機械增壓串聯(lián)，高空性能優(yōu)異，在5 000 m高空仍可維持最大起飛功率。該型發(fā)動機的相關參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機參數(shù)

GT-POWER是符合發(fā)動機工業(yè)標準的模擬仿真軟件，現(xiàn)已被世界上多數(shù)發(fā)動機和汽車制造廠家及供應商應用，涵蓋了發(fā)動機本體、驅動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、曲軸機構、配氣機構等六方面。GT-POWER軟件具有強大的輔助建模前處理工具，自帶豐富的燃燒模型和優(yōu)化設計功能，可直接優(yōu)化發(fā)動機主要系統(tǒng)，是發(fā)動機仿真分析的重要工具。

旁通閥門采用機械彈簧結構來實現(xiàn)啟閉，由進氣壓力的大小控制閥門的開合。建模過程中，在軟件自帶的簧片閥模型基礎上，通過改變開啟力和通流面積的對應關系，模擬旁通閥門的啟閉。開啟力由前級渦輪增壓器提供，閥門兩側的壓力差與閥門面積之間通過計算可以轉化成閥門表面上的作用力，因此需要充分考慮前級渦輪增壓壓比與閥門開啟之間的線性關系。在簡易實驗臺上進行實驗，用彈簧秤勾住閥門，記錄彈簧秤讀數(shù)、旁通閥門的開啟程度以及流通面積，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。雖然閥門的開啟作用力較小，但在實際工作過程中，需要渦輪增壓器提供足夠的進氣壓力才能形成一定的壓差以打開閥門。

表2 閥門開啟實驗數(shù)據(jù)

將旁通閥門實驗的多組數(shù)據(jù)、發(fā)動機其他實測數(shù)據(jù)和廠商提供的設計參數(shù)，輸入到發(fā)動機模型中，對部分參數(shù)進行調試校核，建立該發(fā)動機的GT-POWER一維仿真物理模型，如圖3所示。

在發(fā)動機實驗臺架上對本文所建立的發(fā)動機模型進行測試，繪制其萬有特性曲線，記錄不同轉速下的發(fā)動機扭矩，實驗值與模擬值的對比如圖4所示，可以看出：最大誤差在5%以內，表明所建立的模型具有一定的準確性，可在該模型的基礎上進行后續(xù)研究。

3 旁通閥門啟閉特性分析

應用上文建立的發(fā)動機模型，研究旁通閥門開啟特性與轉速、爬升高度之間的關系。通過對機械增壓器工作原理的分析可知，旁通閥門的開啟與否直接影響發(fā)動機是否需要進行二次增壓。在發(fā)動機整機GT-POWER建模中，采用簧片閥單元對旁通閥門建模，輸入開啟力與通流面積的對應參數(shù)。通過數(shù)值模擬，得到不同轉速下旁通閥門質量流率曲線，如圖5所示。

從圖5可以看出：閥門的開啟時刻與發(fā)動機轉速、飛行高度等參數(shù)有關，發(fā)動機轉速低時，渦輪增壓器的效果不能充分體現(xiàn)，旁通閥門兩側的壓差不足以打開閥門，此時流經(jīng)閥門的空氣質量流率幾乎為0，而模擬所得的數(shù)據(jù)在低速時有少量空氣流通，原因是發(fā)動機振動以及某一時刻的壓力波動導致閥門輕微開啟；當發(fā)動機轉速在1 200～1 900 r/min時，空氣質量流率以5 g/s左右的速度流經(jīng)閥門，可以認為閥門沒有開啟，即當發(fā)動機轉速為1 900 r/min及以下時，流經(jīng)閥門的空氣質量流率很小，表明此時閥門沒有打開；而當發(fā)動機轉速升至2 000 r/min及以上時，流經(jīng)閥門的空氣質量流率逐漸增大，且隨著轉速的增加，閥門開啟量突變，當轉速為2 200 r/min時，閥門幾乎全部打開，表明此時機械增壓器不起增壓效果，空氣經(jīng)渦輪增壓器增壓后直接流經(jīng)旁通閥門進入掃氣箱，而后進入汽缸。

不同轉速對應不同的飛行工況。通常，發(fā)動機最大轉速對應起飛工況；空中巡航時，根據(jù)油耗、飛行速度等多種指標確定發(fā)動機轉速，該轉速值可以為一個區(qū)間，本文所指巡航工況以飛行速度為指標，定義2 400 r/min為飛機的巡航工況。對不同轉速下旁通閥門的開啟特性進行仿真，研究飛行高度與旁通閥門流通面積的關系，如圖6所示。選擇發(fā)動機轉速為2 300 r/min開始進行模擬，確保在該轉速下，地面工況條件旁通閥門正常開啟。

從圖6可以看出：①當飛行高度在1 800 m以下時，發(fā)動機機械增壓器旁通閥門通流面積約為0.46×10-2m2，表明渦輪增壓器提供的進氣壓力足以打開機械增壓器的旁通閥門；繼續(xù)提升飛行高度，旁通閥門的通流面積急劇下降，在2 600 m時通流面積接近于0，表明此時旁通閥門已經(jīng)關閉，機械增壓器內部轉子開始工作，對進氣進行二次增壓。②當發(fā)動機轉速分別為2 400和2 500 r/min時，旁通閥門的關閉時間隨飛行高度的增加而有所延遲，轉速為2 400 r/min時，飛行高度為2 680 m時旁通閥門關閉，轉速為2 500 r/min時，飛行高度為2 850 m左右時旁通閥門關閉；③當發(fā)動機轉速為2 600 r/min時，在飛行高度為3 000 m時旁通閥門關閉，表明在較高轉速下，機械增壓器起到二次增壓效果，在高海拔環(huán)境下，能夠提供足夠的進氣壓力。綜上所述，隨著發(fā)動機轉速的升高，旁通閥門的開啟時間有所延遲。

對不同飛行高度下的功率進行記錄分析，如圖7所示。

從圖7可以看出：渦輪增壓能夠滿足一定高海拔條件下的飛行，僅渦輪增壓在海拔3 300 m左右仍能保證100%的功率，而復合增壓能在海拔5 000 m左右維持發(fā)動機最大功率，表明復合增壓技術在高海拔條件下能夠很好地提升發(fā)動機性能，機械增壓器旁通閥門對發(fā)動機的高空功率恢復起到了良好效果。

4 結 論

本文分析了某型航空發(fā)動機機械增壓器旁通閥門的開啟過程，在此基礎上搭建了其數(shù)值仿真模型，通過實驗臺架驗證了模型的準確性；在該模型的基礎上研究旁通閥門的開啟特性。

巡航工況下，飛行高度為2 680 m時，機械增壓器旁通閥門關閉，機械增壓器二次增壓。起飛工況下，飛行高度為3 000 m時，機械增壓器起到二次增壓效果。旁通閥門的啟閉對高空狀況下飛機發(fā)動機的功率恢復具有較大影響。

[1] 徐斌，譚龍興，楊世春, 等. 航空活塞發(fā)動機使用升限分析[J]. 北京航空航天大學學報， 2013, 39(12)： 1568-1572.

Xu Bin, Tan Longxing, Yang Shichun, et al. Analysis of service ceiling on piston aero-engine[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2013, 39(12)： 1568-1572.(in Chinese)

[2] Sakellaridis N F, Raptotasios S I, Antonopoulos A K, et al. Development and validation of a new turbocharger simulation methodology for marine two stroke diesel engine modelling and diagnostic applications[J]. Energy, 2015, 91: 952-966.

[3] 劉厚根. 機械增壓器的研究現(xiàn)狀與開發(fā)建議[J]. 車用發(fā)動機， 2004(5)： 1-3.

Liu Hougen. Study status and development suggestion of supercharger[J]. Vehicle Engine, 2004(5): 1-3.(in Chinese)

[4] 劉厚根， 秦貞國， 吳元興. 基于CFD的機械增壓器進、排氣口的結構優(yōu)化[J]. 機械設計， 2016， 33(7)： 49-53.

Liu Hougen， Qin Zhenguo， Wu Yuanxing. Structure optimization of inlet/outlet of supercharger based on CFD[J]. Journal of Machine Design, 2016， 33(7)： 49-53.(in Chinese)

[5] Ilie K， Subic A. Parametric modelling of helical rotors for efficient design of twin-screw superchargers[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 2007, 221(2)： 267-272.

[6] 尹紫恒. 機械增壓器旁通閥控制方式與油耗及試驗研究[J]. 內燃機與配件， 2014(5): 1-5.

Yin Ziheng. Research and the fuel consumption and the test valve to control the mechanical supercharger bypass[J]. Internal Combustion Engine amp; Parts, 2014(5): 1-5.(in Chinese)

[7] 潘鐘鍵， 何清華， 張祥劍. 活塞航空發(fā)動機復合增壓技術仿真分析[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2014, 35(12)： 1543-1547.

Pan Zhongjian, He Qinghua, Zhang Xiangjian. Simulation analysis of composite supercharging technology of aircraft piston engines[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2014, 35(12)： 1543-1547.(in Chinese)

[8] Pan Zhongjian, He Qinghua, Zhang Xiangjian, et al. Numerical simulation of 2-stroke diesel engine for light aircraft[J]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2015, 30(3): 4-10.

[9] Romagnoli A, Vorraro G, Rajoo S, et al. Characterization of a supercharger as boosting amp; turbo-expansion device in sequential multi-stage systems[J]. Energy Conversion and Management, 2017, 136(3): 127-141.

[10] Carlucci A P, Ficarella A, Laforgia D, et al. Multiobjective optimization of the breathing system of an aircraft two stroke supercharged diesel engine[J]. Energy Procedia, 2015, 82(5): 31-37.

[11] Mahendra P, Olsen M G. Unsteady velocity field measurements at the outlet of an automotive supercharger using particle image velocimetry(PIV)[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2009, 33(3): 405-423.

潘鐘鍵(1983-)，男，博士，工程師。主要研究方向：航空活塞發(fā)動機性能模擬。

鄒湘伏(1975-)，男，博士，講師。主要研究方向：輕型航空器氣動分析。

周志東(1989-)男，工程師。主要研究方向：航空活塞發(fā)動機性能分析。

(編輯：馬文靜)

AnalysisofBypassValveOpeningandClosingCharacteristicsforSuperchargeinAviationPistonEngine

Pan Zhongjian1, Zou Xiangfu1,2, Zhou Zhidong1

(1.National Certified Enterprise’s Technical Center, Sunward Intelligent Equipment Co., Ltd., Changsha 410100, China) (2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Supercharger is widely used in vehicle engines because of its good response characteristics while the application in aircraft piston engines is still very rare. The working process of the supercharger is analyzed, and considering the linear relationship between the opening and closing pressure of the bypass valve and the turbocharger pressure ratio, the supercharger is modeled on the basis of the reed valve model. The GT-POWER numerical simulation model of a certain type of air piston engine is established and verified. Based on the whole model, the mass flow rate of the bypass valve and the flow area of the bypass valve at different heights are studied. The results show that under the cruise condition, the valve is closed at 2 680 m above sea level, and the valve is closed at 3 000 m above sea level under taking off condition, which provides the theoretical basis for the actual high altitude flight of the engine.

air piston engine; supercharger; bypass valve; mass flow rate; flow area

2017-06-16；

2017-09-06

湖南省科技廳重點研發(fā)計劃國際與區(qū)域科技合作項目(2016WK2032)

鄒湘伏,xfzou32@126.com

1674-8190(2017)04-438-06

V234

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.04.011