发动机涡轮增压系统匹配及动态特性的仿真分析

论文摘要

涡轮增压是提高发动机动力性和改善经济性的最有效措施。高空环境条件对航空发动机提出了功率恢复的特殊要求,而增压技术是实现发动机高海拔功率恢复的重要措施。目前,国外小型航空活塞式发动机涡轮增压技术已经比较成熟,国内正在致力于这方面的研究。本文以ROTAX 914发动机为研究对象,对GT25涡轮增压器与发动机的匹配、JK48可变截面涡轮增压器与发动机的匹配以及涡轮增压控制系统的动态特性进行了研究。本论文在对发动机涡轮增压器进行选型的基础上,应用MATLAB/Simulink软件建立了GT25增压器与发动机匹配、JK48增压器与发动机匹配以及增压控制系统动态特性的仿真模型；研究了不同海拔下发动机与增压器的匹配规律。通过研究,确定了GT25增压器与发动机的匹配规律,建立了增压器放气阀开度随发动机转速和海拔高度变化的MAP图,分析了充量系数和过量空气系数对GT25增压器与发动机匹配规律的影响。对JK48可变截面涡轮增压器与ROTAX 914发动机的匹配规律进行了仿真研究。确定了JK48增压器与发动机的匹配规律,建立了叶片转角随发动机转速和海拔高度变化的MAP图,讨论了涡轮效率、涡轮流量系数以及发动机充量系数等因素对JK48可变截面涡轮增压器与发动机匹配的影响。对涡轮增压控制系统的动态特性进行了仿真研究；结果表明,在一定的负载转动惯量下,控制系统具有较好的动态响应特性、准确性和稳定性。研究了控制算法对增压控制系统动态特性的影响,比较了普通PID和积分分离PID算法下控制系统的动态特性。通过研究,确定了负载转动惯量对增压控制系统性能的影响规律。研究结果可以为我国四冲程活塞式航空发动机研发过程中涡轮增压器的选型、增压器与发动机的匹配以及涡轮增压控制系统的设计等提供一定的分析依据。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 涡轮增压技术的发展和应用
• 1.2.2 增压控制技术的研究现状
• 1.2.3 航空活塞式发动机涡轮增压技术的现状
• 1.3 研究内容和意义
• 2 涡轮增压器与发动机匹配模型的建立
• 2.1 Matlab/Simulink软件及其功能
• 2.2 涡轮增压器模型
• 2.2.1 压气机模型
• 2.2.2 涡轮模型
• 2.2.3 流体物性参数计算模型
• 2.3 发动机平均值模型
• 2.4 放气调节阀模型
• 2.5 中冷器模型
• 2.6 发动机与涡轮增压器匹配模型的建立
• 2.7 建模过程中存在问题及解决方法
• 2.7.1 压气机和涡轮特性曲线的处理
• 2.7.2 Simulink代数循环的解决方法
• 2.8 发动机模型的验证
• 2.9 本章小结
• 3 废气放气涡轮增压器与发动机匹配特性与规律的研究
• 3.1 航空发动机的工况
• 3.2 废气放气涡轮增压器的选型
• 3.3 涡轮增压器与发动机的匹配特性及分析
• 3.3.1 发动机与压气机的匹配
• 3.3.2 发动机与涡轮的匹配
• 3.3.3 压气机与涡轮的匹配
• 3.3.4 发动机与增压器的匹配
• 3.4 基于模型的匹配规律研究
• 3.4.1 想进气压力及压气机增压比随海拔变化的规律
• 3.4.2 压气机出口温度和发动机进气温度随海拔变化规律
• 3.4.3 压气机增压比和涡轮膨胀比
• 3.4.4 放气阀开度随海拔的变化规律
• 3.4.5 放气阀开度随发动机转速的变化规律
• 3.4.6 充量系数对匹配的影响
• 3.4.7 过量空气系数对匹配的影响
• 3.4.8 放气阀开度MAP图
• 3.5 本章小结
• 4 可变截面涡轮增压器与发动机匹配规律的研究
• 4.1 匹配增压器的选型
• 4.2 匹配模型的建立
• 4.2.1 可变喷嘴环模型
• 4.2.2 JK48增压器和压气机的匹配模型
• 4.3 基于模型的可变截面涡轮增压器与发动机匹配规律的研究
• 4.3.1 压气机增压比和涡轮膨胀比
• 4.3.2 涡轮喷嘴叶片转角随海拔变化规律
• 4.3.3 涡轮喷嘴叶片转角随发动机转速变化规律
• 4.3.4 涡轮效率对匹配规律的影响
• 4.3.5 涡轮流量系数对匹配规律的影响
• 4.3.6 充量系数对匹配规律的影响
• 4.3.7 涡轮喷嘴叶片转角MAP图
• 4.4 本章小结
• 5 涡轮增压控制系统动态特性仿真研究
• 5.1 执行机构方案设计及步进电机选型
• 5.1.1 执行机构方案设计
• 5.1.2 步进电机选型
• 5.2 控制系统的动力学模型
• 5.2.1 步进电动机
• 5.2.2 废气调节阀
• 5.2.3 系统传递函数
• 5.3 PID控制器设计
• 5.3.1 PID控制器的基本原理
• 5.3.2 数字PID控制算法
• 5.3.3 积分分离PID控制算法
• 5.3.4 基于稳定边界法的PID控制器参数的计算
• 5.4 位置反馈控制系统的仿真及分析
• 5.4.1 增压器位置反馈控制系统建模
• 5.4.2 闭环系统时域分析
• 5.4.3 开环系统频域分析
• 5.4.4 积分分离PID控制在控制系统中的应用研究
• 5.4.5 负载转动惯量对控制系统动态性能的影响
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 6.1 主要工作及结论
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 附录A Embedded Matlab Function程序
• 附录B 涡轮流量及膨胀比计算程序
• 附录C 稳定边界法PID参数求解程序及步骤
• 附录D 斜坡误差常数求解过程
• 作者简历
• 学位论文数据集