CN102748123A - 航空活塞发动机涡轮增压器防喘振控制装置 - Google Patents

航空活塞发动机涡轮增压器防喘振控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及航空活塞发动机涡轮增压器的防喘振控制装置，包括流量调节阀、负压调节电磁阀、真空源、电子控制器，所述流量调节阀通过负压管与负压调节电磁阀相连，所述负压调节电磁阀通过信号线与电子控制器相连，所述负压调节电磁阀通过管路与真空源连接。所述流量调节阀包括阀盖、柱塞、复位弹簧和垫片。所述阀盖的一端接负压管，另一端安装柱塞，柱塞可在阀盖中滑动。所述复位弹簧的一端压在阀盖下端，另一端压在柱塞上。所述垫片固定在柱塞下端。所述柱塞中空，并在靠近垫片的一端留有节流孔。本发明控制精确、工作可靠，能够有效避免涡轮增压器喘振。

Description

航空活塞发动机涡轮增压器防喘振控制装置
技术领域
本发明涉及航空活塞发动机涡轮增压技术，具体涉及到航空活塞发动机涡轮增压器的防喘振技术。
背景技术
航空活塞发动机广泛应用于小型军民用航空飞行器，包括小型通用飞机、军用或民用无人机等，并朝着中高空长航时的方向发展。随着飞行海拔高度升高，大气压力下降，空气密度减小，空气中含氧量降低,平均气温下降，这些环境条件对飞机发动机提出了特殊的要求。特殊环境对内燃机动力性和经济性产生一定影响：过量空气系数下降，动力性能和经济性能变差，热负荷增加；空气密度低，冷却***散热能力下降，冷却水沸点降低使得热负荷增加。对于高空作业的飞机来说，需要采用增压技术对发动机进行功率恢复。
废气涡轮增压器广泛应用于航空活塞发动机增压。涡轮增压器的基本原理是：压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器，排气冲程排出高能量废气，推动涡轮转动，而涡轮与压气机为同轴设计，这样涡轮转动的同时就会带动压气机转动，进而实现进气增压。涡轮增压器的质量和尺寸相对发动机而言都很小，增压可以使发动机在总质量和总体积基本不变的条件下，输出功率得到提高，高空稀薄空气条件下功率得到恢复。
压气机是废气涡轮增压器的重要组成部分，空气经过压气机的进气道，以一定的初速度进入压气机的叶轮，在叶轮通道内吸收机械能，使压力和速度有较大提高，进入扩压器后压力进一步升高，达到增压的目的。在一定的转速下，当压气机的气体流量减小到一定程度时，气体就会在叶轮或者扩压器入口处出现边界层分离现象，导致气体回流。分离涡流迅速扩展到压气机通道的其他部分，气流出现强烈的振荡，引起工作轮叶片的强烈振动，并产生很大的噪声，这一现象称为压气机的喘振。把出现喘振的工作点称为喘振点，对应的流量称为喘振流量，每一个转速下都有一个喘振点。喘振属于压气机的不稳定工作现象，在实际工作中应避免喘振的发生。但与此同时，压气机的高效率点却在喘振点附近，希望压气机工作在高效率区。因此，使压气机工作范围宽广，效率高，避免喘振，是涡轮增压器设计的重点内容之一。
避免压气机喘振的一种有效措施是设置增压器喘振控制装置。在没有增压器喘振控制装置的情况下，通过压气机的空气流量与发动机所需进气流量相等，当压气机工作在某一转速下时，若发动机所需进气流量过小，有可能导致压气机发生喘振。如果设置增压器喘振控制装置，通过压气机的空气流量不必与发动机所需进气流量相等。当压气机工作在某一转速下时，若发动机所需进气流量过小，有可能导致压气机发生喘振时，通过增压器喘振控制装置放掉从压气机流出的一部分空气流量，这样既避免了压气机发生喘振，也满足了发动机的流量需求。
航空活塞发动机工作环境变化宽广，可靠安全要求苛刻，需要增压器喘振控制装置控制精确、工作可靠，同时要求结构简单，体积重量小。但现有增压器喘振控制装置难以同时满足这些要求。如专利号97244289.8的涡轮增压器防喘振阀，结构较为复杂，拆装难度较高。申请号200720050229.1的防喘振阀，结构虽进一步简化，但难以实现精确控制。申请号201010550599.8的防喘振装置，采用了比例阈值控制方式，但放气阀只包括开启状态和闭合状态，难以实现精确的连续调节。
发明内容
本发明的目的在于针对现有涡轮增压器喘振控制装置的不足，提供一种航空活塞发动机涡轮增压器防喘振控制装置。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
航空活塞发动机涡轮增压器防喘振控制装置，包括流量调节阀、负压调节电磁阀、真空源、电子控制器，所述流量调节阀通过负压管与负压调节电磁阀相连，所述负压调节电磁阀通过信号线与电子控制器相连，所述负压调节电磁阀通过管路与真空源连接。
所述流量调节阀包括阀盖、柱塞、复位弹簧和垫片。所述阀盖的一端接负压管，另一端安装柱塞，柱塞可在阀盖中滑动。所述复位弹簧的一端压在阀盖下端，另一端压在柱塞上。所述垫片固定在柱塞下端。所述柱塞中空，并在靠近垫片的一端留有节流孔。
所述负压调节电磁阀有两个气动接口，其一接口通过负压管与所述流量调节阀相连，另一气动接口通过管路与所述真空源连接。
所述流量调节阀具有柱塞位置信号输出端口，所述柱塞位置信号输出端口与电子控制器相连，实现反馈调节。
所述流量调节阀安装在进气管和出气管之间，所述进气管连接压气机出气口，所述出气管连接压气机进气道。
通过调整负压调节电磁阀的脉宽调制驱动信号的脉冲占空比，改变负压管与真空源的接通时间及由所述节流孔进入负压管的空气量，从而改变所述负压管真空度，改变所述柱塞的位置，达到精确连续调节从所述进气管进入到所述出气管气体流量的目的。
所述真空源为发动机现有真空源，如发动机真空泵。
附图说明
图1为本发明的航空活塞发动机涡轮增压器防喘振控制装置结构示意图。
图2为本发明的流量调节阀剖视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明做更详细的描述。
如图1所示，本发明航空活塞发动机涡轮增压器防喘振控制装置，包括流量调节阀1、负压调节电磁阀3、真空源4和电子控制器5构成，流量调节阀1通过负压管2与负压调节电磁阀3相连，负压调节电磁阀3通过信号线6与电子控制器5相连，负压调节电磁阀3通过管路与真空源4连接。
如图2所示，流量调节阀1包括阀盖11、柱塞12、复位弹簧14和垫片13。阀盖11的一端接负压管2，另一端安装柱塞12，柱塞12可在阀盖11中滑动。复位弹簧14的一端压在阀盖11下端，另一端压在柱塞12上。垫片13固定在柱塞12下端。柱塞12中空，并在靠近垫片13的一端留有节流孔15。
进气管8连接压气机出气口，出气管9连接压气机进气道。因此，在增压器运行时，进气管8中的气体压力高于出气管9中的气体压力。进气管8和出气管9之间设置流量调节阀1。
负压调节电磁阀3有两个气动接口，其中一个接口通过负压管2与流量调节阀1相连，另一气动接口通过管路与所述真空源4连接。负压调节电磁阀3的控制线圈与电子控制器5相连。
当负压管2与真空源4不接通时，节流孔15两侧不存在压差，柱塞12在复位弹簧14的压力作用下，克服进气管8和出气管9之间压差，将垫片13压紧在进气管8上，进气管8中的气体将不能通过负压调节电磁阀3进入到出气管9中。即压气机的空气流量将全部进入发动机。
当负压管2与真空源4接通时，由于进气管8中的气体压力高于真空源4的压力，进气管8中的气体将通过柱塞12端部的节流孔15流入到负压管2。由于节流孔15的节流作用，节流孔15两侧存在压差，并且压力方向与复位弹簧的的压力作用方向相反。当节流孔15两侧的压差增加到一定程度时，就会克服复位弹簧14的压力作用，使垫片13脱离进气管8，进气管8中的气体将通过负压调节电磁阀3进入到出气管9中。即压气机的空气流量将部分进入发动机，实现流量调节的作用。
调整负压调节电磁阀3的脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)驱动信号的脉冲占空比，可以改变负压管2与真空源4的接通时间，负压管2与真空源4的接通时间越长，负压管2中的压力越低，节流孔15两侧的压差越大，柱塞12的开启程度越大，进气管8进入到出气管9的气体流量越大。反之亦然。这样，通过调节PWM驱动信号的占空比，可以达到连续调节流量的目的。
流量调节阀1具有柱塞位置信号输出端口7，柱塞位置信号输出端口7与电子控制器5相连，柱塞位置信号输出端口7将柱塞位置信号输送给电子控制器5，实现反馈调节。电子控制器5根据柱塞位置信号和PWM驱动信号实现闭环控制，实现精确控制。
与现有技术相比，本发明控制精确、工作可靠，能够有效避免涡轮增压器喘振。

Claims (5)

1.一种航空活塞发动机涡轮增压器防喘振控制装置，包括流量调节阀、负压调节电磁阀、真空源、电子控制器，其特征在于，所述流量调节阀安装在进气管和出气管之间，所述进气管连接压气机出气口，所述出气管连接压气机进气道，所述流量调节阀通过负压管与负压调节电磁阀相连，所述负压调节电磁阀通过信号线与电子控制器相连，所述负压调节电磁阀通过管路与真空源连接，通过改变负压管与真空源的接通时间，达到精确连续调节从所述进气管进入到所述出气管气体流量的目的。
2.根据权利要求1所述的航空活塞发动机涡轮增压器防喘振控制装置，其特征在于，所述流量调节阀包括阀盖、柱塞、复位弹簧和垫片，所述阀盖的一端接负压管，另一端安装柱塞，柱塞可在阀盖中滑动，所述复位弹簧的一端压在阀盖下端，另一端压在柱塞上，所述垫片固定在柱塞下端，所述柱塞中空，并在靠近垫片的一端留有节流孔。
3.根据权利要求2所述的航空活塞发动机涡轮增压器防喘振控制装置，其特征在于，所述流量调节阀具有柱塞位置信号输出端口，所述柱塞位置信号输出端口与电子控制器相连，实现反馈调节。
4.根据权利要求23中任一项所述的航空活塞发动机涡轮增压器防喘振控制装置，其特征在于，通过调整负压调节电磁阀的脉宽调制驱动信号的脉冲占空比，改变从所述节流孔进入所述负压管的空气量，进而改变所述柱塞位置。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的航空活塞发动机涡轮增压器防喘振控制装置，其特征在于，所述真空源为发动机真空泵。
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