CN101476966A - 涡轮增压器漏气测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种涡轮增压器漏气测量装置，包括油气进入管，与该油气进入管相连的油气收集罐，安装于油气收集罐内的冷凝器，安装于油气收集罐上部的氧传感器，与油气收集罐相接的前排气管，安装于前排气管上的压力传感器和温度传感器，分别连接于前排气管和后排气管的气体流量计，润滑油排出管和后排气管。其中，油气进入管亦与涡轮增压器上润滑油出口相连接。且在该油气进入管上有压力调节阀；油气收集罐亦分别与前排气管、润滑油排出管连接；冷凝器一端连接一冷却进水管，另一端相接一冷却排水管。本发明优点在于，可通过对泄漏气体流量和氧含量的测量分析得到空气与燃气各自的泄漏量，为改进与优化设计增压器密封结构，提高增压器可靠性，提供了实验依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体泄漏测量装置和测量方法，尤其涉及一种涡轮增压器压缩空气与燃气动态泄漏测量装置和测量方法。
背景技术
涡轮增压器为双内支撑、双悬臂叶轮、外供润滑油轴承—转子系统结构，压气机和轴承体之间以及涡轮和轴承体之间均采用活塞环式机械密封，即分别密封空气、燃气向轴承体内渗漏和轴承体内润滑油向压气机端空气中、涡轮端燃气中泄漏。但是，由于涡轮增压器工作时，压气机端空气压力、涡轮端燃气压力与轴承体内润滑油压力一般不相等，因此，涡轮增压器压气机和轴承体之间以及涡轮和轴承体之间存在油气相互渗漏的现象。
虽然涡轮增压器的正常工作允许少量的压缩空气与燃气向轴承体内泄漏，但如果压气机端压缩空气泄漏量过大，则势必导致增压器增压压力下降；如果涡轮端燃气泄漏量过大，则亦会使涡轮做功能力降低、涡轮效率下降，总之两端的气体泄漏将使增压器的工作可靠性大大降低并最终导致增压器失效。
因此，测量与控制涡轮增压器的气体泄漏量对于保证其产品质量具有重要意义，此外，对于涡轮增压器产品结构设计也必须掌握两端的气体泄漏情况，以确保产品结构可靠性。
由于目前还无专门用于涡轮增压器工作状态下、即动态下的漏气量测量设备，增压器生产厂家也都没有进行这一检测，从而致使增压器的出厂性能得不到保证，部分增压器运转一段时间后存在泄漏较为严重的现象，导致增压器失效。
目前工业上通用的气体泄漏检测设备不能用于涡轮增压器的泄漏检测。一是因为涡轮增压器在实际工作状态下连续泄漏的气体与润滑油混合在一起排出增压器轴承体，必须对这些油气混合物进行冷却、分离后才能实施漏气量的测量。二是目前工业上的通用检漏设备都是用来检测极微小的气体泄漏量或无泄漏的情况，而涡轮增压器本身在正常工作状态下是允许有少量的气体泄漏量，并且该涡轮增压器需要准确检测泄漏量的大小，所以目前工业上通用检漏设备普遍存在量程不够，且无法准确显示泄漏流量大小等问题。
针对上述，国内目前存在有一种近似地检测涡轮增压器密封性能的设备，如增压器泄漏检测试验台，专利号02100418.8。其中，所述试验台所进行的增压器气体泄漏检查是在增压器不工作时、即在增压器静止状态下，检查增压器压气机端与涡轮端两个机械密封结构的压缩空气密封情况；这与增压器实际工作时、压气机端机械密封结构双向分别密封压缩空气与压力润滑油、涡轮端机械密封结构双向分别密封燃气与压力润滑油完全不同，因此，专利02100418.8所述的增压器泄漏检测试验台只是检测得到一种近似的增压器密封情况，而非真实的气体泄漏数值。
发明内容
鉴于上述问题，本发明之一目的在于提供一种可在涡轮增压器处在工作动态或模拟工作状态时，对所述涡轮增压器进行气体泄漏测量的漏气测量装置。
所述涡轮增压器漏气测量装置包括油气进入管、压力调节阀、油气收集罐、冷凝器、冷却进水管、氧传感器、前排气管、压力传感器、温度传感器、气体流量计、后排气管、冷却排水管以及润滑油排出管。其中，所述油气进入管一端与涡轮增压器轴承体上的润滑油出口相连接，另一端则是与油气收集罐相接，以将涡轮增压器排出的油气混合物进入油气收集罐；所述压力调节阀用以调节与控制增压器油气混合物的排出背压，其为安装于所述油气进入管上；所述油气收集罐为用以实现油气混合物的分离，其还分别与所述氧传感器、前排气管，润滑油排出管相连接；所述冷凝器为安装于油气收集罐内，其一端与冷却进水管，而另一端则是与冷却排水管连接；所述前排气管一端为相接于油气收集罐；所述压力传感器与温度传感器为安装在前排气管上；所述气体流量计为用以测量泄漏气体的流量，其两端分别与前排气管和后排气管相连；以及所述润滑油排出管为相接于所述油气收集罐。
本发明之另一目的在于提供一种可在涡轮增压器处在工作动态或模拟工作状态时，对所述涡轮增压器进行气体泄漏测量的方法。
所述涡轮增压器漏气测量方法包括以下步骤：
(1)通过压力调节阀对涡轮增压器的润滑油、空气以及燃气混合物的排放背压进行调节，使得其与压力设定值一致；
(2)对油气收集罐内润滑油液面是否处于正常位置以及冷却水是否处于循环状态进行检查，如若油气收集罐内润滑油液面处于正常位置以及冷却水处于循环状态，则开始对涡轮增压器漏气进行测量；
(3)根据氧传感器所测得的氧含量，计算分析空气与燃气各自在泄漏气体中所占的比例及含量；
(4)通过压力传感器、温度传感器、气体流量计以及氧传感器分别对泄漏气体的压力、温度和动态气体泄漏量进行测量，同时，根据该所测值得到泄漏气体的质量流量；
(5)根据压力传感器、温度传感器所测得的泄漏气体的压力、温度以及步骤(4)中得到质量流量，且通过折算公式将实际测量得到的参数按照标准环境予以折算，得到折合后的漏气质量流量值。
此外，步骤(4)还包括，当气体流量计为气体体积流量计时，则根据热力学公式以及所量测的压力、体积以及温度对泄漏气体的质量流量进行计算获取；当气体流量计为气体质量流量计时，则直接从该气体质量流量计中得到泄漏气体的质量流量。
其中，所述油气收集罐内润滑油液面的正常位置为油气收集罐内部空间高度的约三分之二处；
所述热力学公式为：
G漏气＝PaVa/RTa
式中：G漏气----漏气质量流量，Kg/S；
Pa----泄漏气体的压力；
Ta----泄漏气体的温度；
Va----泄漏气体的体积流量，m3/S；
R----气体常数。
所述折算公式为：
式中：G折合漏气——折合漏气质量流量，Kg/S；
T* a——试验时泄漏气体总温；
P* a——试验时泄漏气体总压；
T0＝273+t0℃(t0为环境大气温度摄氏度)。
标准环境状况：大气温度为298K(25℃)；压力为100KPa(760mmHg)。
相比现有技术，本发明所述涡轮增压器漏气测量装置及方法具有以下有益效果：
1)很方便对涡轮增压器动态进行气体泄漏检测试验，可测得涡轮增压器工作或模拟工作状态下的空气与燃气总泄漏量，为改进与优化设计增压器密封结构，提高增压器可靠性，提供实验依据。
2)通过测量泄漏气体中的氧气含量，可以分析得到空气与燃气各自的泄漏量，分析、判断增压器压气机端与涡轮端各自的密封状况，从而改进与优化设计压气机端或涡轮端的密封结构。
附图说明
图1为本发明所述涡轮增压器漏气测量装置的结构示意图；
图2为本发明所述涡轮增压器漏气测量方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施来对本发明所述涡轮增压器漏气测量装置及方法作进一步的详细说明。
本发明所述涡轮增压器漏气测量装置可在涡轮增压器处于工作状态(安装在发动机上)或者增压器处于模拟工作状态(增压器安装在试验台上、自循环试验状态)的运转状态时，对该涡轮增压器进行气体泄漏测量。
参见图1和图2中所示，所述涡轮增压器漏气测量装置包括油气进入管1，压力调节阀2，油气收集罐3，冷凝器4，冷却进水管5，氧传感器6、前排气管7，压力传感器8，温度传感器9，气体流量计10，后排气管11，冷却排水管12和润滑油排出管13。
其中，所述油气进入管1为用作涡轮增压器20排出的油气混合物进入油气收集罐3的通道，其一端与涡轮增压器20轴承体上润滑油出口相连接，另一端则是与油气收集罐3相接；所述压力调节阀2安装于油气进入管1上，且用以调节与控制涡轮增压器20油气混合物的排出背压；所述油气收集罐3接收自涡轮增压器20排出的润滑油、气混合物，其分别与氧传感器5、前排气管7，润滑油22排出管12相连接；所述冷凝器4安装于所述油气收集罐3内，且一端与冷却进水管5、另一端与冷却排水管12连接，从而接入循环冷却水对油气混合物进行冷却，以实现对油气混合物的分离；所述压力传感器8与温度传感器9为安装在所述前排气管7上，该所述前排气管7一端为相接于油气收集罐3，以排出自油气混合物中分离的气体；所述气体流量计10为用来测量泄漏气体21的流量，其两端分别与所述前排气管7和后排气管11连接；以及所述润滑油排出管13为用以排出润滑油22和保持润滑油22液面的高度，其相接于所述油气收集罐3。
于实际应用中，各种管路的连接均可采用工业领域通用的螺纹或法兰卡套式机械连接，所述冷凝器4可为工业领域通用的壳管式、板翅式或其它形式结构；以及所述气体流量计10可以为气体质量流量计或体积流量计。
此外，本发明所述的冷却进水管5用作冷却水进入通道(见图1中所示箭头A)，其可与本发明所述装置外的循环水路(图中未示)相连接；所述的氧传感器7用来测量泄漏气体21中的氧气含量；所述的压力传感器8用来测量泄漏气体21的压力；所述的温度传感器9用来测量泄漏气体21的温度；所述的后排气管11用来排除泄漏气体21(见图1中所示箭头B)；所述的冷却排水管12用来排出冷却水(见图1中所示箭头C)，其可与本发明所述装置外的循环水路相连接。
在所述油气收集罐3内装有润滑油22，且该所述油气收集罐3内润滑油22液面高度由润滑油排出管13安装的位置所决定。于实际应用中，所述润滑油排出管13内液面最高处处于油气收集罐3内部空间高度的约三分之二处，以保证油气收集罐3内润滑油22液面高度与润滑油排出管13内液面一致，从而保持油气收集罐3内气体空间容积稳定一致。
其中，所述油气收集罐3内且用于容纳泄漏气体的上部空间为经由前排气管7、气体流量计10和后排气管11而与大气环境相连通。
再参阅图1，当对涡轮增压器20进行气体泄漏测量时，所述涡轮增压器20内含有泄漏气体的润滑油、气混合物经由油气进入管1被导入油气收集罐3。其次，油气收集罐3内的润滑油22与泄漏的空气和燃气混合物被冷凝器4冷却后，进而实现了油气分离，即油凝固融入油气收集罐3下面的润滑油22中，泄露气体21则悬浮于油气收集罐3中的上部空间。
当油气收集罐3中的泄漏气体压力大于环境大气压力时，见图1，泄漏气体21经由前排气管7、压力传感器8、温度传感器9、气体流量计10以及后排气管11排向大气，同时，泄漏气体21的压力、温度、流量分别被压力传感器8、温度传感器9以及气体流量计10测量，从而亦实现了对涡轮增压器20动态泄漏气体21的漏气量测量。
另，在本发明中，所述油气收集罐3中泄漏气体21的氧气含量为由氧传感器6测量，通过分析泄漏气体21中氧气所占比例便可得到泄漏气体21中空气与燃气各自所占的比例。
此外，通过对压力调节阀2的调节，通过本发明所述装置亦可以分析研究背压对涡轮增压器润滑油与泄漏气体21混合物的排放影响。
当使用气体质量流量计测量气体泄漏量时，则可直接得到泄漏气体21的质量流量；当使用体积流量计测量气体泄漏量时，则配合利用压力传感器8、温度传感器9所测得的泄漏气体21压力与温度、按照热力学公式计算可得到泄漏气体21的质量流量。
由于在涡轮增压器工作时，压气机压缩后进入发动机气缸的空气质量G增压空气与发动机排出的废气质量G废气、发动机燃烧所消耗的燃料质量G燃料存在一定的数量关系，即：
G废气＝G增压空气+G燃料。
在发动机完全燃烧的情况下，废气中的氧含量为零，通过测量泄漏气体的氧气含量便可分析得到空气与燃气各自所占的比例，从而得到空气与燃气各自的泄漏量。
在发动机燃烧不完全的情况下，随空气进入发动机燃烧室中的氧气在高温下、极大部分与燃料中的碳元素C、空气中的氮元素N反应生成CO、NOX等物质，残余的氧气含量很少，即所排出的废气中含有很少的氧气，因此，通过泄漏气体21的氧气含量分析得到空气与燃气各自的泄漏量会产生一定的误差。
而解决上述问题的措施之一是：实施漏气测量时确认油气收集罐3中泄漏气体21的氧气含量为零，这可以通过调整发动机或试验台运行工况实现；二是经过一定量的试验获得氧含量与泄漏气体21中空气与燃气比例关系经验公式，用此来计算确定实际的漏气量；三是经过一定量的试验获得一定量(很少)的氧含量数值，该数值对泄漏气体21空气与燃气比例关系计算误差可以忽略不计。
由于在涡轮增压器20模拟工作中(增压器安装在试验台上、自循环试验状态)，增压器压气机压缩后进入试验台燃烧室的空气质量G增压空气、燃烧所消耗的燃料质量G燃料与燃烧室排出的、进入增压器涡轮的废气质量G废气存在的数量关系与上面所述关系完全一致，因此，同样可以测量得到空气与燃气各自的泄漏量。
结合上述，且参照图1和图2中所示，对涡轮增压器20泄漏气体21进行测量时，首先将所述压力调节阀2调节到适当位置，使得涡轮增压器20的润滑油、空气、燃气混合物的排放背压与测量时预定的压力一致(步骤200)；同时，对油气收集罐3内的润滑油22液面是否处于正常位置以及对冷却水是否处于循环状态进行检查确认，即，检查润滑油22液面是否处在该所述油气收集罐3内部空间高度的三分之二处以及冷却水是否有进有出，当润滑油22液面处于正常位置以及冷却水处于循环状态时则开始测量(步骤201和步骤202)，反之则不然。
见图1中所示，处于工作状态(安装在发动机上)或者处于模拟工作状态(涡轮增压器安装在试验台上、自循环试验状态)的涡轮增压器20，其压气机端与涡轮端泄漏进入轴承体内的空气和燃气与润滑油所形成的油气混合物为通过油气进入管1进入油气收集罐3中。
测量时，上述油气混合物在被冷凝器4冷却后，其中所包含的泄漏气体21便与润滑油分离，所述氧传感器6对该分离后的泄漏气体21的氧含量进行量测取值，进而通过计算分析获得空气与燃气各自在泄漏气体中所占的比例及含量(步骤203)。
当油气收集罐3中泄漏气体的压力大于环境大气压力时，则泄漏气体21便经前排气管7、压力传感器8、温度传感器9、气体流量计10和后排气管11排向大气，与此同时，所述压力传感器8、温度传感器9和气体流量计10对该所述泄漏气体21的压力、温度和动态气体泄漏量进行量测取值(步骤204)。
根据上述所测之泄漏气体21的压力、温度和动态气体泄漏量求的泄漏气体21的质量流量(步骤205)；
其中，当气体流量计10为气体体积流量计时，则根据上述所测泄漏气体的压力、温度和体积流量，且通过普通的热力学公式计算得出泄漏气体21的质量流量值。
该所述热力学公式为：
G漏气＝PaVa/RTa
式中：G漏气----漏气质量流量，Kg/S；
Pa----泄漏气体的压力；
Ta----泄漏气体的温度；
Va----泄漏气体的体积流量，m3/S；
R----气体常数。
而当气体流量计10为气体质量流量计时，则在本测量中可直接从气体质量流量计的显示仪表中观察到泄漏气体21的质量流量值G漏气。
此外，当实测(试验)环境状况有别于标准环境状况时，且为了对试验数据进行比较，则实际所测量得到的气体泄漏量应按照标准环境予以折算(步骤206)。
该所述折算的计算公式为：
式中：G折合漏气——折合漏气质量流量，Kg/S；
T* a——试验时泄漏气体总温；
P* a——试验时泄漏气体总压；
T0＝273+t0℃(t0为环境大气温度摄氏度)。
标准环境状况：大气温度为298K(25℃)；压力为100KPa(760mmHg)。
Claims (7)
1.一种涡轮增压器漏气测量装置，其特征在于，包括油气进入管，调节与控制增压器中润滑油与泄漏气体混合物之排放背压的压力调节阀，对润滑油与泄漏气体混合物进行收集的油气收集罐，对增压器排出并储存于油气收集罐内的润滑油、空气、燃气混合物进行冷却的冷凝器，冷却进水管，对氧含量进行测量的氧传感器，前排气管，对气体压力进行测量的压力传感器，对气体温度进行测量的温度传感器，对气体流量进行测量的气体流量计，后排气管，冷却排水管以及润滑油排出管；其中，所述油气进入管一端与涡轮增压器轴承体上的润滑油出口相连接，另一端则是与油气收集罐相接；所述压力调节阀为安装于所述油气进入管上；所述油气收集罐还分别与所述氧传感器、前排气管，润滑油排出管相连接；所述冷凝器一端与冷却进水管，而另一端则是与冷却排水管连接；所述前排气管一端为相接于油气收集罐；所述压力传感器与温度传感器为安装在前排气管上；所述气体流量计两端分别与前排气管和后排气管相连；以及所述润滑油排出管为相接于所述油气收集罐。
2.根据权利要求1所述涡轮增压器漏气测量装置，其特征在于，所述气体流量计为气体质量流量计。
3.根据权利要求1所述涡轮增压器漏气测量装置，其特征在于，所述气体流量计可为气体体积流量计。
4.一种涡轮增压器漏气测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过压力调节阀对涡轮增压器的润滑油、空气以及燃气混合物的排放背压进行调节，使得其与压力设定值一致；
(2)对油气收集罐内润滑油液面是否处于正常位置以及冷却水是否处于循环状态进行检查确认，如若油气收集罐内润滑油液面处于正常位置以及冷却水处于循环状态，则开始对涡轮增压器漏气进行测量；
(3)根据氧传感器所测得的氧含量，计算分析出空气与燃气各自在泄漏气体中所占的比例及含量；
(4)通过压力传感器、温度传感器、气体流量计以及氧传感器分别对泄漏气体的压力、温度和动态气体泄漏量进行测量，同时，根据该所测值求得泄漏气体的质量流量；
(5)根据压力传感器、温度传感器所测得的泄漏气体的压力、温度以及步骤(4)中得到质量流量，且通过折算公式将实际测量得到的参数按照标准环境予以折算，得到折合后的漏气质量流量值；
其中，所述油气收集罐内润滑油液面的正常位置为油气收集罐内部空间高度的约三分之二处；所述折算公式为：
式中：G折合漏气——折合漏气质量流量，Kg/S；
T* a——试验时泄漏气体总温；
P* a——试验时泄漏气体总压；
T0＝273+t0℃；
t0为环境大气温度摄氏度。
所述标准环境状况：大气温度为298K(25℃)；压力为100KPa(760mmHg)。
5.根据权利要求4所述涡轮增压器漏气测量方法，其特征在于，步骤(4)包括，当气体流量计为气体体积流量计时，则根据热力学公式以及所量测的压力、体积以及温度对泄漏气体的质量流量进行计算获取。
6.根据权利要求4所述涡轮增压器漏气测量方法，其特征在于，步骤(4)包括，当气体流量计为气体质量流量计时，则直接从该气体质量流量计中得到泄漏气体的质量流量。
7.根据权利要求5所述涡轮增压器漏气测量方法，其特征在于，
所述热力学公式为：
G漏气＝PaVa/RTa
式中：G漏气----漏气质量流量，Kg/S；
Pa----泄漏气体的压力；
Va----泄漏气体的体积流量，m3/S；
Ta----泄漏气体的温度；
R----气体常数。
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