CN101793619A

CN101793619A - 基于自循环方式的双燃烧室双增压器低周疲劳试验台

Info

Publication number: CN101793619A
Application number: CN 201010122948
Authority: CN
Inventors: 马朝臣; 于述亮
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2010-08-04

Abstract

本发明涉及一种基于自循环方式的双燃烧室双增压器低周疲劳试验台，属于动力机械技术领域。本发明的增压器低周疲劳试验台应用自循环原理，启动工作时，先由外气源给燃烧室供气，当增压器稳态运转后，关闭外气源，涡轮与压气机形成自循环，大大减少对电力的依靠和消耗，仅仅需要一定量的燃油；同时也降低了低周疲劳试验对压缩空气的要求，进而降低了对空气压缩机的要求。通过采用两个燃烧室分别向两个增压器的涡轮提供气流，流量分配阀移装在燃烧室之前的手段，使得双增压器低周疲劳试验台实现增压器进气温度不同，进而改变低周疲劳试验需要的机械负荷和热负荷，且流量分配阀的材料耐高温要求降低，性价比高。

Description

基于自循环方式的双燃烧室双增压器低周疲劳试验台

技术领域

本发明涉及一种基于自循环方式的双燃烧室双增压器低周疲劳试验台，属于动力机械技术领域。

背景技术

在内燃机的发展历程中，涡轮增压技术的应用在提高内燃机的比功率和燃油经济性、降低排放等方面发挥了重要的作用，被誉为内燃机发展史上的重要里程碑。伴随着增压器在内燃机上的广泛应用，由增压器故障造成的整个发动机的故障和损坏事件越来越多，因此，提高增压器零件的可靠性，优化增压器零件的设计，提高增压器疲劳寿命成为现阶段增压器研究的重点之一。国内在实验室中对增压器疲劳开展了一些基础技术研究工作，但与国际先进水平相比存在一定差距，尤其在车用涡轮增压器低周疲劳设计、试验等方面差距较大。

低周疲劳与高周疲劳：在估算疲劳寿命时，需要利用反映材料基本疲劳强度特性的S-N曲线。在S-N曲线上，以10⁴次(有的为10⁵)作为高、低周疲劳的分界点，高于10⁴次的称为高周疲劳，低于10⁴次的称为低周疲劳。把金属的疲劳现象分成高周疲劳和低周疲劳是有实际意义的。因为在低周疲劳与高周疲劳中，材料会显示出不同的性质。在低应力高周疲劳情况下，材料的应力应变关系是线性的。在高应力低周疲劳情况下，材料会出现宏观的屈服，应力应变关系不再是线性的了。对低周疲劳问题的研究，在工程中有着很大的实际意义，具体到涡轮增压器的压气机叶轮和涡轮叶轮，其寿命主要取决于压气机叶轮与涡轮叶轮的低周疲劳寿命。因此，通过增压器低周疲劳试验得到增压器的低周疲劳寿命具有重要的现实意义。

传统的增压器低周疲劳试验主要采用外气源不断输入压缩空气，经过燃烧室喷油点火燃烧后驱动增压器进行，这种方式需要消耗大量的压缩空气。由于低周疲劳试验耗时长，通常为几百个小时，一次低周疲劳试验将耗费大量电力。而应用自循环原理的增压器低周疲劳试验台，相当于一个燃气轮机循环试验台，启动工作时，先由外气源给燃烧室供气，当增压器稳态运转后，关闭外气源，涡轮与压气机形成自循环，故称为自循环试验台。

国内对采用自循环方式的增压器低周疲劳试验台的研究还不是很多，本发明的发明人也曾在专利号为200510135565.1的发明专利中提出过采用自循环方式的单燃烧室双增压器低周疲劳试验台，即在采用自循环方式的前提下，用一个装在燃烧室后的流量分配阀，控制燃气流量，同时驱动两个涡轮增压器，温度变化可以通过调整燃油量来调节。但是在实际中应用中发现，流量分配阀装在燃烧室后，由于燃气温度较高，对阀的材料耐高温要求较高；而且一个燃烧室给两个涡轮增压器提供能量，无法实现进气温度的不同，造成两个增压器无法在不同转速下进行试验，也不能达到改变低周疲劳试验需要的机械负荷和热负荷的目的。

发明内容

本发明的目的是为了解决流量分配阀的材料耐高温要求高、两个增压器无法在不同转速下试验的问题，达到改变低周疲劳试验需要的机械负荷和热负荷，提供一种基于自循环方式的双燃烧室双增压器低周疲劳试验台。通过采用两个燃烧室分别向两个增压器的涡轮提供气流，流量分配阀移装在燃烧室之前的手段，使得双增压器低周疲劳试验台实现增压器进气温度不同、流量分配阀的材料耐高温要求降低，性价比高。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的基于自循环方式的双燃烧室双增压器低周疲劳试验台，包括外源进气阀、两个燃烧室、燃油供给系统、增压器压气机进口管道、增压器压气机出口管道、增压器涡轮进口管道、增压器涡轮出口管道和燃烧室进气流量分配阀。其中两个燃烧室一端与各自对应增压器涡轮进口管道连接，另一端通过管道分别与燃烧室进气流量分配阀连接；增压器压气机出口管道一端安装在外气源进气阀与燃烧室进气流量分配阀之间的管道上，增压器压气机出口管道的另一端连接在增压器上；增压器的涡轮出口上设置涡轮出口管道。在增压器压气机进、出口管道、增压器涡轮进、出口管道上安装气体压力、温度、流量测量装置，增压器测速传感器安装在所要进行试验的增压器上。

所述的外气源进气阀为普通闸阀，在打开时为两个燃烧室的点火启动提供压缩空气，当试验系统点火启动，并且增压器稳态运转后，关闭外气源进气阀。通常认为增压器转速恒定，压气机端出口压力大于涡轮端进口压力即为稳态。

所述的燃烧室进气流量分配阀为蝶阀，分别与两个燃烧室连接，调节进入两个燃烧室的压缩空气量。燃烧室进气流量分配阀采用电控技术，主要包括控制器、阀门位置传感器、电机、阀门机械执行机构等。控制器接收操作员的输入信号和阀门位置传感器反馈的模拟信号，运算处理产生电机控制信号，电机采用单相同步交流电机，为阀门机械执行机构提供动力。

所述的两个燃烧室内分别安装有点火装置，当有压缩空气和燃油进入形成油气混合物后，点火燃烧产生高温燃气，燃烧室为连接各自对应的涡轮增压器提供运转能量。

所述的燃油供给系统包括两个电磁阀喷油装置、燃油箱和油泵。供油量根据进入两个燃烧室的空气量通过各自对应的电磁阀喷油装置分别调节。

所述的增压器压气机出口管道为左右两条，两条管道于外气源进气阀与燃烧室进气流量分配阀之间的管道上汇成一条管道，由燃烧室进气流量分配阀分别接到两个燃烧室。

燃烧室进气流量分配阀采用电控技术，主要包括控制器、阀门位置传感器、电机、阀门机械执行机构；控制器接收操作员的输入信号和阀门位置传感器反馈的模拟信号，运算处理产生电机控制信号，电机采用单相同步交流电机，为阀门机械执行机构提供动力。

本发明的双燃烧室双增压器低周疲劳试验台的工作过程为：先打开外气源进气阀，压缩空气从外气源入口进入，通过燃烧室进气流量分配阀分别输送到两个燃烧室，燃油供给系统向燃烧室供油使得燃烧室点火启动产生高温燃气为各自对应的涡轮增压器提供运转能量。当增压器转速恒定，压气机出口压力大于涡轮进口压力，即增压器稳态运转时，关闭外气源进气阀，试验台进入自循环工作。外界空气经过两个增压器压气机后形成压缩空气，通过两条压气机出口管道送至燃烧室进气流量分配阀，燃烧室进气流量分配阀采用电控技术，控制器接收操作员的输入信号和阀门位置传感器反馈的模拟信号，运算处理产生电机控制信号，电机驱动阀门机械执行机构周期地改变对两个燃烧室的开度，从而周期调节进入两个燃烧室的压缩空气的流量。燃油供给系统方面，油泵从燃油箱向两个燃烧室输送燃油，燃烧室的点火装置将压缩空气和燃油燃烧产生高温燃气，经过增压器涡轮进口管道进入增压器涡轮，从而代替外气源输入的压缩空气，给整个增压器提供运转的能量。

有益效果

与现有技术相比，本发明的具有以下优点：

1.传统的增压器低周疲劳试验主要采用外气源压缩空气，经过燃烧室喷油点火燃烧后驱动增压器进行，这种方式需要消耗大量的压缩空气。由于低周疲劳试验耗时长，通常为几百个小时，一次低周疲劳试验将耗费大量电力。而应用自循环原理的增压器低周疲劳试验台，相当于一个燃气轮机循环试验台，启动工作时，先由外气源给燃烧室供气，当增压器稳态运转后，关闭外气源，涡轮与压气机形成自循环，大大减少对电力的依靠和消耗，仅仅需要一定量的燃油；同时也降低了低周疲劳试验对压缩空气的要求，进而降低了对空气压缩机的要求。

2.可以同时进行两个涡轮增压器的自循环低周疲劳试验，两个燃烧室直接对两个增压器提供运转能量，试验系统比单燃烧室的试验台更易调节和控制，试验效果更好。

3.以前单燃烧室方案，仅靠燃烧室后的流量分配阀，只能改变燃气进入两个增压器的流量，不能改变燃气的能量密度、压力和温度；采用双燃烧室方案，且流量分配阀置于燃烧室进气之前，通过周期性调节流量分配阀改变进入两个燃烧室的压缩空气量，并且供油量根据进入的空气量通过两个电磁阀分别调节，使得两个燃烧室的燃烧程度不同，于是流入两个待测增压器的燃气流量、压力和温度不同，从而改变其转速，带来机械负荷和热负荷的周期性变化，完成低周疲劳试验。整个试验过程容易控制和调节。

4.流量分配阀布置在燃烧室进气位置，而不是燃烧室后，避免了过高的热负荷冲击。如果流量分配阀安装在燃烧室后，燃气温度为700℃以上，阀门需要采用高镍合金的特殊材料；流量分配阀安装在燃烧室前，进气温度为200℃以下，阀门采用普通的材料即可，降低了对流量分配阀材料的耐高温要求。

5.本发明更容易实现涡轮增压器叶轮的低周疲劳试验，降低试验成本，促进涡轮增压器可靠性工作的开展，提高增压器性能，满足内燃机对涡轮增压器日益严格的技术性能要求。

附图说明

图1为本发明基于自循环方式的双燃烧室双增压器低周疲劳试验台结构俯视图；

图2为本发明的燃烧室流量分配阀电控系统模块图；

图中，1-外气源入口、2-外气源进气阀、3-压气机出口管道、4-燃烧室进气流量分配阀、5-燃烧室、6-燃油箱和油泵、7-增压器压气机、8-压气机进口管道、9-增压器涡轮、10-涡轮出口管道、11-涡轮进口管道、12-点火装置、13-电磁阀喷油装置、14-控制器、15-电机、16-阀门机械执行机构、17-阀门位置传感器。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的与优点，下面结合附图和具体实施例对本发明内容作进一步说明。

如图1所示，本发明的试验台包括：外气源进气阀2、增压器压气机出口管道3、燃烧室进气流量分配阀4、两个燃烧室5、燃油供给系统(燃油箱和油泵6、电磁阀喷油装置13)、增压器压气机进口管道8、增压器涡轮出口管道10、增压器涡轮进口管道11。其中燃烧室进气流量分配阀采用电控技术，图2为其电控系统模块图，主要包括控制器14、电机15、阀门机械执行机构16、阀门位置传感器17。

与专利号为200510135565.1的发明专利相比，本发明的试验台增加了一组燃烧室5，即两个燃烧室5分别对两个增压器提供能量；另外在两个燃烧室前设置燃烧室进气流量分配阀4，去掉原专利中燃烧室后的燃气转换阀。

图1中两个燃烧室5一端通过增压器涡轮进口管道11与增压器涡轮9连接，燃烧室5另一端分别与燃烧室进气流量分配阀4连接；增压器压气机出口管道3一端安装在外气源进气阀2与燃烧室进气流量分配阀4之间的管道上，增压器压气机出口管道3的另一端连接在增压器压气机7上；增压器涡轮9出口上设置增压器涡轮出口管道10。在增压器压气机进口管道8、增压器压气机出口管道3、增压器涡轮进口管道11、增压器涡轮出口管道10上安装气体压力、温度、流量测量装置，增压器测速传感器安装在所要进行试验的增压器上，各传感器的具体位置并未在图1上画出，采用的是现有技术。

所述的外气源进气阀2为普通闸阀，在打开燃烧室5点火启动提供压缩空气，当试验系统点火启动，并且增压器稳态运转，即增压器转速恒定，压气机端出口压力大于涡轮端进口压力后，关闭外气源进气阀。

所述的燃烧室进气流量分配阀4为蝶阀，分别与两个燃烧室5连接，调节进入两个燃烧室5的压缩空气量。燃烧室进气流量分配阀4采用电控技术，控制器14接收操作员的输入信号和阀门位置传感器17反馈的模拟信号，运算处理产生电机15的控制信号，电机15为阀门机械执行机构16提供动力。燃烧室进气流量分配阀4，因安装在燃烧室5前端，热负荷不高，采用普通材料的分配阀即可。

所述的燃烧室5内安装有点火装置12以点火燃烧产生高温燃气，燃烧室5连接各自对应的涡轮增压器9提供运转能量。

所述的燃油供给系统包括电磁阀喷油装置13、燃油箱和油泵6。供油量根据进入燃烧室的空气量通过电磁阀喷油装置13分别调节。

所述的增压器压气机出口管道3为左右两条，两条管道于外气源进气阀2与燃烧室进气流量分配阀4之间的管道上汇成一条管道，由燃烧室进气流量分配阀4分接到两个燃烧室5。

在增压器上还设置润滑油进出接口，润滑油进出接口与润滑系统相连，实现增压器润滑油的循环。增压器润滑油进出接口与润滑系统并未在图1中画出，应用的是与专利号为200510135565.1的发明专利相同的技术。

当进行低周疲劳试验时，先打开外气源进气阀2为燃烧室5点火启动提供压缩空气，试验系统点火启动产生高温燃气为各自对应的涡轮增压器提供运转能量。当增压器转速恒定，压气机7出口压力大于涡轮9进口压力时，认为增压器稳态运转，关闭外气源进气阀2，试验台进入自循环工作。增压器稳态运转后，关闭外气源进气阀，进入自循环工作过程，图1中箭头表示增压器试验台内气体流动方向。外界空气经过增压器压气机后形成压缩空气，通过增压器压气机出口管道3，送至燃烧室进气流量分配阀4，燃烧室进气流量分配阀4采用电控技术，控制器14接收操作员的输入信号和阀门位置传感器17反馈的模拟信号，运算处理产生电机15的控制信号，电机15驱动阀门机械执行机构16周期地改变阀门分别向两个燃烧室的开度，从而周期调节进入两个燃烧室5的压缩空气流量。燃油供给系统方面，油泵从燃油箱输送燃油，点火装置12点火使压缩空气和燃油燃烧产生高温燃气，经过增压器涡轮进口管道11进入增压器涡轮9，从而代替外气源输入的压缩空气，给增压器提供运转的能量。试验废气从增压器涡轮出口管道10输出。

本具体实施例的试验台结构简单紧凑，外形尺寸长宽各2米，高1米左右，将各个部件和系统装在特制的试验台架上，是可移动的试验台架，可以对大部分规格型号的增压器进行低周疲劳试验测试。进行测试时，采用自循环方式，节约能源和试验费用，而且可以同时对两个增压器测试，可以提高试验效率，节省时间。

Claims

1.一种基于自循环方式的双燃烧室双增压器低周疲劳试验台，包括外源进气阀、一组燃烧室、燃油供给系统、增压器压气机进出口管道、增压器涡轮进出口管道，其特征在于：还包括一组燃烧室、增压器涡轮进口管道以及燃烧室进气流量分配阀，其中两个燃烧室一端与各自对应增压器涡轮进口管道连接，另一端通过管道分别与燃烧室进气流量分配阀连接，增压器压气机出口管道一端安装在外气源进气阀与燃烧室进气流量分配阀之间的管道上，增压器压气机出口管道的另一端连接在增压器上，增压器的涡轮出口上设置涡轮出口管道。

2.根据权利要求1所述的基于自循环方式的双燃烧室双增压器低周疲劳试验台，其特征在于：所述的外气源进气阀为普通闸阀，在打开时为两个燃烧室的点火启动提供压缩空气，当试验系统点火启动，增压器稳态运转，即增压器转速恒定，压气机端出口压力大于涡轮端进口压力后，关闭外气源进气阀。

3.根据权利要求1所述的基于自循环方式的双燃烧室双增压器低周疲劳试验台，其特征在于：所述的燃烧室进气流量分配阀为蝶阀，分别与两个燃烧室连接，调节进入两个燃烧室的压缩空气量。

4.根据权利要求1所述的基于自循环方式的双燃烧室双增压器低周疲劳试验台，其特征在于：所述的两个燃烧室内分别安装有点火装置，当有压缩空气和燃油进入形成油气混合物后，点火燃烧产生高温燃气，燃烧室为连接各自对应的涡轮增压器提供运转能量。

5.根据权利要求1所述的基于自循环方式的双燃烧室双增压器低周疲劳试验台，其特征在于：所述的燃油供给系统包括两个电磁阀喷油装置、燃油箱和油泵，供油量根据进入两个燃烧室的空气量通过各自对应的电磁阀喷油装置分别调节。

6.根据权利要求1所述的基于自循环方式的双燃烧室双增压器低周疲劳试验台，其特征在于：所述的增压器压气机出口管道为左右两条，两条管道于外气源进气阀与燃烧室进气流量分配阀之间的管道上汇成一条管道，通过燃烧室进气流量分配阀分别接到两个燃烧室。