CN102156049A - 气波转子开发研究的测试装置 - Google Patents

Abstract

气波转子开发研究的测试装置属于增压研究领域。该装置包括气波转子(12)，气波转子(12)由电机(13)驱动，其特征在于：还包括燃烧系统，燃烧系统包括燃烧器(7)、混合器(14)及燃料瓶(1)、空气压缩机(2)；燃料瓶(1)、空气压缩机(2)分别通过管路连接到混合器(14)，混合器(14)连接燃烧器(7)，燃烧器(7)连接气波转子(12)；混合器(14)设有燃料入口(17)和压缩空气入口(16)；燃烧器(7)中安装点火器(6)；在气波转子(12)的新鲜空气进口(10)、增压空气出口(9)处均安装了控制阀(15)。该装置可进行气波转子多种工况下的性能测试，也可进行不同气体燃料燃烧特性的试验研究。

Description

气波转子开发研究的测试装置

技术领域

本发明涉及气波转子开发研究的测试装置，该试验装置针对气波转子的工作特点，可模拟气波转子实际工作环境，主要用于气波转子设计试制后的性能测试，属于流体机械领域，具体为增压研究领域。

背景技术

气波转子是通过气波(压缩波和膨胀波)来传递能量的一种流体机械装置。通过结构的合理设计，它巧妙利用两种不同能量的流体间的直接接触产生的气波原理实现能量在两种流体间传递。在实际工程应用中，气波转子主要用于增压，可利用能量较高的流体(通常是燃烧的废气)的高焓值提高能量较低的流体(通常是新鲜空气)的焓值。相对于其它压力转换器，气波转子的结构简单，无需活塞或叶片这些机械零件；其最显著的优点是由于在转子槽道中空气和排气直接接触并传递能量，两种气体间的能量交换能迅速完成，瞬态响应快。正是由于其突出的优点，成功应用于内燃机及燃气轮机的增压。气波转子的结构型式一般有四个开口、三个开口气波转子，应用较广的四口气波转子，并成功应用于车用发动机，用于车用增压的气波转子一般称为气波增压器。

早期，北京工业大学研发了一种用于气波增压器的性能测试系统，可针对气波增压器进行性能测试；该测试系统中采用了电加热器模拟燃烧，这存在所需的气体的温度和压力不够高的缺陷。为了更好地研究气波转子的结构对其性能的影响，更好地模拟其实际的工作状况，提出了本开发平台。为了解决气体高温高压的问题，与实际运用工况存在一定的差距。

本开发平台主要是针对多开口气波转子测试其在不同试验工况下的性能，针对高温高压气体产生的问题，本发明提出了采用燃烧器的方案，即采用一预混燃烧器，通过预混燃烧器的内部燃料的燃烧，产生高温高压气体，这与气波转子在实际运用中十分接近。此外，本测试平台具有较好的灵活性，可以用于多开口气波转子设计试制后的性能测试，不仅便于研究不同结构型式(不同开口)的气波转子的性能；同时，也可以对不同气体燃料的燃烧特性进行测试和研究。

发明内容

本发明装置的目的是最大程度地模拟多开口气波转子实际运用工况，进一步实现不同结构的气波转子的性能测试，深入研究多开口气波转子的性能。

气波转子开发研究的测试装置，包括气波转子12，气波转子12由电机13驱动，气波转子12设有新鲜空气进口10、增压空气出口9；

其特征在于：还包括燃烧系统，燃烧系统包括燃烧器7、混合器14及燃料瓶1、空气压缩机2；燃料瓶1、空气压缩机2分别通过管路连接到混合器14，混合器14连接燃烧器7，燃烧器7连接气波转子12；混合器14设有燃料入口17和压缩空气入口16；燃烧器7中安装点火器6；在气波转子12的新鲜空气进口10、增压空气出口9处均安装了控制阀15。

气波转子是一种压力转换装置，主要包括转子和定子，如图1所示。气波转子12由电机13驱动，电机13和转子12间通过皮带来传动，电机可以调节气波转子转速。定子静止不动，分布于气波转子两端，定子中有中空的通道，通过这些定子通道，气体可以流入或流出转子进行能量传递。定子共有四个出入口，其中两个高压端，即燃气入口8、增压空气出口9；两个低压端，即燃气出口11及新鲜空气入口10。当气波转子转动时，来自发动机气缸的燃烧后的燃气和新鲜进气在气波转子12内部直接接触；由于转子旋转，这样转子周期性地与定子开口联通、断开，产生一系列气波(压缩波和膨胀波)，来自燃气的能量就通过这一系列气波来实现能量传递，最终使得进气压力升高。

为了模拟气波转子在发动机中的应用情况，本发明中采用了燃烧系统。燃烧系统主要包括燃烧器7、混合器14及燃料瓶1、空气压缩机2。燃料瓶1及空气压缩机2提供燃料和空气，燃料、空气在混合器中混合形成可燃混合气，可燃混合气进入燃烧器7中由点火器6点燃并燃烧，产生高温高压燃气，最后进入气波转子中完成能量传递。

为了模拟增压空气进入发动机的状态，在新鲜空气进口10、增压空气出口9处均安装了控制阀15。调节控制阀开启的幅度，可以调节控制阀后的背压。

在气波转子、燃烧器的各个管路中均安装有压力传感器、温度传感器及流量计，以测量各个入口、出口的热力参数。

在整个测试系统中，气波转子、燃烧器、混合器均独立设计、装配，便于以后的各个关键零件的结构改进；同时所有的零部件、传感器均安装在支持架上，该支持架安装有脚轮，这样便于整个测试平台的移动、运输和搬运。

该测试平台的工作过程主要是：首先启动空气压缩机2，启动电机13驱动气波转子12转动，待温度、压力达到实验预定值并保持稳定后，打开燃料瓶气阀3，调节所需的燃料空气混合比，空气、燃料在混合器14中混合好，进入燃烧器7，由点火器6点燃，燃气进入气波转子12，气波转子正常运作，此时测量在不同的工况下各个参数。

本测试系统的优点有：

●可以独立地对气波转子进行性能测试；

●通过调节燃烧器的空气燃料的混合比从而调节气波转子入口端的参数，考察入口端参数的变化对气波转子性能的影响；

●气波转子的转速可调；

●测试平台具有移动性、灵活性；

●测试平台易于改造。

附图说明

图1气波转子测试平台简图

图2混合器与燃烧器联接示意图

图中：

1-燃料瓶，2-空气压缩机，3-气阀，4-流量计，5-单向阀，6-点火器，7-燃烧器，8-燃气入口，9-增压空气出口，10-新鲜空气入口，11-燃气出口，12-气波转子，13-电机，14-混合器，15-控制阀，16-压缩空气入口，17-燃料入口，18-连接法兰

具体实施方式

下面结合图1～2详细说明本发明。

本实施例主要由气波转子12、电机13、燃烧器7、混合器14、空气压缩机2、燃料瓶1组成。气波转子在发动机上实际应用时是由发动机的曲轴来驱动的。在本测试平台上，采用一台变频电机13驱动气波转子12，电机和转子间通过皮带来传动。调节变频电机频率可以改变气波转子的转速。

为了实现最大程度地模拟气波转子实际运用工况，本测试平台采用了燃烧器7的设计。燃烧系统主要包括燃烧器7、混合器14、燃料瓶1、空气压缩机2。燃料瓶1可为燃烧器提供燃料，本发明中采用气体燃料，可以燃烧甲烷、天然气、氢气等气体燃料。空气压缩机2为燃烧提供所需的空气，空气压缩机可预先压缩大气，空气的压力可以调节，压缩空气的压力调节范围为0.1～0.6MPa。这样，通过气阀3可调节进入混合器14的压缩空气和气体燃料的压力，可以调节不同空气与燃料的混合比。

混合器14的结构示意图如图2所示，主要有燃料入口17和压缩空气入口16。通过燃料入口17的入射角度的设计，可以保证燃料进入混合器时具有一定的速度和流量，这样可以保证燃料与空气在进入燃烧器前有混合的时间和空间，以形成较为均匀的可燃混合气。混合器14与燃烧器7通过连接法兰18联接起来。点火器6安装在混合器与燃烧器连接处附近，点火器6可以发出电火花以迅速点燃燃料空气混合气。

为了安全起见，在燃烧系统中，燃料管路和空气管路均设有单向阀5，这样可以防止燃烧器燃烧的气体倒流而引起不必要的爆炸。

在新鲜空气进口10、增压空气出口9管路中均安装了控制阀15，控制阀是蝶阀，通过调节蝶阀的开启的幅度，可以改变控制阀15后管路的背压，从而模拟气波转子实际应用时安装环境的不同背压工况。

本测试不同可以进行不同试验工况的测试，如：

●不同燃料、空气混合比

●不同气波转子转速

●不同初始压力

●不同燃烧温度

●不同背压

●不同结构气波转子

本发明主要是针对气波转子设计的测试平台，可以进行气波转子多种工况下的性能测试，也可用于气波转子结构设计与研究的性能测试。同时，由于采用了燃烧器的方案，也可进行不同气体燃料的燃烧特性的试验研究。

Claims (1)

1.气波转子开发研究的测试装置，包括气波转子(12)，气波转子(12)由电机(13)驱动，气波转子(12)设有新鲜空气进口(10)、增压空气出口(9)；

其特征在于：还包括燃烧系统，燃烧系统包括燃烧器(7)、混合器(14)及燃料瓶(1)、空气压缩机(2)；燃料瓶(1)、空气压缩机(2)分别通过管路连接到混合器(14)，混合器(14)连接燃烧器(7)，燃烧器(7)连接气波转子(12)；混合器(14)设有燃料入口(17)和压缩空气入口(16)；燃烧器(7)中安装点火器(6)；在气波转子(12)的新鲜空气进口(10)、增压空气出口(9)处均安装了控制阀(15)。

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