CN103884460A - 一种带自锁保护的高速涡轮测功试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带自锁保护的高速涡轮测功试验系统，包括涡轮（12），还包括小型空气压缩机（1）、润滑密封进气切断阀（2）、油雾润滑器（3）、水泵（4）、稳压水箱（5）、泄压阀（6）、进水切断阀（7）、回水池（8）、高速测功机（9）、转速传感器（10）、柔性联轴器（11）、外气源（13）、进气截止阀（14）、空气流量计（15）、燃烧室（16）、进气旁通阀（17）以及相应的气路、水路及油路连接管路。自锁保护装置4个阀门特定的不同开闭状态组合，对应3种自锁保护模式。本发明既能满足动力涡轮高速工况下的功率性能的准确测试，又能有效防止试验过程中涡轮超速和低速轴承进水等事故的发生，提高试验系统的可靠性。

Description

一种带自锁保护的高速涡轮测功试验系统

技术领域

本发明属于机电技术领域，具体涉及一种带自锁保护的高速涡轮测功试验系统。

背景技术

在装备动力技术的发展进程中，涡轮增压器作为提升柴油机动力性能的主要手段受到越来越多的重视。为了获得良好的发动机性能并缩短研制周期、节约成本，通过采用合适的仿真手段建立涡轮增压柴油机的仿真模型对发动机性能进行预测是一种有效途径。但在模型建立过程中，需要得到增压器压气机性能特性和涡轮性能特性的准确数据作为边界条件输入到仿真模型中，如果这些参数的输入存在误差，则会严重影响性能预测的准确性和匹配设计的合理性。

在车用涡轮增压器研究领域，可以通过增压器部件试验直接获得给定压气机的性能特性。但由于受制于试验测试条件和压气机耗功特性，期望通过常规增压器部件试验方法直接获得较全面地表征涡轮膨胀比、流量和效率的涡轮特性相对比较困难。主要困难集中在涡轮效率的测量和测试性能覆盖范围两个方面。因为常规增压器部件试验中，要想获得涡轮效率，需要精确测量涡轮出口温度，但由于出口存在旋流影响，导致这一目标很能难达成。而涡轮出口温度的微小测量误差也会导致效率测量计算非常大的偏差；另外，如果将涡轮和压气机作为一个整体进行测试，涡轮性能会受到压气机喘振和堵塞的影响，导致测得的涡轮性能仅能够覆盖小部分实际涡轮特性。

采用高速水力测功机测试涡轮输出功率，可以很好的解决上述常规增压器试验中遇到的困难。高速水力测功机直接与涡轮轴联接，以水作为耗功介质，通过调节进入测功机的水量和压力，能够测试动力涡轮不同转速下扭矩和功率消耗情况。这种直接涡轮测功的方法具有测量范围宽广和测量精度高的特点。

由于高速测功机工作转速非常高，可以达到100 000 r/min以上。在实际测功过程中如果涡轮前油门喷油出现异常增大，可能会导致高速测功机超速破坏，发生严重事故；另外，当涡轮转速低于临界转速时，如不能及时切断测功机进水，测功机甩水盘无法将水与高速轴承完全隔离，导致轴承进水影响测功机的正常使用，甚至导致测功机报废。

因此，涡轮测功是涡轮性能试验的关键，发展性能良好、测量精确、安全可靠的涡轮测功机，对于保证涡轮测功试验设备和试验人员安全性，提高增压柴油机性能预测精度，实现增压器与柴油机良好匹配，缩短研究周期和节省研制经费具有重要的意义。

现有技术是直接使用将压气机和涡轮组装成涡轮增压器在部件试验台上进行涡轮功率的测试。由于涡轮出口存在旋流，这种方法无法准确测量涡轮出口温度，导致涡轮功率和效率的测试数据严重失真；同时，涡轮测试性能会受到压气机喘振和堵塞的影响，导致测得的涡轮性能仅能够覆盖小部分实际涡轮特性，不能完全反映涡轮完整性能。以上方法存在测试精度差、可适用范围窄的缺点。

发明内容

本发明的目的正是为了解决现有技术的不足，而提供一个带自锁保护的高速涡轮测功试验系统，该系统既能满足动力涡轮高速工况下的功率性能的准确测试，又能有效防止试验过程中涡轮超速和低速轴承进水等事故的发生，提高试验系统的可靠性。

本发明的技术方案：

一种带自锁保护的高速涡轮测功试验系统，包括涡轮（12），还包括小型空气压缩机（1）、润滑密封进气切断阀（2）、油雾润滑器（3）、水泵（4）、稳压水箱（5）、泄压阀（6）、进水切断阀（7）、回水池（8）、高速测功机（9）、转速传感器（10）、柔性联轴器（11）、外气源（13）、进气截止阀（14）、空气流量计（15）、燃烧室（16）、进气旁通阀（17）以及相应的气路、水路及油路连接管路。

小型空气压缩机（1）与润滑密封切断阀（2）连接，润滑密封切断阀（2）下游通过三通管路同时连接测功机（9）的轴承密封进气口和油雾润滑器（3），油雾润滑器（3）下游与测功机（9）的轴承润滑进气口连接；水泵（4）进水口与自来水管道连接，出口通过三通管路同时连接泄压阀（6）和稳压水箱（5），泄压阀（6）出口连接回水池（8），稳压水箱（5）下游连接进水切断阀（7），进水切断阀（7）下游与高速测功机（9）进水口连接；高速测功机（9）回水口与回水池（8）连接，高速测功机（9）上设有转速传感器（10），并通过柔性联轴器（11）与涡轮（12）连接；外气源（13）与进气切断阀（14）连接，进气切断阀（14）与空气流量计（15）连接，空气流量计（15）下游同时与燃烧室（16）进口、进气旁通阀（17）连接，进气旁通阀（17）出口与试验系统排气管路连接，燃烧室（16）出口与涡轮（12）进气口连接，涡轮（12）出口与试验系统排气管路连接。

燃烧室前进气截止阀（14）、进气旁通阀（17）、进水切断阀（12）、润滑密封进气切断阀（2）、转速传感器（9），根据控制系统中集成的自锁控制策略，组成自锁保护装置；4个阀门特定的不同开闭状态组合，对应润滑密封自锁保护、超速自锁保护和低转速进水自锁保护3种模式；其中，处于润滑密封自锁保护模式时，系统各部件连接方式不变，润滑密封切断阀2处于关闭状态，进水切断阀7关闭，进气截止阀14关闭，进气旁通阀17打开；处于超速自锁保护模式时，系统各部件连接方式不变，润滑密封切断阀2处于打开状态，进水切断阀7打开，进气截止阀14关闭，进气旁通阀17打开；处于低转速进水自锁保护模式时，系统各部件连接方式不变，润滑密封切断阀2处于打开状态，进水切断阀7关闭。

本发明的有益效果：

1.既能满足动力涡轮高速工况下的功率性能的准确测试，又能有效防止试验过程中涡轮超速和低速轴承进水等事故的发生，提高试验系统的可靠性；

2.通过直接测试涡轮输出扭矩和转速，考虑机械效率的情况下，可准确得到涡轮输出功和气体绝热焓降的比值，得到准确的涡轮有效效率；

3.考虑了高速测功机高转速、低扭矩、高精密度的特点，设计了自锁保护装置，能够保证试验装置安全可靠运行，避免发生由于误操作或试验设备故障导致的超速飞车事故、低速轴承进水和无润滑密封起动带来的设备不可逆损伤的发生。

附图说明

本发明共有4幅附图。图1为本发明的最佳实施例，亦可做说明书摘要的附图。

图1为一种带自锁保护的高速涡轮测功试验系统的结构示意图；

图2为该系统处于润滑密封自锁保护模式时的结构示意图；

图3为该系统处于超速自锁保护模式时的结构示意图；

图4为该系统处于低转速进水自锁保护模式时的结构示意图。

图中各标识的对应关系如下。

1-小型空气压缩机

2-润滑密封进气切断阀

3-油雾润滑器

4-水泵

5-稳压水箱

6-泄压阀

7-进水切断阀

8-回水池

9-高速测功机

10-转速传感器

11-柔性联轴器

12-涡轮

13-外气源

14-进气截止阀

15-空气流量计

16-燃烧室

17-进气旁通阀。

具体实施方式

本发明所述的一种带自锁保护的高速涡轮测功试验系统，包括涡轮（12），还包括小型空气压缩机（1）、润滑密封进气切断阀（2）、油雾润滑器（3）、水泵（4）、稳压水箱（5）、泄压阀（6）、进水切断阀（7）、回水池（8）、高速测功机（9）、转速传感器（10）、柔性联轴器（11）、外气源（13）、进气截止阀（14）、空气流量计（15）、燃烧室（16）、进气旁通阀（17）以及相应的气路、水路及油路连接管路。

小型空气压缩机（1）与润滑密封切断阀（2）连接，润滑密封切断阀（2）下游通过三通管路同时连接测功机（9）的轴承密封进气口和油雾润滑器（3），油雾润滑器（3）下游与测功机（9）的轴承润滑进气口连接；水泵（4）进水口与自来水管道连接，出口通过三通管路同时连接泄压阀（6）和稳压水箱（5），泄压阀（6）出口连接回水池（8），稳压水箱（5）下游连接进水切断阀（7），进水切断阀（7）下游与高速测功机（9）进水口连接；高速测功机（9）回水口与回水池（8）连接，高速测功机（9）上设有转速传感器（10），并通过柔性联轴器（11）与涡轮（12）连接；外气源（13）与进气切断阀（14）连接，进气切断阀（14）与空气流量计（15）连接，空气流量计（15）下游同时与燃烧室（16）进口、进气旁通阀（17）连接，进气旁通阀（17）出口与试验系统排气管路连接，燃烧室（16）出口与涡轮（12）进气口连接，涡轮（12）出口与试验系统排气管路连接。

燃烧室前进气截止阀（14）、进气旁通阀（17）、进水切断阀（12）、润滑密封进气切断阀（2）、转速传感器（9），根据控制系统中集成的自锁控制策略，组成自锁保护装置；4个阀门特定的不同开闭状态组合，对应润滑密封自锁保护、超速自锁保护和低转速进水自锁保护3种模式。

 

下面结合附图，对本发明的具体工作过程和工作模式，作进一步说明。

本发明有两种工作模式，正常测功工作模式和自锁保护模式，其中自锁保护分为三种情况：润滑密封自锁保护模式、超速自锁保护模式和低转速进水自锁保护模式。

如图1所示，为正常测功工作模式：在正常测功工作模型下，试验系统按下列顺序进行自动控制相关部件。打开润滑密封切断阀2，起动空气压缩机1将压缩气通过润滑密封进气切断阀2分别通入测功机9和油雾润滑器3，经过油雾润滑器3后，含油压缩空气进入测功机9；打开进气截止阀14，关闭进气旁通阀17，外气源13通过进气截止阀14和空气流量计15将压缩空气导入燃烧室，压缩空气经燃烧室燃烧加热后进入被试件涡轮，吹动涡轮旋转做功，经涡轮膨胀后再排入试验系统排气管路；起动水泵4将自来水加压后流入稳压水箱5，待测功机转速达到最低进水要求转速时，打开进水切断阀7，稳压水经过进水切断阀7进入测功机9，作为测功机消耗功率用的介质，测功机出水口与回水池8连接。通过高速测功机9直接测试涡轮12的输出功率。

如图2所示，为润滑密封自锁保护模式：在润滑密封自锁保护模式下，当试验系统检测到测功机9处在无润滑密封状态即润滑密封切断阀2处于关闭位置时，进水切断阀7关闭，进气截止阀14关闭，进气旁通阀17打开，保证在无润滑密封状态下，测功机9无进水，涡轮12前无进气，涡轮12及测功机9处于停机状态，防止由于误操作导致事故或测功机9损坏。

如图3所示，为超速自锁保护模式：在超速自锁保护模式下，系统初始状态是：润滑密封切断阀2打开，测功机9处于油雾润滑和气密封状态，进水切断阀7打开，当转速传感器10检测到测功器9的转速达到或超过允许最高转速时，试验系统控制进气截止阀14迅速关闭，进气旁通阀17迅速打开，使空气流量计15后的压缩空气不经过燃烧室16和涡轮12迅速排入试验系统排气管路，达到涡轮12转速快速降低的作用，防止测功机器和涡轮12超转发生。

如图4所示，为低转速进水自锁保护模式：在低转速进水自锁保护模式下，系统初始状态是润滑密封切断阀2打开，测功机9处于油雾润滑和气密封状态，当转速传感器10检测到测功机9转速小于或等于最低进水要求转速时，试验系统控制进水切断阀7迅速关闭，切断测功机9进水，避免出现由于转速过低，测功机9的甩水盘无法将水与测功机器的高速轴承完全隔离，导致轴承进水的情况发生。

Claims (3)

1.一种带自锁保护的高速涡轮测功试验系统，包括涡轮（12），其特征在于，

还包括小型空气压缩机（1）、润滑密封进气切断阀（2）、油雾润滑器（3）、水泵（4）、稳压水箱（5）、泄压阀（6）、进水切断阀（7）、回水池（8）、高速测功机（9）、转速传感器（10）、柔性联轴器（11）、外气源（13）、进气截止阀（14）、空气流量计（15）、燃烧室（16）、进气旁通阀（17）以及相应的气路、水路及油路连接管路。

2.如权利要求1所述的一种带自锁保护的高速涡轮测功试验系统，其特征在于，

小型空气压缩机（1）与润滑密封切断阀（2）连接，润滑密封切断阀（2）下游通过三通管路同时连接测功机（9）的轴承密封进气口和油雾润滑器（3），油雾润滑器（3）下游与测功机（9）的轴承润滑进气口连接；水泵（4）进水口与自来水管道连接，出口通过三通管路同时连接泄压阀（6）和稳压水箱（5），泄压阀（6）出口连接回水池（8），稳压水箱（5）下游连接进水切断阀（7），进水切断阀（7）下游与高速测功机（9）进水口连接；高速测功机（9）回水口与回水池（8）连接，高速测功机（9）上设有转速传感器（10），并通过柔性联轴器（11）与涡轮（12）连接；外气源（13）与进气切断阀（14）连接，进气切断阀（14）与空气流量计（15）连接，空气流量计（15）下游同时与燃烧室（16）进口、进气旁通阀（17）连接，进气旁通阀（17）出口与试验系统排气管路连接，燃烧室（16）出口与涡轮（12）进气口连接，涡轮（12）出口与试验系统排气管路连接。

3.如权利要求1或2所述的一种带自锁保护的高速涡轮测功试验系统，其特征在于，

燃烧室前进气截止阀（14）、进气旁通阀（17）、进水切断阀（12）、润滑密封进气切断阀（2）、转速传感器（9），根据控制系统中集成的自锁控制策略，组成自锁保护装置；4个阀门特定的不同开闭状态组合，对应润滑密封自锁保护、超速自锁保护和低转速进水自锁保护3种模式；其中，处于润滑密封自锁保护模式时，系统各部件连接方式不变，润滑密封切断阀2处于关闭状态，进水切断阀7关闭，进气截止阀14关闭，进气旁通阀17打开；处于超速自锁保护模式时，系统各部件连接方式不变，润滑密封切断阀2处于打开状态，进水切断阀7打开，进气截止阀14关闭，进气旁通阀17打开；处于低转速进水自锁保护模式时，系统各部件连接方式不变，润滑密封切断阀2处于打开状态，进水切断阀7关闭。

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