CN106248278A - 一种涡轮增压器轴向力测量系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

一种涡轮增压器轴向力测量系统，包括燃烧系统、润滑油系统、数据控制与采集处理系统、外观管路辅助系统、传感器；燃烧系统包括燃料供给系统和燃烧室，燃烧室还与外气源相连；润滑油系统包括润滑油箱，润滑油箱与涡轮增压器之间通过管路相连；传感器设于工作器件内部、由工作器件隔开的管路上、涡轮增压器内部，传感器包括压力传感器、温度传感器、流量传感器、转速传感器、应变片传感器；外观管路辅助系统将气路和油路分别相连接；数据控制与采集处理系统用于采集传感器数据并处理、输出。本发明还涉及一种测试方法，能够模拟全工况条件进行测试，即可以在本测量系统上实现，也可以搭载于发动机上实现，具有直观、准确、灵敏度高等优点。

Description

一种涡轮增压器轴向力测量系统及其测试方法

技术领域

本发明属于涡轮增压技术领域，具体涉及一种涡轮增压器轴向力测量系统；本发明还涉及上述测量系统的测试方法。

背景技术

涡轮增压器属典型的旋转机械，由同一根转轴两端连接涡轮和叶轮，涡轮利用发动机排出的废气能量膨胀做功，驱动叶轮压缩更多的新鲜空气提供给发动机，改善发动机动力性和经济性。其涡轮和叶轮的叶片在旋转工作过程中，由于气体的作用会产生轴向力，而轴向力直接作用在涡轮增压器的止推轴承上，对止推轴承的寿命、增压器工作运行稳定性以及机械损耗等都会产生不利的影响。在产品的设计过程中必须考虑压气机和涡轮机两者轴向力的平衡，合理设计止推轴承，即能够充分承载转子的轴向受力，保证增压器稳定工作，又不能产生过大的机械摩擦损耗，严重影响增压器机械效率。因此，如果能够准确地测量涡轮增压器工作范围的轴向力大小和方向，为止推轴承的设计提供真实的边界条件，对涡轮增压器产品的开发，及其工作可靠性的提高和保证使用寿命都有很大帮助。

专利号为CN105092129的发明“一种旋转机械的轴向力测试装置及其测试方法”，公开了一种适用于各种旋转机械轴向力的通用拉压传感器测试方法，设计的装置由一组滚珠轴承支承转轴，壳体内在轴承外侧套装环状的拉压力传感器，转轴与旋转机械(如离心泵)转子采用无键式联接件，装置通过电机进行驱动，与电机采用联轴器联接；传感器的输出信号与信号处理装置电连接。此装置的优势在于自成一套独立的测试模块，无需对旋转机械进行额外改造，只需要解决装置与旋转机械直接的联接即可实现旋转机械轴向力的准确测量，具有一定通用性。然而，这种装置用于涡轮增压器轴向力的测试时存在很大的局限：首先，涡轮增压器属于高速旋转机械，小型车用涡轮增压器转速最高可达30万转，此装置所采用的高速电机实现困难，若采用变速箱，不仅结构复杂，成本增加，更主要的是轴向力测量结果的准确性大打折扣，因此，此通用装置仅适用于较低转速的旋转机械。第二，涡轮增压器在工作时，发动机排出的高温燃气(约600～950℃)进入涡轮机膨胀做功，若采用电机驱动涡轮增压器转动，涡轮机的工作状态，即进出口的压力、温度、进气流量等均为标准大气下的状态，与其在发动机上的实际工作状态完全不同，此时涡轮叶片受到的轴向力也相差甚远，因此，测试结果不能真实反映涡轮增压器在工作状态下的轴向力情况，测量结果毫无意义。

目前，针对对于涡轮增压器轴向力的测量主要有两种方法：压力间接测量法和应变测量法，这两种方法都在专用涡轮增压器性能试验台架进行。压力间接测量法通过分别采集压气机和涡轮机入口、出口和叶轮轮背的压力，压气机和涡轮机的气体流量，压气机进气温度，涡轮机出口温度等试验参数，再结合叶轮和涡轮的结构尺寸，通过一维理论公式推算，得到涡轮增压器转子的轴向力合力。这种方法得到的结果误差约10％，且仅适用于稳态工况。应变测量法采用在轴向力承载件上粘贴应变片的方式，标定出应变-力的关系曲线，根据采集到的应变信号测量得轴向力，包括轴向力的大小和方向，具有输出结果直观，测试灵精度高、灵敏度高的优点。但是，由于小型涡轮增压器结构紧凑，应变片粘贴位置的选择和粘贴可靠性成为影响测量结果的关键难点。

如以上所述，需要一种准确的测量涡轮增压器轴向力的测量有效装置和方法。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的之一是提供一种涡轮增压器轴向力测量系统，能够真是模拟涡轮增压器的实际工况，使测试结果更加准确；本发明的目的之二是提供一种基于上述测量系统的测试方法。

本发明的目的之一通过以下技术方案实现：

一种涡轮增压器轴向力测量系统，包括用于给涡轮增压器供燃气的燃烧系统、用于给涡轮增压器供润滑油的润滑油系统、数据控制与采集处理系统、外观管路辅助系统、传感器；所述燃烧系统包括燃料供给系统和燃烧室，所述燃烧室还与外气源相连；所述润滑油系统包括润滑油箱，该润滑油箱与涡轮增压器之间通过进油管路和回油管路相连；所述传感器设于工作器件内部、由工作器件隔开的管路上、涡轮增压器内部，传感器包括压力传感器、温度传感器、流量传感器、转速传感器、应变片传感器；所述外观管路辅助系统将测量系统的气路和油路分别相连接；所述数据控制与采集处理系统用于采集传感器数据并处理、输出。

以上测量系统中，涡轮增压器包括涡轮机、轴承体、压气机，其中涡轮机进气同样可以直接接入发动机排气管，压气机出口直接接入发动机进气管。该系统在使用过程中可以很好的对涡轮增压器实时工况下的轴向力进行测量。

以上结构中，外气源提供压缩空气到燃烧室，与燃料供给系统提供的燃料按照一定的比例燃烧，提供给涡轮增压器所需能量的燃气，使涡轮增压器的工作状态符合其安装在发动机上的实际工作状态。燃烧室能够合理组织燃料的燃烧，实现最佳的燃烧效率，提供涡轮增压器所需能量的燃气，驱动涡轮机做功，可实现燃气流量、燃气温度及压力等的调节。所述涡轮增压器所需能量的燃气也可以直接由发动机提供。

所述的燃料供给系统用于控制调节燃料的供给，燃料可以是液体燃料，也可以是气体燃料。

所述的涡轮增压器包括涡轮机、轴承体和压气机，可以是固定截面涡轮增压器、废气旁通涡轮增压器、可变喷嘴涡轮增压器、压气机进口回流涡轮增压器、单涡双压涡轮增压器等等多种不同形式的涡轮增压器。

所述的润滑油系统与所述的涡轮增压器轴承体连接，为涡轮增压器转子系统提供循环润滑油，具备供油压力和供油温度的调节功能。

所述的传感器包括气体压力传感器、液体压力传感器、气体温度传感器、液体温度传感器、气体流量传感器、液体流量传感器、应变传感器、转速传感器。传感器位于外气源的内部、燃烧室内部、润滑油系统内部、压气机进排气管路、涡轮机进排气管路上，用于监测气体或液体的温度、压力、流量等，监测采集涡轮增压器转速、轴向力大小和方向，并将获得的数据传递给数据控制与采集处理系统。

所述的数据控制与采集处理系统从各个传感器获得数据，得到涡轮增压器轴向力大小和方向，并使其与涡轮增压器的工况相关联，是所述一种涡轮增压器轴向力测量系统和方法的具体实现。

所述的外围管路辅助系统包括压气机进排气管路、涡轮机进排气管路、润滑油进回油管路，以及与发动机连接的相关管路。

作为优选，轴向力测量系统中还包括静态标定装置，该静态标定装置包括涡轮增压器中间体固定工装、空心螺母、钢丝绳、力传感器和钻夹头。

静态标定装置装配时，所述的被测涡轮增压器转子用专用的空心螺母代替常规轴端螺母，水平固定在工装上，钢丝绳一端穿过空心螺母与增压器转子联接，另一端与钻夹头连接，中间接入力传感器，确保钢丝绳和涡轮增压器转轴共线，且呈水平方向。

以上标定方法基于胡克定律实现，通过控制钻夹头控制施加在转子上的拉力，力传感器进行拉力数据监测和记录，采用示波器采集应变计的电压输出，进而得到力和应变的关系曲线；同时，标定装置实现转轴位于水平方向进行标定，与转轴位于竖直方向标定相比，消除了转子自身重力的影响，且标定安装状态与增压器实际工作安装状态一致，尽可能地降低了试验误差。

作为优选，所述润滑油箱中设有油压调节装置、油温调节装置，具备供油压力和供油温度的调节功能，压力调节范围0～5bar，温度最高到150℃。

作为优选，所述燃烧室进气管路和压气机出口管路上设有节流阀，用于控制调节涡轮机进气流量和压气机出口压力状态，实现测试工况的控制。

本发明的目的之二是提供一种基于上述测量系统的测试方法，通过以下来实现：

一种涡轮增压器轴向力测试方法，包括以下步骤：a.准备待测试的涡轮增压器，将应变片传感器的引线固定在止推轴承板上，完成整体动平衡，测量并记录转子轴向窜动量；b.安装静态标定装置，进行轴向力测量系统标定，标定时消除轴向窜动量；c.将涡轮增压器安装在上述轴向力测量系统中；d.运行测量系统，进行测试，并进行数据采集和记录。

作为优选，所述步骤b中具体包括以下步骤：将待测的涡轮增压器的增压器转子的轴端螺母替换为空心螺母，并将涡轮增压器水平固定在工装上，钢丝绳一端穿过空心螺母与增压器转子联接，另一端与钻夹头连接，中间接入力传感器，确保钢丝绳和涡轮增压器转轴共线，且呈水平方向。

作为优选，所述步骤d中的测试具体包括以下细分步骤：d1.稳态测试：起动轴向力测试系统，打开外气源，燃烧系统工作，控制涡轮机的入口温度T3稳定在一个设定值，使涡轮增压器达到工作转速，状态稳定后，调节燃烧室进气管路和压气机出口管路上的节流阀，按预定工况选择多点进行轴向力测试；d2.瞬态测试：选择涡轮增压器工作状态中的准备阶段、点火阶段、加速稳定段、加速阶段、高速稳定段、减速阶段、减速稳定段、停车阶段、冷却阶段中的一个或若干个阶段，进行瞬态测试，其中：

准备阶段：起动涡轮增压器轴向力测试系统，打开外气源，打开润滑油系统，按设定供油压力Po1和供油温度To1提供中间体润滑油，等待数秒后打开数据控制与采集处理系统，开始按照设定的采样频率采集并连续记录各个传感器测点数据；

点火阶段：启动点火装置完成点火，控制涡轮机入口温度T3稳定在一个设定值，调节节流阀，控制涡轮增压器转速上升至40％最大转速，采集并连续记录各个传感器测点数据；

加速稳定段：涡轮增压器在40％最大转速处稳定运行60s，监测运转正常，采集并连续记录各个传感器测点数据；

加速阶段：调节节流阀，使涡轮增压器转速上升至最大转速，加速率为1000rpm/s，采集并连续记录各个传感器测点数据；

高速稳定段：涡轮增压器在最大转速处稳定运行2min，监测运转正常，采集并连续记录各个传感器测点数据；

减速阶段：调节节流阀，使涡轮增压器转速下降至40％最大转速，减速率为1000rpm/s，采集并连续记录各个传感器测点数据；

减速稳定段：涡轮增压器在40％最大转速处稳定运行60s，监测运转正常，采集并连续记录各个传感器测点数据。

停车阶段：关闭点火装置，减小节流阀，控制涡轮增压器停车，转速降至0，采集并连续记录各个传感器测点数据。

本发明中以上技术具有以下有益效果：

(1)提供了一种涡轮增压器轴向力的测试系统，具备完整的燃烧系统，能够模拟发动机的高温燃气状态，驱动涡轮增压器的轴向力测试工况与其在发动机上的工况相一致。

(2)采用应变片测量涡轮增压器的轴向力，即直观又准确，灵敏度高，瞬态响应快，同时能实现稳态工况和加速-减速等瞬态工况的实时监测。

(3)轴向力测量系统的静态标定方法采取转轴位于水平方向进行标定，与转轴位于竖直方向标定相比，消除了转子自身重力的影响，且标定安装状态与增压器实际工作安装状态一致，尽可能地降低了试验误差。

(4)涡轮增压器轴向力应变片测量法可以在此测试系统中测试涡轮增压器使用工况的轴向力情况，同样适用于直接测量匹配于发动机上的涡轮增压器轴向力。

(5)在涡轮增压器轴向力测试系统上，即涡轮增压器非搭载于发动机上测试时，其测试工况能够完全覆盖涡轮增压器所匹配发动机的运行工况，反映涡轮增压器产品实际应用状态下的轴向力特性。

(6)提供了一种涡轮增压器轴向力的测试系统，同样适用于其他高温燃气驱动的高速旋转机械轴向力测量。

附图说明

图1是本发明的测量系统的示意图。

图2是本发明具体实施例的涡轮增压器轴向力测量系统结构图。

图3是本发明具体实施例的应变法轴向力测量系统结构原理图。

图4是本发明具体实施例应变桥路原理图。

图5是本发明的具体实施例的涡轮增压器结构示意。

图6是本发明的具体实施例的止推轴承示意图。

图7是本发明的具体实施例改制后的止推轴承及应变片粘贴示意图。

图8是本发明的具体实施例的轴向力测量系统的静态标定装置结构图。

图9是止推轴承板上力和应变的关系曲线图。

图10是本发明的具体实施例的稳态测试工况在压气机特性图上的描述。

图11是本发明的具体实施例的瞬态测试循环过程图。

图中：1-外气源；2-气源压力传感器；3-气源温度传感器；4-节流阀A；5-气源流量传感器；6-燃烧室进气管路；7-燃烧室进气温度传感器；8-燃烧室进气压力传感器；9-燃料温度传感器；10-燃料压力传感器；11-燃烧室；12-燃料供给系统；13-燃料流量传感器；14-涡轮机进气压力传感器；15-涡轮机进气管道；16-涡轮机温度传感器；17-涡轮机；18-涡轮机出口压力传感器；19-涡轮机出口温度传感器；20-涡轮机出口管道；21-轴承体；22-润滑油流量传感器；23-润滑油供油温度传感器；24-润滑油供油压力传感器；25-润滑油箱；26-润滑油进油管路；27-润滑油回油压力传感器；28-润滑油回油温度传感器；29-润滑油回油管路；30-节流阀B；31-压气机出口管路；32-压气机出口温度传感器；33-压气机出口压力传感器；34-压气机；35-压气机进口管路；36-压气机流量传感器；37-压气机进口温度传感器；38-压气机进口压力传感器；39-转速传感器；40-应变传感器；41-涡轮增压器转轴；42-燃料供给管路。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的一种涡轮增压器轴向力测量系统详细装置如图2所示，包括外气源1、燃烧系统100、润滑油系统200、涡轮增压器300、数据控制与采集处理系统400、外围管路辅助系统以及传感器。

所述的外气源1提供压缩空气经燃烧室进气管路6进入燃烧室11，燃烧系统100中的燃料供给系统12提供相应比例的燃料，与压缩空气在燃烧室11中充分混合燃烧，提供给涡轮增压器300所需能量的燃气，使涡轮增压器300的工作状态符合其安装在发动机上的实际工作状态。

所述的燃烧系统100包括燃料供给系统12、燃烧室11及其管路42；所述的燃烧室11能够合理组织燃料的燃烧，实现最佳的燃烧效率，提供涡轮增压器300所需能量的燃气，驱动涡轮机17做功；所述的燃料供给系统12用于控制调节燃料的供给，燃料可以是液体燃料，也可以是气体燃料。

所述的润滑油系统200包括润滑油箱25、进油管路26和回油管路27，与涡轮增压器轴承体21连接，为涡轮增压器转子系统提供循环润滑油，润滑油箱25带有油泵、加热和制冷装置，具备供油压力和供油温度的调节功能，压力调节范围0～5bar，温度最高到150℃。

所述的涡轮增压器300包括涡轮机17、轴承体21和压气机34，涡轮机17利用管路15传输的高温燃气，膨胀做功驱动涡轮增压器转轴41转动，连接在转轴另一端的压气机34压缩做功在其出口管路31产生所需压力和流量的压缩空气。

所述的外围管路辅助系统将整个测试系统的气路和油路分别相连接。燃烧室进气管路6将外气源1的空气引入燃烧室11进行燃烧，高温燃气再经涡轮机进气管15进入涡轮机17膨胀做功，随后经涡轮机出口管道20排入大气。压气机34的新鲜空气直接通过压气机进口管路35从大气中吸入，经压缩后的高压空气有压气机出口管路31排出到大气中，或进入发动机。润滑油系统200包括进油管路26和回油管路29。所述的管路辅助系统必须连接可靠、无泄漏，且维持畅通。

所述的燃烧室进气管路6中插入节流阀A4，用于控制调节进入燃烧室11的空气流量，进而调节燃烧，控制涡轮机17可利用的废气能量；所述的压气机排气管路31中插入节流阀B30，调节控制压气机出口压力状态，实现测试工况的控制。

所述的传感器包括位于外气源1处的气源压力传感器3和气源温度传感器2，监测和记录试验时的大气压力和温度状态；包括位于燃烧室进气管路6上的燃烧室进气压力传感器8、燃烧室进气温度传感器7和气源流量传感器5，监测和记录测试状态下参与燃烧的压缩空气状态特性；还包括位于燃烧系统100的燃料供给管路42上的燃料压力传感器10、燃料温度传感器9和燃料流量传感器13，监测和记录涡轮增压器300工作状态下的燃料状态特性；还包括位于涡轮机进气管道15的涡轮机进气压力传感器14、涡轮机温度传感器16，设于涡轮机出口管道20中的涡轮机出口压力传感器18、涡轮机出口温度传感器19，用于监测和记录涡轮机17的工作状态特性；还包括位于润滑油进油管路26中的润滑油供油压力传感器24、润滑油供油温度传感器23和润滑油流量传感器22，设于润滑油回油管路29中的润滑油回油压力传感器27、润滑油回油温度传感器28，用于监测和记录进入轴承体21的润滑油工作状态特性；还包括位于压气机进气管道35的压气机进口压力传感器38、压气机进口温度传感器37和压气机流量传感器36，设于-压气机出口管路31中的压气机出口压力传感器33、压气机出口温度传感器32，用于监测和记录压气机34的工作状态特性。

所述的传感器包括位于压气机34处的转速传感器39，监测和采集涡轮增压器300工作转速。

所述的传感器包括位于轴承体21内部的应变片传感器40，采集测试工况下涡轮增压器300轴向力的状态特性。

所述的数据控制与采集处理系统400显示并记录各个传感器反馈的数据，包括了应变信号采集和处理系统500，如图3所示，应变片40在轴向力作用下产生的变形由应变桥路502转换成电压信号，经应变信号采集仪503进行放大处理后输出到。再根据力-应变之间的函数曲线，便可得到涡轮增压器轴向力大小和方向。测试结果与涡轮增压器的测试工况相对应，是所述一种涡轮增压器轴向力测量系统和方法的具体实现。

所述的应变桥路502采用1/2应变电桥，其中R1为测量片，R2为补偿片，电桥输出电压Uo＝U1-U3。

基于上述装置的一种涡轮增压器轴向力测量方法的具体操作步骤如下：

步骤一：待测涡轮增压器准备。

如图5所示结构的涡轮增压器300，独立的止推轴承板600位于增压器的压气机34端，用于承载涡轮增压器转子303的轴向载荷。涡轮增压器转子303受到的轴向启动合力直接作用在止推轴承板600的油楔面61和62上，见图5，油楔面61和62分别位于止推轴承板600左右两侧，且沿周向均匀分布，油楔面61承载指向压端的轴向力，油楔面62承载指向涡端的轴向力。止推轴承板600固定不动，转子高速旋转，这种相对运动使得供给轴承体的高压润滑油在油楔面处形成动压油膜，具有一定的刚度和阻尼，承载转子轴向力。同时，根据牛顿第三定律，在轴向力的作用下，止推轴承板会产生一定的弹性变形，那么通过应变测试系统采集止推轴承板变形的大小和方向，即可方便获得轴向力的大小和方向。

为了建立止推轴承板600的力-应变关系函数曲线，需对生产使用的止推轴承板600进行改制，改制后的止推轴承板610如图7所示。根据3D的止推轴承板结构仿真计算分析结果，尽可能地去除应变量小的部位63、64、65、66处的结构材料，仅保留必要的安装结构和应变片粘贴位置。

将测量片粘贴位置67，补偿片粘贴位置68，固定应变片引线，装配涡轮增压器中间体21，并按设计要求完成整体动平衡，测量并记录转子轴向窜动量A。

步骤二：轴向力测量系统标定。

所述的轴向力测量系统的静态标定装置700如图8所示。包括涡轮增压器中间体604的固定工装705、空心螺母704、钢丝绳702、力传感器703和钻夹头701。

所述的被测涡轮增压器转子603用专用的空心螺母704代替常规轴端螺母606，并水平固定在工装705上，钢丝绳702一端穿过空心螺母704与增压器转子603联接，另一端与钻夹头701连接，中间接入力传感器703，确保钢丝绳702和涡轮增压器转轴607共线，且呈水平方向。

所述的轴向力测量系统的标定方法基于胡克定律实现，通过控制钻夹头701控制施加在转子303上的拉力，先将转子303拉动，消除轴窜量A，标定测量起始零位，再逐渐加力，力传感器703进行拉力数据监测和记录，采用示波器采集应变计503的电压输出，进而得到作用在止推轴承板610上力和应变的关系曲线，如图9所示，采用二次曲线进行拟合，R平方值应接近1。

所述的标定装置700实现转轴位于水平方向进行标定，与转轴沿竖直方向标定相比，消除了转子自身重力的影响，且标定安装状态与增压器实际工作安装状态一致，尽可能地降低了试验误差。

步骤三：涡轮增压器与测试系统的连接。

涡轮机进气管15与涡轮增压器300的涡轮进口连接，涡轮排气管20与涡轮机出口312连接；压气机进气管35与压气机进口311连接，压气机排气管31与压气机出口连接；润滑进油油管26与中间体滑油入口螺纹313连接，滑油出油管27与中间体出口314法兰连接。

步骤四：运行工况轴向力测试与数据采集记录。

稳态测试：

起动涡轮增压器轴向力测试系统，打开外气源1，启动点火装置100，控制涡轮机17入口温度T3稳定在某一设定值，如模拟柴油机排温650℃，使涡轮增压器300达到工作转速，稳定工作10min。调节燃烧室进气管路6的节流阀A4和压气机出口管路31的节流阀B30，控制按图10所示工况进行轴向力测试。

曲线80为压气机34在所匹配发动机上最低工作转速线，曲线81为压气机34喘震线，曲线82为压气机34最大工作转速线，曲线83为压气机阻塞线，84为等转速运行线，85为等效率运行线。

调节节流阀A4和30，使涡轮增压器300运行至工况S点，即低速阻塞点，作为稳态测试起点，待涡轮增压器转速n、进气流量MF_c稳定后，采集记录此状态下的应变输出电压值，完成S点轴向力测试。随后沿箭头方向调节测试工况，曲线80工况等分测3点；沿喘震线81转速上升，每间隔20000rpm，采集记录一工况点；沿最高转速线82工况等分测5点；最后沿阻塞线83，每间隔20000rpm，测试一工况点。所测试的稳态工况覆盖了涡轮增压器300在所匹配发动机上的运行工况范围86。

瞬态测试：

瞬态测试包括准备阶段91、点火阶段92、加速稳定段93、加速阶段94、高速稳定段95、减速阶段96、减速稳定段97、停车阶段98和冷却阶段99，共九个阶段，参见图11所示。

准备阶段91：起动涡轮增压器轴向力测试系统，打开外气源1，打开润滑油系统，按设定供油压力Po1和供油温度To1提供中间体604润滑油，等待5s后打开数据控制与采集处理系统400，开始按照设定的采样频率采集并连续记录各个传感器测点数据。

点火阶段92：第10s启动点火装置100完成点火，控制涡轮机17入口温度T3稳定在某一设定值，如模拟柴油机排温650℃，调节节流阀A4和节流阀B30，控制涡轮增压器300转速快速上升至40％最大转速。采集并连续记录各个传感器测点数据。

加速稳定段93：涡轮增压器300在40％最大转速处稳定运行60s，监测运转正常。采集并连续记录各个传感器测点数据。

加速阶段94：调节节流阀A4和节流阀B30，使涡轮增压器300转速迅速上升至最大转速，加速率约1000rpm/s。采集并连续记录各个传感器测点数据。

高速稳定段95：涡轮增压器300在最大转速处稳定运行2min，监测运转正常。采集并连续记录各个传感器测点数据。

减速阶段96：调节节流阀A4和节流阀B30，使涡轮增压器300转速迅速下降至40％最大转速，减速率约1000rpm/s。采集并连续记录各个传感器测点数据。

减速稳定段97：涡轮增压器300在40％最大转速处稳定运行60s，监测运转正常。采集并连续记录各个传感器测点数据。

停车阶段98：关闭点火装置400，减小节流阀A4和节流阀B30，控制涡轮增压器300迅速停车，转速降至0，采集并连续记录各个传感器测点数据。5s后关闭数据控制与采集处理系统400，至此瞬态测试工况测试完成。

为防止紧急停车后，涡轮增压器中间体604润滑油回热结焦，润滑油系统200需继续工作，重新打开外气源1，点火系统400关闭，驱动涡轮增压器300在30000～50000rpm运行5～10min，待中间体604充分冷却后，再关闭外气源1，关闭润滑油系统200。

针对测试的试验工况，可以通过润滑系统200调节设置不同的供油压力Po1和供油温度To1进行测试，考察其对轴向力的影响。

通过上述步骤，即可测量得到涡轮增压器转子所受到的气动轴向合力大小和方向，并与涡轮增压器运行工况相关联，测试工况覆盖涡轮增压器在所匹配发动机上的工况，能够作为选择止推轴承板的有效边界条件。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种涡轮增压器轴向力测量系统，其特征在于，包括用于给涡轮增压器(300)供燃气的燃烧系统(100)、用于给涡轮增压器(300)供润滑油的润滑油系统(200)、数据控制与采集处理系统(400)、外观管路辅助系统、传感器；

所述燃烧系统(100)包括燃料供给系统(12)和燃烧室(11)，所述燃烧室(11)还与外气源(1)相连；

所述润滑油系统(200)包括润滑油箱(25)，该润滑油箱(25)与涡轮增压器(300)之间通过进油管路(26)和回油管路(27)相连；

所述传感器设于工作器件内部、由工作器件隔开的管路上、涡轮增压器(300)内部，传感器包括压力传感器、温度传感器、流量传感器、转速传感器、应变片传感器；

所述外观管路辅助系统将测量系统的气路和油路分别相连接；

所述数据控制与采集处理系统(400)用于采集传感器数据并处理、输出。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮增压器轴向力测量系统，其特征在于，轴向力测量系统中还包括静态标定装置，该静态标定装置包括涡轮增压器中间体固定工装、空心螺母、钢丝绳、力传感器和钻夹头。

3.根据权利要求2所述的一种涡轮增压器轴向力测量系统，其特征在于，所述润滑油箱(25)中设有油压调节装置、油温调节装置。

4.根据权利要求3所述的一种涡轮增压器轴向力测量系统，其特征在于，所述燃烧室进气管路(6)和压气机出口管路(31)上设有节流阀(30)。

5.一种涡轮增压器轴向力测试方法，其特征在于，包括以下步骤：a.准备待测试的涡轮增压器，将应变片传感器的引线固定在止推轴承板上，完成整体动平衡，测量并记录转子轴向窜动量；b.安装静态标定装置，进行轴向力测量系统标定，标定时消除轴向窜动量；c.将涡轮增压器安装在权利要求1或2或3或4中的轴向力测量系统中；d.运行测量系统，进行测试，并进行数据采集和记录。

6.根据权利要求5所述的一种涡轮增压器轴向力测试方法，其特征在于，所述步骤b中具体包括以下步骤：将待测的涡轮增压器的增压器转子(603)的轴端螺母(606)替换为空心螺母(704)，并将涡轮增压器水平固定在工装(705)上，钢丝绳(702)一端穿过空心螺母(704)与增压器转子(603)联接，另一端与钻夹头(701)连接，中间接入力传感器(703)，确保钢丝绳(702)和涡轮增压器转轴(607)共线，且呈水平方向。

7.根据权利要求6所述的一种涡轮增压器轴向力测试方法，其特征在于，所述步骤d中的测试具体包括以下细分步骤：

d1.稳态测试：起动轴向力测试系统，打开外气源(1)，燃烧系统工作，控制涡轮机(17)的入口温度T3稳定在一个设定值，使涡轮增压器(300)达到工作转速，状态稳定后，调节燃烧室进气管路(6)和压气机出口管路(31)上的节流阀，按预定工况选择多点进行轴向力测试；

d2.瞬态测试：选择涡轮增压器工作状态中的准备阶段、点火阶段、加速稳定段、加速阶段、高速稳定段、减速阶段、减速稳定段、停车阶段、冷却阶段中的一个或若干个阶段，进行瞬态测试，其中：

准备阶段：起动涡轮增压器轴向力测试系统，打开外气源(1)，打开润滑油系统，按设定供油压力Po1和供油温度To1提供中间体(604)润滑油，等待数秒后打开数据控制与采集处理系统(400)，开始按照设定的采样频率采集并连续记录各个传感器测点数据；

点火阶段：启动点火装置完成点火，控制涡轮机(17)入口温度T3稳定在一个设定值，调节节流阀，控制涡轮增压器(300)转速上升至40％最大转速，采集并连续记录各个传感器测点数据；

加速稳定段：涡轮增压器(300)在40％最大转速处稳定运行60s，监测运转正常，采集并连续记录各个传感器测点数据；

加速阶段：调节节流阀，使涡轮增压器(300)转速上升至最大转速，加速率为1000rpm/s，采集并连续记录各个传感器测点数据；

高速稳定段：涡轮增压器(300)在最大转速处稳定运行2min，监测运转正常，采集并连续记录各个传感器测点数据；

减速阶段：调节节流阀，使涡轮增压器(300)转速下降至40％最大转速，减速率为1000rpm/s，采集并连续记录各个传感器测点数据；

减速稳定段：涡轮增压器(300)在40％最大转速处稳定运行60s，监测运转正常，采集并连续记录各个传感器测点数据；

停车阶段：关闭点火装置，减小节流阀，控制涡轮增压器(300)停车，转速降至0，采集并连续记录各个传感器测点数据。