CN111089727A - 一种涡轮增压器变海拔模拟试验台及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种涡轮增压器变海拔模拟试验台，外接气源的空压机与燃烧室的进气端连接，燃油系统向燃烧室提供燃油，燃烧室的出气端与涡轮的进口端连接，涡轮的出口端与排气稳压箱的进口端相连，排气稳压箱的出口端与真空泵进口端相连，真空泵的出口端与大气环境想通；离心压气机与涡轮同轴连接且离心压气机的进气端连接进气稳压箱的出口端，进气稳压箱进口管连接大气，离心压气机的出气端连接出气管道，管道上并联有背压调节阀与快速退喘阀；所述离心压气机的出气管道和燃烧室进气管连通。本发明可模拟涡轮增压器在变海拔实际工作时的大气环境，并分别研究在该条件下涡轮增压器离心压气机特性和涡轮效率特性。

Description

一种涡轮增压器变海拔模拟试验台及试验方法

技术领域

本发明属于发动机技术领域，特别涉及一种涡轮增压器变海拔模拟试验台及试验方法。

背景技术

我国高原地区面积辽阔、海拔高且海拔变化范围大，对内燃机不仅具有高原工作需求，也具有变海拔工作需求。涡轮增压作为满足内燃机高原工作需求的重要手段，其实现的关键部件——涡轮增压器的匹配设计方法对改善增压内燃机的变海拔性能具有重要影响。随着变海拔条件下内燃机动力性、经济性和排放性能的要求不断提高，涡轮增压器的高海拔设计和匹配方法成为制约内燃机变海拔性能提升的关键。

传统的车用发动机普遍采用活塞式内燃机，由于旋转叶轮机械与往复活塞之间运动特性不同，虽然在涡轮增压器的某匹配设计点工况可以获得较好的性能，但当内燃机在变海拔条件下的实际工作过程中，一旦工况条件发生变化，特别是进、排气环境的改变，将导致内燃机实际运行线与涡轮增压器的匹配联合运行线发生偏离，产生匹配失调现象，从而导致内燃机动力性、经济性等性能指标显著下降。

因此，通过试验方法模拟研究进排气压力、温度变化条件下涡轮增压器的特性规律对于提高内燃机变海拔性能具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述现有技术中存在的不足，而提供一种涡轮增压器变海拔模拟试验台，该试验台能够实现模拟涡轮增压器在变海拔实际工作时的大气环境，并分别研究在该条件下涡轮增压器离心压气机特性和涡轮效率特性，使涡轮增压器性能测试结果更接近于实际运行工况，解决目前涡轮增压器性能试验台只能研究涡轮增压器在固定海拔工作时性能的问题。

本发明的另一目的是提供上述涡轮增压器变海拔模拟试验台的试验方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种涡轮增压器变海拔模拟试验台，包括外接气源的空压机、燃烧室、涡轮、排气稳压箱、真空泵、离心压气机、进气稳压箱；其特征在于：外接气源的空压机通过燃烧室进气管与燃烧室的进气端连接，燃油系统通过燃烧室内的喷油孔向燃烧室提供燃油，燃烧室的出气端通过涡轮进气管与涡轮的进口端连接，涡轮的出口端通过涡轮排气管与排气稳压箱的进口端相连且在连接管上安装热交换器，排气稳压箱的出口端与真空泵进口端相连且在连接管上安装有背压调节阀，真空泵的出口端与大气环境想通，涡轮由来自燃烧室的高温燃气所驱动高速旋转；离心压气机与涡轮同轴连接且离心压气机的进气端连接进气稳压箱的出口端，进气稳压箱进口管连接大气且管道上安装有进气节流阀和温控装置，离心压气机的出气端连接出气管道通向大气，管道上并联有背压调节阀与快速退喘阀；所述离心压气机的出气管道和燃烧室进气管连通且在连接管上安装二位四通阀。

所述燃烧室进气管上安装有空气加热器、气源进气调节阀、压力计和流量计。

所述燃烧室出气管上安装有压力变送器、温度变送器、进口温度传感器、进口总压传感器和进口静压传感器。

所述离心压气机与涡轮同轴连接的轴间通过润滑系统进行润滑。

所述离心在压气机的出气端连接的出气管道上安装有压力变送器、温度变送器、出口温度传感器、出口总压传感器和出口静压传感器。

所述离心压气机内安装转速传感器测量增压器转速。

利用上述涡轮增压器变海拔模拟试验台进行变海拔模拟的试验方法，包括如下步骤：

第一步，将涡轮增压器调节至平原稳定的测试工况：首先将增压器安装到涡轮增压器变海拔模拟试验台，准备至正常工作状态；然后，开启离心压气机端进气系统和涡轮端气源，调节至标准大气环境条件，燃烧室点火推动涡轮做功，带动压气机压缩空气，确认增压器工作状态；

第二步，进行离心压气机变海拔特性试验：

首先，打开进气稳压箱连接阀门，通过离心压气机端进气节流阀调节进气压强，通过稳压箱温控系统调节进气温度，根据压气机进口总温和所需折合转速，压气机特性试验按等折合转速进行，改变涡轮端进气阀开度或调节燃烧室燃油量以调节增压器转速，通过离心压气机端背压调节阀调节压气机出口压强以调节压气机工作流量，试验时每条等折合转速线均从喘振流量到堵塞流量逐点测量，记录相关试验数据；

然后，调整进气压力和温度至模拟目标海拔高度所对应的标定值，参照上述步骤，记录相关试验数据；

最后，调整进气压力和温度至标准大气环境稳定工作状态后再停机，检查并记录试验台架情况，优化后提供实测结果进行数据处理和评估；

第三步，进行涡轮变海拔效率特性试验：

首先，打开涡轮端的外接气源的空压机压缩空气，经加热后驱动涡轮稳定转动，同时打开真空泵，通过调节背压调节阀控制排气稳压箱压力即排气背压，通过稳压箱温控系统调节模拟大气环境温度，涡轮效率特性试验按轮周马赫数或相似转速进行分档测量，记录相关试验数据；

然后，调整排气背压和温度至模拟目标海拔高度所对应的标定值，参照上述步骤，记录相关试验数据；

最后，调整排气背压和温度至标准大气环境稳定工作状态再停机，检查并记录试验台架情况，优化后提供实测结果进行数据处理和评估。

本发明的试验台能够实现模拟涡轮增压器在变海拔(0～5500m海拔范围)实际工作时的大气环境，并分别研究在该条件下涡轮增压器离心压气机特性和涡轮效率特性，使涡轮增压器性能测试结果更接近于实际运行工况，解决目前涡轮增压器性能试验台只能研究涡轮增压器在固定海拔工作时性能的问题。

附图说明

图1为本发明试验台的连接及工作示意图；

图2为本发明试验台进行涡轮变海拔效率特性试验测点布置示意图；

图3为本发明试验台进行离心压气机变海拔特性试验测点布置示意图；

图4为本发明试验不同模拟海拔对应的模拟进气压力和温度示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

参见图1，一种涡轮增压器变海拔模拟试验台，包括外接气源的空压机1、燃烧室5、涡轮6、排气稳压箱8、真空泵10、离心压气机、进气稳压箱。外接气源的空压机1通过燃烧室进气管与燃烧室的进气端连接，燃油系统通过燃烧室内的喷油孔向燃烧室提供燃油，燃烧室的出气端通过涡轮进气管与涡轮的进口端连接，涡轮的出口端通过涡轮排气管与排气稳压箱8的进口端相连且在连接管上安装热交换器7，排气稳压箱8的出口端与真空泵10进口端相连且在连接管上安装有背压调节阀9，真空泵的出口端与大气环境想通，涡轮由来自燃烧室的高温燃气所驱动高速旋转。所述燃烧室进气管上安装有空气加热器、压力计2、流量计3和气源进气调节阀4。所述燃烧室出气管上安装有压力变送器11、温度变送器12、进口温度传感器13、进口总压传感器14和进口静压传感器15。

离心压气机16与涡轮6同轴连接且离心压气机的进气端连接进气稳压箱17的出口端，进气稳压箱的进口管连接大气且管道上安装有进气节流阀18和温控装置19，离心压气机的出气端连接出气管道通向大气，管道上并联有背压调节阀20与快速退喘阀21；所述离心压气机的出气管道和燃烧室进气管连通且在连接管上安装二位四通阀22。所述离心在压气机的出气端连接的出气管道上安装有压力变送器23、温度变送器24、出口温度传感器25、出口总压传感器26和出口静压传感器27。所述离心压气机与涡轮同轴连接的轴间通过润滑系统进行润滑，所述离心压气机内安装转速传感器测量增压器转速。

基于所述一种涡轮增压器变海拔模拟试验台进行变海拔模拟的试验方法的具体步骤如下：

第一步，将涡轮增压器调节至平原稳定的测试工况：

首先，将增压器安装到涡轮增压器变海拔模拟试验台上，加入燃油、润滑液和冷却液，连接台架和增压器的线束，准备至正常工作状态。

然后，开启压气机端进气系统和涡轮端气源调节至标准大气环境条件，燃烧室点火模拟发动机燃烧加热过程(燃烧室加热所产生高温气体质量流量覆盖0.12～1.20kg/s，出口加热温度300～900℃)，推动涡轮做功，带动压气机压缩空气，确认增压器工作状态。

第二步，进行离心压气机变海拔特性试验：

首先，打开进气稳压箱(其容积应使气流速度马赫数小于0.05)以及进气稳压箱连接阀门，通过离心压气机进气节流阀调节进气压强，通过进气稳压箱温控装置调节进气温度，调整离心压气机进气压力(101.33kPa)和温度(15℃)，模拟海拔高度为0m，根据离心压气机进口总温和所需折合转速，压气机特性试验按等折合转速进行，改变涡轮端进气阀开度或调节燃烧室燃油量以调节增压器转速。测量顺序可从最高允许转速到最低使用转速，等转速线以适当间隔分档，但不得少于5条。通过离心压气机端背压阀调节压气机出口压强以调节压气机工作流量，试验时每条等折合转速线均从喘振流量到堵塞流量逐点测量(至少测量5个点)，记录增压器转速、压气机流量、压气机进口气体总压、压气机出口气体总压、压气机进口气体总温、压气机出口气体总温。其中，当压气机接近喘振区运行时，应缓慢的减少压气机空气流量，测出压气机喘振点；当压气机接近堵塞区运行时，应缓慢的增加压气机空气流量，测出压气机堵塞点。

然后，调整进气压力和温度至模拟目标海拔高度所对应的标定值(不同模拟海拔对应的模拟进气压力和温度如图4所示)，参照上述步骤，记录增压器转速、压气机流量、压气机进口气体总压、压气机出口气体总压、压气机进口气体总温、压气机出口气体总温。

最后，调整进气压力(101.33kPa)和温度(15℃)，待环境稳定至标准大气环境时，再次确认试验台架状态。待增压器稳定工作后再停机，检查并记录试验台架情况，优化后提供实测结果进行数据处理和评估。

第三步，进行涡轮变海拔效率特性试验：

首先，打开涡轮端的外气源压缩空气，经加热后驱动涡轮稳定转动。同时打开真空泵，通过调节背压调节阀控制排气稳压箱压力即排气背压，通过稳压箱温控系统调节模拟大气环境温度，调整涡轮端排气背压(101.33kPa)和温度(15℃)，试验全程模拟大气环境条件应保持一致，避免由此带来测量误差。增压器润滑油进口油压力为(3±0.5)×100kPa；进口油温为50～75℃，出口油温不大于120℃。增压器试验转速偏差应控制在±0.5％转速范围内。涡轮效率特性试验按轮周马赫数或相似转速进行分档测量，记录涡轮转速、进口气体流量、进口气体静压、进口气体总压、进口气体总温、出口气体静压、出口气体总压、出口气体总温。

然后，调整排气背压和温度至模拟目标海拔高度所对应的标定值，参照上述步骤，记录涡轮转速、进口气体流量、进口气体静压、进口气体总压、进口气体总温、出口气体静压、出口气体总压、出口气体总温。

最后，调整排气背压(101.33kPa)和温度(15℃)，待环境稳定至标准大气环境时，再次确认试验台架状态。待增压器稳定工作后再停机，检查并记录试验台架情况，优化后提供实测结果进行数据处理和评估。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种涡轮增压器变海拔模拟试验台，包括外接气源的空压机、燃烧室、涡轮、排气稳压箱、真空泵、离心压气机、进气稳压箱；其特征在于：外接气源的空压机通过燃烧室进气管与燃烧室的进气端连接，燃油系统通过燃烧室内的喷油孔向燃烧室提供燃油，燃烧室的出气端通过涡轮进气管与涡轮的进口端连接，涡轮的出口端通过涡轮排气管与排气稳压箱的进口端相连且在连接管上安装热交换器，排气稳压箱的出口端与真空泵进口端相连且在连接管上安装有背压调节阀，真空泵的出口端与大气环境想通，涡轮由来自燃烧室的高温燃气所驱动高速旋转；离心压气机与涡轮同轴连接且离心压气机的进气端连接进气稳压箱的出口端，进气稳压箱进口管连接大气且管道上安装有进气节流阀和温控装置，离心压气机的出气端连接出气管道通向大气，管道上并联有背压调节阀与快速退喘阀；所述离心压气机的出气管道和燃烧室进气管连通且在连接管上安装二位四通阀。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器变海拔模拟试验台，其特征在于：所述燃烧室进气管上安装有空气加热器、气源进气调节阀、压力计和流量计。

3.根据权利要求1所述的涡轮增压器变海拔模拟试验台，其特征在于：所述燃烧室出气管上安装有压力变送器、温度变送器、进口温度传感器、进口总压传感器和进口静压传感器。

4.根据权利要求1所述的涡轮增压器变海拔模拟试验台，其特征在于：所述离心压气机与涡轮同轴连接的轴间通过润滑系统进行润滑。

5.根据权利要求1所述的涡轮增压器变海拔模拟试验台，其特征在于：所述离心在压气机的出气端连接的出气管道上安装有压力变送器、温度变送器、出口温度传感器、出口总压传感器和出口静压传感器。

6.根据权利要求1所述的涡轮增压器变海拔模拟试验台，其特征在于：所述离心压气机内安装转速传感器测量增压器转速。

7.一种根据权利要求1所述的涡轮增压器变海拔模拟试验台的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，将涡轮增压器调节至平原稳定的测试工况：首先将增压器安装到涡轮增压器变海拔模拟试验台，准备至正常工作状态；然后，开启离心压气机端进气系统和涡轮端气源，调节至标准大气环境条件，燃烧室点火推动涡轮做功，带动压气机压缩空气，确认增压器工作状态；

第二步，进行离心压气机变海拔特性试验：

首先，打开进气稳压箱连接阀门，通过离心压气机端进气节流阀调节进气压强，通过稳压箱温控系统调节进气温度，根据压气机进口总温和所需折合转速，压气机特性试验按等折合转速进行，改变涡轮端进气阀开度或调节燃烧室燃油量以调节增压器转速，通过离心压气机端背压调节阀调节压气机出口压强以调节压气机工作流量，试验时每条等折合转速线均从喘振流量到堵塞流量逐点测量，记录相关试验数据；

然后，调整进气压力和温度至模拟目标海拔高度所对应的标定值，参照上述步骤，记录相关试验数据；

最后，调整进气压力和温度至标准大气环境稳定工作状态后再停机，检查并记录试验台架情况，优化后提供实测结果进行数据处理和评估；

第三步，进行涡轮变海拔效率特性试验：

首先，打开涡轮端的外接气源的空压机压缩空气，经加热后驱动涡轮稳定转动，同时打开真空泵，通过调节背压调节阀控制排气稳压箱压力即排气背压，通过稳压箱温控系统调节模拟大气环境温度，涡轮效率特性试验按轮周马赫数或相似转速进行分档测量，记录相关试验数据；

然后，调整排气背压和温度至模拟目标海拔高度所对应的标定值，参照上述步骤，记录相关试验数据；

最后，调整排气背压和温度至标准大气环境稳定工作状态再停机，检查并记录试验台架情况，优化后提供实测结果进行数据处理和评估。

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