CN114645858A - 发动机变工况下离心压气机性能测试台架装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发动机变工况下离心压气机性能测试台架装置,其组成是:涡轮背盘温度模拟器与离心压气机同轴安装,并依次连接调速器以及驱动器,同时模拟器背板的表面设有热电偶阵列。在离心压气机的进出口设有测温探针,离心压气机盖板表面及旋转叶片表面亦设有热电偶阵列。气流通过进口管道流量计、进气整流系统,经离心压气机增压后由出口管道排出。本发明能够以设定的参数精确控制离心压气机转速变化;能够以设定的不同温度分布特征控制背板温度,来模拟增压器运转时涡轮背板辐射传热对压气机瞬态性能及内部流场的影响,最终再现增压器变转速时离心压气机内部流动传热典型特征,获取过渡状态下的离心压气机瞬态特性及内部流场。
Description
技术领域
本发明属于发动机涡轮增压器检测技术,具体涉及一种离心压气机性能检测装置。
背景技术
与自然吸气发动机相比,涡轮增压发动机普遍存在涡轮迟滞问题。这主要是由于涡轮增压器与发动机不同轴,当发动机转速或负荷发生变化时,涡轮增压器的转速响应相对滞后,导致动力变化迟滞。为了解决涡轮迟滞问题,已采用了一系列新的技术,如轻量化叶轮、紧凑型中冷器、高效轴承系统及电辅助增压等。随着这些新技术的使用,使得发动机变工况时增压器具有快速响应的趋势。在研发此技术的背景下,亟需构建一种针对增压器处于转速切换过渡状态时的离心压气机试验装置。通过试验台模拟(速度切换过渡态下)离心压气机内部流动时空演化,获得该状态下离心压气机气动特性及内部流场的试验数据,为设计高性能增压器提供理论依据以及试验数据库。
目前离心压气机试验台技术中,专利CN106499651B公开了一种出口脉动流动条件下,离心压气机非稳态特性试验装置及实验方法,能够获得脉动条件下离心压气机非稳态性能,解决了一般离心压气机性能试验仅能提供稳态性能的单一技术问题。专利CN104533816B提出了一种离心压气机径向扩压器的试验装置及其实验方法,其有益效果是适合进行径向扩压器试验,并且具有离心压气机内流动模拟能力、几何因素影响模拟能力、上游来流条件影响模拟能力。然而,上述技术均是在定转速下开展性能或内部流场测试,无法再现发动机变工况下离心压气机处于过渡态时内部流动与传热基本特征。因为传统离心压气机气动特性试验台仅关注内部流动及气动特性(压比、效率及流量),忽视了变转速下压气机与气流之间的热量传递过程,导致测量的瞬态特性与真实过渡态存在较大差异,不具备增压器转速切换时态离心压气机的气动特性及内部流场的测试能力。
发明内容
针对上述实验装置所存在的技术缺陷,本发明提出了一种实时展现发动机变工况下离心压气机性能的测试台架,能够实现增压器转速切换时离心压气机的气动特性及内部流场的测试。
本发明装置的技术方案如下:
发动机变工况下离心压气机性能测试台架装置包括:进口管道、流量计、进气整流系统、离心压气机、出口管道、排气阀门、齿轮变速箱、轴编码器、转速反馈控制系统、变频器、调速器、换热器、热电偶、驱动器、以及交流电机等。其部件组成为:离心压气机依次与涡轮背盘温度模拟器、调速器以及驱动器同轴安装,涡轮背盘温度模拟器前端设有背板和换热器;由多对热电偶组成热电偶阵列,在背板的表面设有热电偶阵列;在离心压气机的进口与出口设有总平均测温探针;离心压气机旋转叶片表面亦设有热电偶阵列。
为了进行离心压气机的性能测试,测试台架设置了多个测试点:在进口管道中设有第一组总压、静压、平均温度测量点;在离心压气机的出口设有第二组总压、静压、平均温度参数测量点;离心压气机轴向出口设有壁面温度测量点;在调速器主轴进口位置设有转速测量点;在背板的表面设有热电偶阵列测量点。
本发明改变了目前利用废气涡轮驱动离心压气机的动力方式,采用由变频器与交流电机构成的调速系统,以及由齿轮变速箱和接有轴编码器的转速反馈控制系统构成驱动系统,精确控制离心压气机转速及其变化。
作为一种新的结构,采用由换热器与背板构成的涡轮背盘温度模拟装置精确模拟涡轮背板温度分布,再现离心压气机变转速下内部流动传热典型特征。
本发明的特点以及取得的有益效果是:
提供了一种用于研究发动机变工况下离心压气机气动特性试验平台及实验方法,能够以设定的参数精确控制离心压气机转速变化;能够以设定的不同温度分布特征控制背板温度,来模拟增压器运转时涡轮背板辐射传热对压气机瞬态性能及内部流场的影响。最终再现增压器变转速时离心压气机内部流动传热典型特征,获取过渡状态下的离心压气机动态性能及内部流场。测试台架结构简单、参数可控、操作方便,提供了更趋近于增压器真实过渡状态的试验平台及试验方法,为发动机变工况下离心压气机性能评估以及内部流场精细化测试提供了实验装置。
附图说明
图1是发动机变工况下离心压气机性能测试台架各部件连接结构示意图。
图2是测试台架上涡轮背盘温度模拟装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图以及实施例对本发明装置的组成以及试验步骤进行详细的说明。通过发动机变工况下其离心压气机动态特性的测量过程,来说明本发明的所产生的有意效果。
发动机变工况下离心压气机性能测试台架装置的部件组成是:离心压气机4依次与涡轮背盘温度模拟器5、调速器6以及驱动器7同轴安装。涡轮背盘温度模拟器前端设有背板51和换热器52;由多对热电偶组成热电偶阵列,在背板的表面设有热电偶阵列;在离心压气机的进口与出口设有总平均测温探针;离心压气机旋转叶片表面亦设有热电偶阵列。
测试台架工作时,气流依次通过进口管道2、流量计1、进气整流系统3,经离心压气机增压后由出口管道8排出,排气阀门9出口与气流出气端相接。
各部件的连接方式:调速器由齿轮变速箱、编码器、以及转速反馈控制系统构成;编码器、转速反馈控制系统依次与齿轮变速箱主轴连接;驱动器依次与变频器和交流电机同轴连接;换热器内接有高温循环水;涡轮背盘温度模拟器的中心开有通孔53,离心压气机主轴穿过通孔。
测试台架的测点布置:进口管道中设有第一组总压、静压、平均温度测量点21;在离心压气机的出口设有第二组总压、静压、平均温度参数测量点81;离心压气机轴向出口设有壁面温度测量点41;在调速器主轴进口位置设有转速测量点61。
利用测试台架装置所对应的试验方法:
步骤一:开启排气阀门,使离心压气机排气处于全开状态,调整换热器循环水温度。待背板表面温度达到工况设定值后,采集测试台架上的进口管道总压、静压、平均温度测量点;出口总压、静压、平均温度参数测量点;离心压气机轴向出口壁面温度测量点;调速器主轴进口位置转速测量点、叶片表面温度测量点及(涡轮背盘温度模拟器前端)背板测量点等各传感器的(零位)输出,确认测试台架装置所有信号正常。
步骤二:启动调速器,调控离心压气机转速,同步采集发动机的转速变化、及第一组总压、静压、平均温度测量点、离心压气机壁面温度测量点、调速器主轴转速测量点、以及第二组总压、静压、平均温度参数测量点的数据,获取发动机变工况下离心压气机的瞬态气动特性及内部流场。
步骤三:调整排气阀门至设定工况对应的位置,用以调整离心压气机的流量,重复步骤一、二,获得不同流量及转速下离心压气机气动特性及内部流场。
离心压气机是测试台架的核心部件,在离心压气机前面布置流量计、进气整流系统,流量计位于进口管道的最前端。进口管道、进气整流系统、离心压气机依次通过法兰连接。在离心压气机的后面设置出口管道及排气阀门;调速器通过联轴器与离心压气机的叶轮轴端连接,驱动器为试验台提供动力。
本实施例中调速器与驱动器由齿轮变速箱与变频电机组成,能够以设定的参数或规律控制离心压气机转速变化。驱动器的电机由变频器控制,通过轴编码器反馈转速,驱动器初始转速控制精度优于0.01%。根据离心压气机所需的转速选定构成调速器中齿轮变速箱的传动比,本实施例的传动比为30:1。
在离心压气机与调速器之间布置涡轮背盘温度模拟装置(图2),该装置的中心设有通孔用于安装传动轴,同时也阻隔热量通过传动轴传至离心压气机。高温循环水从换热器入口端54引入,从出口端55引出至外部管道,实验时通过控制循环水温度及流速,改变换热器内部流道布置控制背板温度分布。选用与涡轮背盘发射率相同的材料加工背板,实现背板温度及辐射换热量的精确控制,再现发动机真实运转时涡轮背盘在高温下压气机内部流动及换热过程。
为了获得发动机变转速工况下增压器过渡状态压气机内部瞬态流场及换热特性,本发明设有多个参数测试位置,如:在进口管道中设有参数测量点布置快速响应的测温探针、高频多孔探针以测量动态总温、总压及静压。计算进气马赫数,得到气流静温。在盖板背面均匀布置热电偶阵列,用以捕捉内部热量传递过程。总温是气体动力学专业一个专有名词,指一流体以绝热过程完全静止时,它的动能将转化为内能时反映出来的温度。
发动机变转速过程中,同步采集上述所有参数在转速变化过程中的瞬态值,以捕捉内部动态流动传热过程。
本发明所提供的用于研究发动机变工况下离心压气机气动特性试验平台及试验方法,能够以特定规律精确控制离心压气机转速变化、能够以特定温度分布特征控制背板温度进而模拟增压器运转时涡轮背板辐射传热对压气机瞬态性能及内部流场的影响,最终再现增压器变转速时离心压气机内部流动传热典型特征。
Claims (3)
1.发动机变工况下离心压气机性能测试台架装置,包括:进口管道、流量计、进气整流系统、离心压气机、出口管道、排气阀门、齿轮变速箱、轴编码器、转速反馈控制系统、变频器、调速器、换热器、热电偶、驱动器、以及交流电机,其特征在于:离心压气机(4)依次与涡轮背盘温度模拟器(5)、调速器(6)以及驱动器(7)同轴安装,涡轮背盘温度模拟器前端设有背板(51)和换热器(52);由多对热电偶组成热电偶阵列,在背板的表面设有热电偶阵列;在离心压气机的进口与出口设有总平均测温探针;离心压气机旋转叶片表面亦设有热电偶阵列,测试台架工作时,气流依次通过进口管道(2)、流量计(1)、进气整流系统(3),经离心压气机增压后由出口管道(8)排出,排气阀门(9)出口与气流出气端相接。
2.按照权利要求1所述的发动机变工况下离心压气机性能测试台架装置,其特征是:所述调速器由齿轮变速箱、编码器、以及转速反馈控制系统构成;编码器、转速反馈控制系统依次与齿轮变速箱主轴连接;所述驱动器依次与变频器和交流电机同轴连接;所述换热器内接有高温循环水;所述涡轮背盘温度模拟器的中心开有通孔(53),离心压气机主轴穿过通孔。
3.按照权利要求1所述的发动机变工况下离心压气机性能测试台架装置,其特征是:在所述进口管道中设有第一组总压、静压、平均温度测量点(21);在所述离心压气机的出口设有第二组总压、静压、平均温度参数测量点(81);离心压气机轴向出口设有壁面温度测量点(41);在所述调速器的主轴进口设有转速测量点(61),在所述背板的表面设有热电偶阵列测量点。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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