CN1793819A

CN1793819A - 涡轮增压器自循环低周疲劳试验台

Info

Publication number: CN1793819A
Application number: CNA2005101355651A
Authority: CN
Inventors: 黄若; 马朝臣; 张虹; 孟令广; 张志强; 鲍捷; 李改林
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing University of Technology; Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2005-12-30
Filing date: 2005-12-30
Publication date: 2006-06-28

Abstract

本发明公开了一种涡轮增压器自循环低周疲劳试验台，包括外气源进气阀、燃烧室、增压器压气机进、出口管道、燃气转换阀和增压器排气管道，其中燃烧室一端与外气源进气阀连接，另一端与燃气转换阀连接，增压器压气机出口管道一端安装在进气阀与燃烧室之间的管道上，压气机出口管道的另一端连接在增压器上，燃气转化阀与增压器涡轮进口连接，增压器上设置增压器压气机进气与涡轮排气管道。该试验台利用增压器压气机压缩后的空气代替外气源输入的压缩空气，在燃烧室喷入燃油点火燃烧后，产生的燃气驱动增压器涡轮运转，从而实现增压器的自循环运转，将大大减少电力的消耗，仅仅需要消耗适量的柴油，降低了实验成本。

Description

涡轮增压器自循环低周疲劳试验台

技术领域

本发明涉及一种疲劳试验台，尤其涉及一种涡轮增压器自循环低周疲劳试验台。

背景技术

涡轮增压器在车用发动机上的应用大大提高了动力性、经济性、改善了排放性能。在当今能源危机、环保要求日益苛刻的前提下，汽车能保持强有力的生命力，增压技术功不可没。增压器的广泛应用使增压器的可靠性显得日益重要。作为涡轮增压器核心零件的压气机叶轮与涡轮，特别是高速、高压比叶轮，低周疲劳破坏是其主要失效模式，受实验条件等限制，目前我国对车用涡轮增压器压气机叶轮低周疲劳实验研究较少。

疲劳的定义：材料在反复交变的载荷作用下，虽然载荷没有超过强度极限，但产生裂纹、裂纹扩展直到构件发生断裂损坏，这叫做疲劳。

有50％～90％的机械结构的破坏是属于疲劳破坏。1839年波克莱特(Poncelet)首先使用了“疲劳”一词来描述在反复施加的载荷作用下的结构破坏现象。1852年到1870年之间，德国工程师韦勒在由他本人发明的试验机上进行许多重复交变应力下的疲劳试验，首次对车轴的疲劳问题进行了系统的研究。提出了疲劳极限的概念和S-N曲线。

低周疲劳：在S-N曲线上以载荷循环次数为10⁴的点为界把一条S-N曲线分成了三段，即低周疲劳(LCF)区，高周疲劳(HCF)区，以及亚疲劳极限(SF)区。在高应力低周疲劳情况下，应力峰值进入塑性区，疲劳寿命(以达到断裂的总循环数计算)很低，这种疲劳破坏称为低周疲劳(Low Cycle Fatigue，缩写为LCF)，材料在宏观上显示为屈服，应力应变关系不再是线性的。

高周疲劳：在S-N曲线上载荷循环次数高于10⁴的区段，这种疲劳中所承受的交变应力水平都处于弹性变形范围内，材料在低应力高周疲劳情况下材料的应力应变关系是线性的。实际上，在高周疲劳过程中，局部峰值应力部位也出现塑性应变，不过塑性应变较小而已。

压气机叶轮与涡轮叶轮是涡轮增压器的核心零部件，其寿命主要取决于压气机叶轮与涡轮叶轮的低周疲劳(Low Cycle Fatigue)寿命。

传统的增压器低周疲劳试验主要采用外气源压缩空气，经过燃烧室喷油点火燃烧后驱动增压器进行，这种方式需要消耗大量的压缩空气，如对于普通的150KW发动机配套增压器(叶轮直径约75mm)，需要应用电功率为130KW左右的空气压缩机。由于低周疲劳试验耗时长，通常为几百个小时，一次低周疲劳试验将耗费大量电力。

低周疲劳研究的意义：

1)、预测寿命：工程上，有一些结构或部件在工作环境下承受较高水平的循环应力载荷，应力峰值进入了了材料的塑性区。如：飞机起落架、航空发动机涡轮转子和叶轮、涡轮增压器叶轮、压力容器、炮筒、蒸汽涡轮转子和壳体等。这些部件的疲劳寿命属于低周疲劳寿命，从而提出低周疲劳研究的必要性。

2)、工程构件的轻量化和经济性要求：早期工程构件的疲劳设计主要是以疲劳极限为依据，而且其工作的实际应力水平还远小于σ-1(对称循环下的疲劳极限)，所以，这类设计必然意味着要求构件有无限寿命，但是随着设计观念的发展，在许多情况下，更要求结构紧凑、质量减轻、允许较大的载荷，提高经济性，从而意味着对构件只要求有限寿命，这尤其对航空、航天领域有重大意义，航天领域的一些构件寿命要求只要求成功进行几次甚至一次循环就行，这就要求进行低周疲劳的研究。

一般构件的设计名义应力，不会达到材料的屈服应力，但构件上存在缺口、缺陷、或类似几何形貌的部件可由应力集中而使构件的某一局部(某一薄弱环节)接近、甚至进入了塑性状态。在进行寿命设计时应该以此局部的应力水平进行低周疲劳分析。

3)、涡轮增压器压气机叶轮低周疲劳研究的必要性：研究表明增压器的压气机叶轮承受循环动载荷，在局部的高应力区常会超过材料的屈服极限，引起塑性应变，随着循环次数的增加，塑性应变能逐渐累积，正是这种逐渐累积的塑性应变能导致材料的低周疲劳破坏。对于材料在高应力低周疲劳范围内，由于材料进入塑性变形状态，应力的变化极小，故使用ε-N曲线比S-N曲线更有效。

现在国外已有利用外气源的涡轮增压器自循环低周疲劳试验台(装置)，但是未应用自循环原理，从而有许多的缺点。

国内迄今还没有涡轮增压器自循环低周疲劳试验台。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供了应用增压器压气机工作产生的压缩空气的一种涡轮增压器自循环底周疲劳试验台。

本发明的技术方案是这样实现的，一种涡轮增压器自循环低周疲劳试验台，包括外气源进气阀、燃烧室、增压器压气机进、出口管道、燃气转换阀和增压器涡轮排气管道，其中燃烧室一端与外气源进气阀连接，另一端与燃气转换阀连接，增压器压气机出口管道一端安装在进气阀与燃烧室之间的管道上，压气机出口管道的另一端连接在增压器上，燃气转化阀与增压器涡轮进口连接，增压器上设置增压器涡轮排气管道。在增压器压气机进、出口管道、燃气转换阀和增压器之间进气管道、增压器涡轮排气管道上设置气体压力、温度测量装置，实现增压器试验参数的测量。

所述的外气源进气阀为燃烧室点火启动提供压缩空气，点火启动后关闭。

所述的燃烧室将喷入的柴油燃烧产生高温燃气，给增压器运转提供能量。

所述的燃气转换阀采用电气控制的耐高温的燃气转换阀，通过调节阀门的旋转开启速度，调节压缩空气进入增压器的频率，实现低周疲劳试验。

所述的安装在外气源进气阀与燃烧室之间管道上的增压器压气机出口管道为两条，燃气转化阀分别与两个涡轮增压器连接。

在外气源进气阀与燃烧室之间管道上的设置燃油接口，燃油接口通过油管与燃油箱及输送泵连接，提供设备所需的燃油。

燃烧室上设置点火装置。

在增压器上设置进出油接口，进出油接口通过油管与输送泵及润滑油箱连接，接入、接出润滑油，提供增压器所需的润滑油。润滑油出口通过油管与润滑油箱连接，润滑油回流到润滑油箱，实现润滑油的循环。

工作原理

本发明将自循环原理应用于其中。即：将增压器压气机压缩后的空气代替外气源输入的压缩空气，再经过燃烧室喷油点火燃烧后，采用一个电气控制的耐高温燃气转换阀门，通过调整阀门的旋转开启速度，调节压缩空气分别进入两个增压器的频率，实现两个增压器同时进行的低周疲劳试验。

涡轮增压器自循环低周疲劳试验台的主要用途：

1、发动机采用涡轮增压技术能够大幅度提高功率、减少排气污染、改善经济性能，涡轮增压是内燃机最主要的技术发展方向之一。因此，近年来涡轮增压器得到了日益广泛的应用。目前，全世界商用车(载重卡车、大型客车)90％以上配置增压器，乘用车约10％采用了增压器。发展方向是100％涡轮增压。目前全世界涡轮增压器的需求增长以10％以上的比率递增，而国内则以30％左右的比率递增，涡轮增压器市场需求巨大，前景非常广阔。

2、增压器应用的迅猛发展，对其可靠性能提出了越来越高的要求，而增压器低周疲劳试验是一项重要的、基础可靠性试验，开展该项试验越来越迫切、越来越普遍。因此，涡轮增压器自循环低周疲劳试验台(装置)将具有良好的市场前景。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明将很容易进行涡轮增压器叶轮的低周疲劳试验，从而获得压气机叶轮与涡轮叶轮的低周疲劳实验数据，为提高增压器叶轮可靠性，提高增压器使用寿命，提供实验基础。

2、传统的增压器低周疲劳试验主要采用外气源压缩空气、经过燃烧室喷油点火燃烧后驱动增压器进行，这种方式需要消耗大量的压缩空气，如对于普通的150KW发动机配套增压器(叶轮直径约75mm)，需要应用电功率为130KW左右的空气压缩机。由于低周疲劳试验耗时长(通常为几百个小时)，一次低周疲劳试验将耗费大量电力。应用本发明，将大大减少电力的消耗，仅仅需要消耗适量的柴油。

3、减少增压器低周疲劳试验对电力的依靠，减少增压器低周疲劳试验对压缩空气的要求，特别只需应用微型空气压缩机即可进行试验。

4、能够满足发动机对涡轮增压器日益严格的技术性能要求。

5、可以同时进行两台涡轮增压器的自循环低周疲劳试验。

6、用外气源压缩空气需要大型空气压缩机、且耗费大功率的电力，因此，应用增压器压气机工作产生的压缩空气，更容易实现涡轮增压器的自循环低周疲劳试验，而且，降低了涡轮增压器自循环低周疲劳试验的门坎值，降低了实验成本，从而促进了涡轮增压器寿命与可靠性研究工作的开展，进而提高了增压器的性能，促进了增压器技术的发展。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明润滑油箱及循环系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种涡轮增压器自循环底周疲劳试验台，包括外气源进气阀1、燃烧室2、增压器压气机出口管道3、增压器压气机出口管道4、燃气转换阀5、增压器涡轮排气管道6、增压器涡轮排气管道7，其中燃烧室2一端与外气源进气阀1连接，另一端与燃气转换阀4连接，增压器压气机出口管道3、4的一端安装在燃气进气阀1与燃烧室2之间的管道上，压气机出口管道3的另一端连接在增压器9上，压气机出口管道4的另一端连接在增压器8上，燃气转化阀4与增压器8、9分别连接，在增压器压气机进、出口管道、燃气转换阀5和增压器之间的管道上布置有压力、温度测量装置21，增压器8上设置增压器涡轮排气管道6，增压器9上设置增压器涡轮排气管道7。燃烧室上设置点火装置13。

所述的外气源进气阀1通过管道入口16为燃烧室2点火启动提供压缩空气，点火启动后关闭。

所述的燃烧室2将喷入的柴油燃烧产生高温燃气，给增压器8、9运转提供能量。

所述的燃气转换阀5采用电气控制的耐高温的燃气转换阀，通过调节阀门的旋转开启速度，调节压缩空气进入增压器8、9的频率，实现低周疲劳试验。

在外气源进气阀1与燃烧室2之间管道上的设置燃油接口15，燃油接口15通过油管与燃油箱及输送泵14连接，提供设备所需的燃油。

图1中箭头所示表示增压器气体流动方向，增压器8、9中的气体通过压气机出口管道3、4进入燃烧室2，燃烧产生高温燃气，从而代替外气源输入的压缩空气，通过调节转换阀门5的旋转开启速度，调节压缩空气进入两个增压器8、9的频率，给增压器8、9提供运转的能量，从而更实现涡轮增压器的自循环低周疲劳试验。

涡轮增压器8、9上设置有压气机进气管道10、11，用于增压器进气，上面布置有压力、温度测量装置21，增压器排气管道6、7延伸后结合在一起，上面也布置有压力、温度测量装置21，废气从增压气废气排放口12排出。

如图2所示，润滑油进油接口18通过油管与输送泵20及润滑油箱19连接，另一端通过油管与增压器上的进油接口相连，提供增压器所需的润滑油。润滑油回油接口17接在润滑油箱19上，另一端通过油管与增压器上的回油接口相连，实现增压器回油。从而实现增压器润滑油的循环。

增压器8、9上的进出油接口在图中没有画出，因为是现有技术，它们之间的连接也为普通连接。图2中箭头所示表示增压器润滑油流动方向。

Claims

1、一种涡轮增压器自循环低周疲劳试验台，包括外气源进气阀、燃烧室，其特征在于还包括增压器压气机进、出口管道、燃气转换阀和增压器涡轮排气管道，其中燃烧室一端与外气源进气阀连接，另一端与燃气转换阀连接，增压器压气机出口管道一端安装在进气阀与燃烧室之间的管道上，增压器压气机出口管道的另一端连接在增压器上，燃气转化阀与增压器连接，增压器上设置增压器涡轮排气管道。

2、根据权利要求1所述的涡轮增压器自循环低周疲劳试验台，其特征在于所述的外气源进气阀为燃烧室点火启动提供压缩空气，点火启动后关闭。

3、根据权利要求1所述的涡轮增压器自循环低周疲劳试验台，其特征在于所述的燃烧室将喷入的柴油燃烧产生高温燃气，给增压器运转提供能量。

4、根据权利要求1所述的涡轮增压器自循环低周疲劳试验台，其特征在于所述的燃气转换阀采用电气控制的耐高温的燃气转换阀，通过调节阀门的旋转开启速度，调节压缩空气进入增压器的频率，实现低周疲劳试验。

5、根据权利要求1至4之一所述的涡轮增压器自循环低周疲劳试验台，其特征在于所述的安装在外气源进气阀与燃烧室之间管道上的增压器压气机出口管道为两条，燃气转化阀分别与两个涡轮增压器连接。

6、根据权利要求1至4之一所述的涡轮增压器自循环低周疲劳试验台，其特征在于外气源进气阀与燃烧室之间管道上设置燃油接口，燃油接口通过油管与燃油箱及输送泵连接，提供设备所需的燃油。

7、根据权利要求1至4之一所述的涡轮增压器自循环低周疲劳试验台，其特征在于燃烧室上设置点火装置。

8、根据权利要求1至4之一所述的涡轮增压器自循环低周疲劳试验台，其特征在于增压器进出油接口上接入、接出润滑油，润滑油接口通过油管与输送泵及润滑油箱连接，提供增压器所需的润滑油，润滑油出口通过油管与润滑油箱连接，润滑油回流到润滑油箱，实现润滑油的循环。

9、根据权利要求1至4之一所述的涡轮增压器自循环低周疲劳试验台，其特征在于增压器压气机进、出口管道、燃气转换阀和增压器之间进气管道、增压器涡轮排气管道上设置气体压力、温度测量装置，实现增压器试验参数的测量。