车用涡轮增压器试验台与试验技术

! 引言
涡轮增压器利用内燃机排气能量推动涡轮做 功 ! 增大内燃机进气压力 ! 从而使内燃机功率提高 ! 燃油消耗率和排气污染降低 # 可以说 ! 涡轮增压器 的应用 ! 使内燃机的性能得到了极大的改善 # 随着 计算流体力学的发展 !可根据发动机的性能参数 ! 设 计出高性能的 ( 与发动机相匹配的涡轮增压器 ) 但 是 !在涡轮增压器开发过程中 !必须经过试验录取压 气机和涡轮的性能数据 !以便对设计进行修改 ! 得到 性能最佳的机型 * 另外 !在定型之前 ! 为使涡轮增压 器与发动机匹配最佳 !也必须经过试验验证 *
对于一个固定几何的绝热喷嘴而言 ’ 其喷口气
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第 !" 卷 第 # 期
燃气涡轮试验与研究
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车用涡轮增压器试验台与试验技术
钟华贵 ! 刘 坤 ! 文国治
A中国燃气涡轮研究院江油试验研究所 ! 四川 江油 "B&C@+D
压气机性能试验 + 涡轮性能试验 (整机性能试验以及 增压器与发动机匹配试验等 # 压气机与涡轮性能试验通常在增压器部件设计 之初或设计改进时进行 ! 以检验压气机和涡轮各部 件的设计水平 & 整机试验的目的是检验压气机与涡 轮的共同工作特性 & 增压器与发动机匹配试验在定 型之前进行 !主要检验增压器与发动机的匹配情况 ! 包括变几何涡轮增压器控制器的可靠性 # 一般情况 ! 压气机性能试验与整机性能试验常在同样的试验台 上进行 ! 因为压气机需要动力带动 ! 涡轮正好起这个 作用 # 在涡轮性能试验中 !常不带压气机 !采用测功 器测量涡轮的功率 ( 转速和扭矩 # 整机性能试验同样 可单独录取压气机与涡轮的一些性能参数 ! 诸如流 量 (压比与效率等 !同时还能录取增压器的共同工作 特性 # 由于整机性能试验可全面录取压气机与涡轮
图" 图 , 测量系统示意图
可旋喷嘴环增压器压气机特性曲线
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摘
要 " 介绍了一种车用涡轮增压器试验台与增压器试验 ! 并提供了增压器压气机 E 涡轮的特性以及共同工作特性
的试验结果 # 通过对试验结果的分析表明 " 试验台工作正常 ! 试验数据合理 # 该试验台对涡轮增压器的研制和开发 具有重要作用 # 关键词 " 涡轮增压器 F 试验台 F 试验技术 F 压气机 中图分类号 "$B++GC 文献标识码 "H 文章编号 "&"C)!)")@ $)@@I %@J!@@IC!@#
试验结果及分析
涡轮增压器试验的主要目的是录取压气机的流
量和效率特性 ( 涡轮的流量和效率特性以及压气机 与涡轮的共同工作特性等性能数据 & 试验件是可旋喷嘴环增压器 ’ 由中国燃气涡轮 研究院设计 ’ 并与东方增压器厂共同研制 & 因此 ’试 验还必须针对各喷嘴环角度测量涡轮的性能参数以 及压气机与涡轮的共同工作特性 & 增压器在试验台上安装好以后 ’ 首先在低转速 下进行冷吹风检查 ’包括增压器机械运行状况 (滑油 系统运行状况以及测量系统状态的初步检查 & 确认 一切正常后 ’ 调 节 涡 轮 空 气 流 量 和 压 力 $ 比 如 !"#$>
图! 可旋喷嘴环增压器的涡轮流量特性
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#/?@.A<’%$B#>?C#@D4%’ 加温器点火 & 点火成功后 ’ 保
持增压器在某个转速不变 ’ 从大到小调节压气机空 气流量 & 在不同的空气流量状态下录取压气机的流 量 ( 压比 ( 效率以及涡轮空气流量 ( 压比和效率 ’直到 压气机气流发生轻微的脉动为源自文库 & 改变增压器的转 速 ’ 再按上述步骤录取参数 & 这样就得到了压气机和 涡轮的性能曲线 ’如图 " 和图 ! 所示 &进行自循环试 验 之 前 ’将 涡 轮 调 节 到 一 个 中 间 状 态 $比 如 &> 流速度为 !
空气流量 !"5-.678’#9:&;2 % 空气压力 #"5-.678’#9<=. % 进气温度 $#7常温 % 排气温度 $>7?@AB % 燃烧效率 !!8C?9" 加温器采用改进后的 !"D( 单管燃烧室 !其性 能参数如表 ( 所示 "
表 ( !"D( 单管燃烧室性能参数
E.FG, ! =,3103-.H*, I.3.-,/,32 01 !"D! 2%H&G, /JFJG.3 *0-FJ2/03
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& ’ "’ ’& 为常数 ( $
因此!压差的变化范围很宽’从 8’?:=. 到 !K:=.(" 选择高精度的 # 量程可选的差压变送器测量压差 !以 提高压气机流量的测量精度 " 在压气机和涡轮进出 口管道上布置了静压测量孔 # 总压探针以及温度受 感部 ’E#B 型电偶和 =/!88 铂电阻 (!以测量压气机和 涡轮进出口的压力与温度 " 所有压力进入 M)NA84@ 电子扫描阀测量 %所有温度与压差由OPE= 数采系统 录取 % 大气压力由无汞气压计测量 " 这些测量参数均 进入计算机 ! 实时记录并处理 " 转速由电磁脉冲传感器’磁棒(及配套的QE<@8N 频率计测量 ! 其测量范围高达十几万转 "将压气机进 气口的转子轴端部加工成六方头 !安装增压器之前 ! 用两个高密度磁铁在六方头两个对称的侧面上充磁
B 车用涡轮增压器试验类型
车用涡轮增压器试验大约分为以下几种类型 "
收稿日期 "B@@+!@c!!+ & 修回日期 "B@@+!@"!@" 作者简介 " 钟华贵 ’!d"d! %! 男 ! 四川泸县人 ! 高级工程师 ! 中国燃气涡轮研究院在读博士 ! 主要从事燃烧室试验研究工作 #
AK
燃 气 涡 轮 试 验 与 研 究
力 # 压差的关系为 $
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压缩空气经过滤器 # 流量测量段后到加温器加 温 ! 推动涡轮做功 ! 通过调节供油量来调节加温器出 口温度 " 涡轮空气流量以及涡轮膨胀比利用涡轮前 后电动调节阀调节 !满足涡轮转速调节的要求 "压气 机进气管道进气口为双扭线型 ! 保证了从大气环境 均匀进气 " 气流经过滤器过滤后进入压气机 ! 再经流 量测量段和电动调节阀后排入大气 " 调节阀调节压 气机空气流量 " 压气机出口与加温器进口相连 !中间 由一个球阀隔断 " 在某一开环试验状态下 ! 打开球 阀 ! 同时逐步关闭压气机出口调节阀与涡轮进气调 节阀 !涡轮增压器进入自循环工作状态 "
第 !" 卷
的各种性能参数 ! 而且还能考察增压器的自循环工 作特性 !模拟增压器与发动机联合工作状况 ! 预先发 现设计中的一些问题 " 因此 ! 整机试验在增压器开发 过程中占有十分重要的作用 " 本文描述的涡轮增压器试验台是一整机试验 台 " 为便于空气流量测量 ! 试验台空气流通管道较 长 ! 采用一个航空发动机单管燃烧室模拟内燃机对 空气加热 ! 经过加热的压缩空气推动涡轮做功 "该试 验台具有两种功能 ! 一种功能是进行压气机和涡轮 的部件试验 ! 利用外部气源供压缩空气 ! 加热后带动 涡轮旋转 ! 通过调节涡轮的空气流量 # 温度 # 转速以 及压气机空气流量 !录取压气机与涡轮的流量 #效率 特性 !这是发动机匹配试验无法做到的 " 另外 !试验 时可方便地从开环工作状态切换到自循环工作状 态 ! 此时 ! 压气机 #燃烧室和涡轮成为一体 ! 通过调节 燃烧室供油量 ! 模拟增压器在内燃机上的各种工况 ! 录取增压器的共同工作特性 "
#’4 加温系统
加温系统设计要求如下 $
第!期
钟华贵等 ! 车用涡轮增压器试验台与试验技术
"V
"#$%& 以上 " 安装完成后 #单独定位的电磁脉冲传感
器的感应头尽量靠近 $ 但不能紧贴涡壳 % 并正对六方 头的侧面 & 当转子转动时 ’’()*#+ 频率计计算电磁 脉冲传感器送来的脉冲信号并将其转换为转速 & 根 据这种测量原理 ’ 充磁部分磁场方向的单一性对测 量精度和稳定性具有决定性的影响 & 因此 ’ 每次充磁 之前必须退磁 ’ 而且需在侧面 $ 一个侧面或对称的侧 面 % 充磁 & 另外 ’ 为避免振动的干扰 ’磁棒也不能随意 绑在涡壳上 ’ 而应专门定位 & 除此之外 ’ 还需注意外 部磁场或电场的干扰 ’ 在靠近的控制电机外加屏蔽 罩 & 测量系统构成如图 , 所示 &
# 试验装置
涡轮增压器试验装置流程如图 ! 所示 "
A’L 测量装置
通过涡轮和压气机的空气流量由流量孔板测 量 % 其空气温度由 =/!88 铂电阻测量 % 压差由差压变 送器测量 "在进行压气机流量特性试验时 ! 随着压气 机流量减小 ! 压气机出口压力增大 " 故孔板流量与压
图 ! 试验装置简图
涡轮进气阀的关闭最好略滞后于压气机排气阀的关 闭 ’ 这样才能保证自循环的顺利实现 & 在这个过程 中 ’ 应密切监视转速和涡轮进口温度 ’ 保证不超速 ( 不超温 (不熄火 &自循环成功后 ’调节供油量 ’ 在不同 的转速下录取压气机和涡轮共同工作时的性能参数 & 压气机流量与压比在压气机流量特性曲线坐标系上 形成的曲线即为共同工作线 ’如图 " 所示 &
*# ###;A$%&’ 加温器出口温度 $’# ()*>!##! %’ 并且保 证压气机出口压力高于涡轮进口压力 $ 约高C#@D4%&
状态
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备注
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从表中可以看出 ! 涡轮进口压力在燃烧室设计 范围内 ! 涡轮 8’A9:&;2 的最大空气流量却远小于燃 烧室设计值 " 但由于空气流量小 !流速低 ! 并不降低 燃烧室的燃烧效率和点 火 范 围 ! 因 而 !" D4 单 管 燃 烧室能满足加温系统的设计要求 " 由于空气流量低 !所需燃油流量小 !因此采用一 个公称通径为 "> 的针形阀控制燃油流量 ! 确保调 节精度"燃油由一齿轮泵供给!其最大供油量为 @K&;2 ! 最大供油压力为 ><=. "
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