专利名称：带有辅助制动系统的涡轮增压器性能测试试验台的制作方法
技术领域：
本发明涉及动力机械性能测试领域，是针对增压器生产厂或增压器研究单位开发的一种 同时具有涡轮增压器压气机性能测试、涡轮性能测试和自循环性能测试的试验台。
技术背景涡轮增压器的使用使发动机的性能得到了极大的改善。在增压器的研制开发过程中，必 须经过试验准确的测量出增压器压气机和涡轮的性能数据，以便对增压器进行改进，满足与 发动机匹配的要求。传统的涡轮增压器性能测试试验台分为压气机性能测试试验台和涡轮性 能测试试验台，压气机性能测试试验台采用外气源压縮空气，经过燃烧室喷油点火燃烧后驱 动涡轮增压器旋转，调节燃油喷入量、气源进气压力控制涡轮增压器的转速，通过调节压气 机进气流量或出气量，测量同一转速下若干个点的压气机进出口温度、压力、流量等参数， 通过计算获得该转速下的压气机效率与流量、压比与流量之间的等转速曲线，将这两个性能 曲线图组合在一起形成标准的压气机的性能曲线图；此外，在压气机的性能测试试验中，用 压气机产生的压縮空气替代外气源的压縮空气来维持涡轮增压器运转的状态，称为涡轮增压 器的自循环状态，通常在压气机性能测试试验台上实现；涡轮性能测试试验台则是采用外气 源压縮空气冷吹或用电加热器加热后的空气热吹的方式驱动涡轮旋转，通过调节气源进气压 力和加在涡轮上的负荷，测量同一相似转速不同负荷下涡轮的进出口压力、流量等参数，经 过计算、分析、处理后，便可获得涡轮的流量特性曲线。目前，在涡轮增压器研究领域，对压气机性能测试的研究比较充分，测试技术也相对成 熟。对于涡轮性能测试来说，为了得到涡轮的效率，在试验过程中需要测量涡轮发出的功。 在直接测功装置中，采用涡轮增压器自身的压气机作为涡轮的吸功装置的方案造价最低，且 试验过程简单，在涡轮测功领域最先得到应用；但由于实际运行时,压气机喘振和阻塞边界 的存在，使涡轮测功的范围受到限制，无法得到完整的涡轮特性。为了加大涡轮的测功范围， 当前，最常用的是通过增大压气机进口空气的压力来增加空气密度从而增大压气机的流量的 方法来增大压气机的耗功。由于压縮空气需要耗费大量的电力，通常压气机所用的压縮.空气 来自于压气机自身产生的压缩气体，即将压气机出口与压气机进口连接，让压縮空气在一个 封闭管路中循环，这样，在加载时只需外气源补充少量的压縮空气既可。采用此种方案，由 于气体经压气机压縮后，温度会有大幅度升高，需要在压气机出口与压气机进口之间加装冷 却器对气体进行冷却并且为了增强冷却效果，通常使用水冷方式，事实上是利用水带走被测 涡轮所作的功。 应用实践表明，在涡轮增压器性能测试试验台使用过程中存在如下问题1. 涡轮增压器压气机性能测试试验台和涡轮性能测试试验台分别采用不同的试验台架进 行测试，增加了前期的设备投资和后期使用过程中的试验台的维护费用；2. 在涡轮性能测试试验过程中，作为耗功装置的压气机由于其进出口压差很小，压气机 消耗的功主要用来使压縮气体升温，对冷却器要求较高，增加了水消耗量或者增加了用于冷 却水循环的能耗，同时压縮空气温度的升高使得循环系统内压力升高，造成外气源补气加载 困难；3. 经过一段时间的使用后，水冷器会生锈，发生漏水现象，影响试验的正常进行。 发明内容为解决上述存在的问题，开发了一种集增压器压气机性能测试、涡轮性能测试及自循环 测试于一体的带有辅助制动系统的涡轮增压器性能测试试验台。经国内外文献检索，未找到 具有同类功能和同样吸功原理的带有辅助制动系统的涡轮增压器性能测试试验台。压气机的本质是通过耗功来压缩气体的叶轮机械，但当前采用涡轮增压器自带压气机吸 功的涡轮增压器涡轮性能测试试验台由于在涡轮性能测试中将压气机出口与进口连接到一 起，中间仅存在由中冷器和管道产生的压损，这样在压气机进出口之间形成的压差很小，压 气的耗功主要是通过"搅拌作用"将气体的温度升高，然后再通过冷却器将热量散发到外界 来实现，因此其吸功效果较差。虽然利用外气源的压縮空气为压气机供气可避免上述问题， 但在涡轮增压器涡轮性能测试试验中采用空压机压縮气体需要浪费大量的电能。基于压气机 耗功的本质是通过压縮气体来实现的思想，开发的带有辅助制动系统的涡轮增压器性能测试 试验台将涡轮性能测试试验中使用的中冷器用一台相应的辅助涡轮增压器来替代，以降低吸 功用压气机的进口压力，使得涡轮性能试验中用来吸功的压气机通过压縮气休来耗功，弥补 了以前用来吸功的压气机是通过对压缩气体的"搅拌作用"提高压缩气体的温度来耗功的不 足，并避免了使用中冷器带来的设备维护和水资源与电力浪费的问题。辅助涡轮增压器压气 机耗功后将高焓气体直接排入大气或用于在涡轮性能测试试验中加载补气。同时，鉴于涡轮增压器压气机性能试验测试试验台和涡轮性能测试试验台有些部件能够 共用(如管道、阀门、传感器等)，经过计算分析，将涡轮增压器压气机性能测试试验台与涡 轮性能测试试验台合成为一个试验台，完全能够实现两个独立的测试试验台的功能。通过阀 门的调节和切换，开发的带有辅助制动系统的涡轮增压器性能测试试验台可分别独立地完成 涡轮增压器压气机性能测试、涡轮性能测试和自循环性能测试，在很大程度上节省了设备的 投资。此外，在压气机性能测试试验中，开发的试验台可切换到涡轮增压器的自循环状态。
附图为带有辅助制动系统的涡轮增压器性能测试试验台结构示意图。如图所示，开发的涡轮增压器性能测试试验台包括外气源调节阀(1)、涡轮进口涡街流 量计(2)、电加热器(3)、气源进气阀(4)、自循环切换阀(5)、燃烧室(6)、测试涡轮增 压器(7)、压气机出n涡街流量计(8)、压气机放气微调阀(9)、压气机进气管(10)、压气 机放气阀(11)、压气机进气阀(12)、压气机出口控制阀(13)、辅助涡轮增压器(14)、涡 轮匹配阀(15)、加载补气阀l (16)、加载补气阀2 (17)以及加载调节阀(18)。
具体实施方式
如图所示，外气源调节阔(1) 一端与外气源压缩空气连接， 一端同大气相通，用来调节 外气源的压力到试验要求的范围内；涡轮进口涡街流量计(2)用来测量进入涡轮的空气流量； 电加热器(3)在涡轮性能试验时用来加热压縮空气；气源进气阀(4)在压气机性能测试试 验和涡轮性能测试试验中用来调节进入涡轮的空气量；自循环切换阀(5)可在压气机性能测 试试验中用来将涡轮增压器切换到自循环状态；燃烧室(6)用来在压气机性能测试试验或自 循环试验时，通过喷油点火燃烧产生高温气体驱动涡轮旋转到不同的工作状态以完成压气机 性能的测试；测试涡轮增压器(7)的涡轮进气口通过管道与燃烧室相连，涡轮出气口通过管 道与大气相通，测试涡轮增压器(7)的压气机进口在压气机性能测试试验时与大气连通，在 涡轮性能试验时则通过压气机进气管(10)分别与压气机进气阀(12)和辅助涡轮增压器(14) 的涡轮出口相连，用来吸收测试涡轮增压器涡轮发出的功；压气机出口涡街流量计(8)在压 气机性能测试试验时用来测量压气机的流量；压气机微调阀(9)和压气机放气阀(11)用于 在压气机性能试验时调节压气机的流量；压气机进气阀(12)用于涡轮性能测试试验时调节 通过测试涡轮增压器(7)压气机的流量；压气机出口控制阀(13)用于在涡轮性能测试试验 中，调节辅助涡轮增压器(14)压气机的流量；辅助涡轮增压器(14)用于在涡轮性能测试 试验中通过降低测试涡轮增器压气机出口气体的压力和温度的方式辅助吸收测试涡轮增压器 (7)发出的功；涡轮匹配阀(15)的两端分别与辅助涡轮增压器(14)涡轮进出口相连接， 用来调节辅助涡轮增压器(14)的吸功量；加载补气阀1 (16)用来在涡轮性能测试试验中 通过辅助涡轮增压器压气机出口的高压气体向测试涡轮增压器(7)压气机的循环回路中加入 压縮空气来实现测试涡轮增压器(7)涡轮的加载；加载补气阀2 (16)用来在涡轮性能测试 试验中通过气源向测试涡轮增压器(7)压气机的循环回路中加入压缩空气来实现测试涡轮增 压器(7)涡轮的加载；加载调节阀(18)用于在涡轮性能测试试验中实现大小负荷工况的切换和辅助实现压气机性能测试试验与涡轮性能测试试验的切换。开发的带有辅助制动系统的涡轮增压器性能测试试验台能够完成涡轮增压器压气机性能 测试试验、涡轮增压器涡轮性能测试试验、涡轮增压器自循环试验，具体的实现方式如下1. 压气机性能测试试验试验前，关闭自循环切换阀(5)、加载调节阀(18)和压气机出口控制阀(13)，打开压 气机进气管(10)处的联接法兰。在进行试验时，调整外气源调节阀(1)至气源压力到要求 的范围内，打开气源进气阀(4),压縮气体流经涡轮进口涡街流量计(2)、电加热器(3)(不 通电)和气源进气阀(4)进入燃烧室(6)喷油点火燃烧后，进入测试涡轮增压器(7)的涡 轮驱动涡轮旋转；空气经测试涡轮增压器〔7)压气机进气管(10)进入压气机，在压气机出 口经过压气机出口涡街流量计(8)，受控于压气机放气微调阔(9)和压气机放气阀(11)排 入大气。试验过程中，通过调节气源进气阀(4)和喷入燃烧室(6)的喷油量控制测试涡轮增压 器(7)的转速，通过压气机微调阀(9)和压气机放气阀(11)控制压气机的流量，即可完 成各工况下测试涡轮增压器(7)压气机性能参数的测量。2. 自循环测试试验在压气机性能测试试验中压气机处于高效率的状态下逐渐关闭外气源进气阀(4)、压气 机放气微调阀(9)和压气机放气阀(11)的同时，逐渐打开自循环切换阔(5)至全开状态。 如切换成功，则测试涡轮增压器(7)的涡轮端进气由外气源压縮空气供气改为由测试涡轮增 压器(7)的压气机产生的压缩空气供气。通过调节喷入燃烧室(6)的喷油量改变测试涡轮 增压器(7)的转速，即可完成测试涡轮增压器(7)在不同的自循环状态下各种性能参数的3. 涡轮性能测试试验 1)小负荷工况试验前，关闭自循环切换阀(5)、涡轮匹配阀(15)、加载补气阀(16)、加载调节阀(18)。 在进行实验时，调整外气源调节阀(1)至气源压力到要求的范围内，打开气源进气阀(4)， 压縮气体流经涡轮进口涡街流量计(2)、电加热器(3)(可通电)、气源进气阀(4)和燃烧 室(6)(不喷油)，进入测试涡轮增压器(7)的涡轮驱动涡轮旋转；空气经压气机进气阔(12) 进入测试涡轮增压器(7)的压气机进气口，受控于压气机放气微调阀(9)和压气机放气阀 (11)排入大气。试验过程中，通过调节气源进气阀(4)控制测试涡轮增压器(7)的转速，通过调节压 气机进气阀(11)、压气机微调阀(9)和压气机放气阀(11)控制测试涡轮增压器(7)压气 机的流量，从而改变测试涡轮增压器(7)涡轮的负荷，即可完成小负荷工况下测试涡轮增压 器(7)涡轮性能参数的测量。
2)大负荷工况在小负荷工况的基础上，先打开加载调节阀(18)、涡轮匹配阀(15)，然后依次关闭压 气机放气微调阀(9)和压气机放气阀(11)和压气机进气阀(12),测试涡轮增压器(7)的 压气机出口气体经过压气机出口涡街流量计(8)、加载调节阀(18)、辅助涡轮增压器(14) 和涡轮匹配阀(15)回到测试涡轮增压器(7)的压气机的进气口，形成封闭的压气机气路。试验过程中，测试涡轮增压器(7)的转速控制与小负荷工况下相同，涡轮大负荷功况下 的加载则通过调节加载补气阀1 (16)、加载补气阀2 (17)和涡轮匹配阀(15)来实现。加 载补气阀1 (16)和加载补气阀2 (17) —方面可向测试涡轮增压器(7)的压气机封闭气路 内补充漏气量，另一方面，通过向测试涡轮增压器(7)的压气机封闭气路内增加空气流量的 方式增加测试涡轮增压器(7)压气机端的负荷，从而实现测试涡轮增压器(7)涡轮性能测 试过程中涡轮大负荷工况下压气机端的耗功。涡轮匹配阀(15)用来调节辅助涡轮增压器(14) 的耗功，通过改变测试涡轮增压器(7)压气机端的进气压力和温度的方式辅助实现大负荷工 况下压气机端耗功量的调节。
权利要求
1.一种带有辅助制动系统的涡轮增压器性能测试试验台，包括外气源调节阀(1)、涡轮进口涡街流量计(2)、气源进气阀(4)、燃烧室(6)、测试涡轮增压器(7)、压气机出口涡街流量计(8)、压气机进气管(10)、压气机放气阀(11)和测试涡轮增压器性能参数的传感器，其特征在于，试验台还包括电加热器(3)、自循环切换阀(5)、压气机放气微调阀(9)、压气机进气阀(12)、压气机出口控制阀(13)、辅助涡轮增压器(14)、涡轮匹配阀(15)、加载补气阀1(16)、加载补气阀2(17)、加载调节阀(18)以及相应的连接管路，电加热器(3)一端与涡轮进口涡街流量计(2)连，另一端与气源进气阀(4)进口相连，燃烧室(6)一端与气源进气阀(4)出口相连，另一端与测试涡轮增压器(7)涡轮进口相连，测试涡轮增压器(7)涡轮出口通大气，测试涡轮增压器(7)压气机入口通过压气机进气管(10)与压气机进气阀(12)出口相连，压气机进口阀(12)入口与大气相通，测试涡轮增压器(7)压气机出口与压气机微调阀(9)进口、压气机放气阀(11)进口、自循环切换阀(5)出口和加载调节阀(18)入口相连接，加载调节阀(18)出口与辅助涡轮增压器(14)涡轮进口和涡轮匹配阀(15)进口相连，辅助涡轮增压器(14)涡轮出口与测试增压器(7)压气机入口和压气机进气阀(12)相连，辅助涡轮增压器(14)压气机出口分别与压气机出口控制阀(13)入口和加载补气阀1(16)入口相连，加载补气阀1(16)出口与辅助增压器(14)涡轮出口相连，辅助涡轮增压器(14)压气机入口和压气机出口控制阀(13)出口与大气相通。
2. 根据权利要求1所述的带有辅助制动系统的涡轮增压器性能测试试验台，其特征在于电加 热器(3)、气源进气阀(4)、燃烧室(6)和测试涡轮增压器(7)涡轮进气口相连接并同 在外气源压縮气体通路上。
3. 根据权利要求1所述的带有辅助制动系统的涡轮增压器性能测试试验台，其特征在于自循 环切换阀(5) —端与气源进气阀和燃烧室进口相连，另一端与测试涡轮增压器(7)压气 机出口相连接。
4. 根据权利要求1所述的带有辅助制动系统的涡轮增压器性能测试试验台，其特征在于加载 调节阀(18)进口与出口分别与测试涡轮增压器(7)压气机出口和辅助涡轮增压器(14) 涡轮进口相连。
5. 根据权利要求1所述的带有辅助制动系统的涡轮增压器性能测试试验台，其特征在于加载 补气阀1 (16)进口与出口分别与辅助涡轮增压器(14)压气机出口和辅助涡轮增压器(14) 涡轮出口相连。
6. 根据权利要求1所述的带有辅助制动系统的涡轮增压器性能测试试验台，其特征在于加载补气阀2 (17)进口与出口分别与压縮气源和辅助涡轮增压器(14)涡轮出口相连。
7. 根据权利要求1所述的带有辅助制动系统的涡轮增压器性能测试试验台，其特征在于涡轮 匹配阀(15) —端与辅助涡轮增压器(14)涡轮进口相连，另一端与辅助涡轮增压器(14) 出口相连接。
8. 根据权利要求l、 4、 5、 6、 7所述的带有辅助制动系统的涡轮增压器性能测试试验台，其 特征在于辅助涡轮增压器(14)中压气机的叶轮是特殊设计的具有更强吸功能力的叶轮， 其尺寸大于常规的涡轮增压器压气机叶轮尺寸。
全文摘要
本发明为带有辅助制动系统的涡轮增压器性能测试试验台，涉及机电领域，是一种同时具有涡轮增压器压气机性能测试、涡轮性能测试和自循环性能测试的试验台，包括电加热器、外气源进气阀、燃烧室、辅助增压器、用于进行各种试验工况调节的调节阀、相应的连接管道以及完成测试所需的传感器。该试验台利用外气源输入的压缩空气，分别采用燃烧室喷油点火燃烧和电加热器加热的方法产生高温气体驱动涡轮增压器的涡轮旋转，通过相应的阀门调节，能够达到涡轮增压器压气机性能测试、涡轮性能测试及自循环性能测试所需要的各种工作状态，特别的，在涡轮性能测试试验中涡轮功的吸收由一个辅助涡轮增压器辅助完成，该增压器的压气机叶轮是特殊设计的具有更强吸功能力的叶轮。
文档编号G01M13/00GK101149308SQ20071017667
公开日2008年3月26日 申请日期2007年11月1日 优先权日2007年11月1日
发明者于立国, 张志新, 新 施, 马朝臣 申请人:北京理工大学