涡轮增压器试验测试技术

涡轮增压器试验测试技术涡轮增压器试验测试技术 报告人：张志强 北京理工大学叶轮机械与增压技术研究所 报告内容： 第一部分：叶轮机械与增压技术研究所简介 第二部分：涡轮增压器测试技术 第一部分 叶轮机械与增压技术研究所简介 一、基本情况 叶轮机械与增压技术研究所原名涡轮增压 实验室，前身是始建于1950年代的燃气轮机实 验室，1960年代初改为涡轮增压实验室。主要 从事内燃机涡轮增压器技术与叶片机械的科研 与教学工作，包括涡轮增压器的叶轮设计计算 与分析、涡轮增压器结构设计、涡轮增压器与 发动机的匹配、涡轮增压器的调节与控制、各 种增压系统、涡轮增压器实验技术、燃气轮机 技术以及内燃机排放控制技术等。 二、人员情况 固定人员： 教授4名（三名博导） 副教授3名 高级实验师1名 讲师1名 技师2名 三、科学研究 产品开发 基础研究基础研究 关键技术 部件关键技术突破 分系统关键技术突破 新原理与新方法应用 关键技术在产品上的应用 理论分析 机理与特性揭示 新原理、新方法、新技术探索 内流动力学 基础研究 气动噪声 多学科问题 新型热力循环 能量综合利用 高速转子/轴承系统转子动力学 新型增压系统 关键技术 增压系统调节技术 基于CFD/CAE的预测设计技术 测试、测量技术 流动控制技术 多学科优化 等压燃烧及调节技术 新型增压系统设计开发 产品开发 系列增压器设计开发 增压器测试设备 第二部分 涡轮增压器测试技术 试验测试是增压器产品研发和生产过程中不可缺少的一环。 试验验证产品定型 测取压气机、涡 轮的性能数据 辅助设计 配机试验、可靠性试验 （超温、超速等）、耐 久性试验等 装配检测、出 厂检测试验 产品检测样机试验 产品设计、改进 2.1可调微型单管燃烧室技术 2.2采用辅助制动涡轮的涡轮功测试技术 2.3涡轮非稳态功测试技术 2.4增压器密封结构泄漏检测技术 2.5增压器摩擦功测量技术 测试技术 2.1 可调微型单管燃烧室技术 开度为21mm 开度为14mm 开度为7mm 开度为0mm 流量为0.10kg/s时不同调节开度下的负速度分布图 调节开度为21mm 调节开度为14mm 调节开度为7mm 流量为0.10kg/s时主燃孔和掺混孔横截面上的速度矢量图 2.1 可调微型单管燃烧室技术 流量 kg/s 套筒位置 0mm7mm14mm21mm 0.005熄灭熄灭熄灭熄灭正常正常 0.02熄灭熄灭正常正常正常 0.04正常正常正常正常 0.10正常正常正常正常 0.15正常正常正常熄灭熄灭 0.20正常正常正常熄灭熄灭 0.26正常熄灭熄灭熄灭熄灭熄灭熄灭 记录了不同工况 下单管燃烧室的 燃烧现象 可调微型单管燃烧室拓宽了微型单管燃烧室稳定燃烧流可调微型单管燃烧室拓宽了微型单管燃烧室稳定燃烧流 量范围。量范围。 试验研究： 沿单管燃烧室轴向布 置5支温度传感器监测 燃烧状况. 2.1 可调微型单管燃烧室技术 开发出一种类似于发动机测功机的设备， 通过测量测功机的反作用力矩和转速，来 得出涡轮的实际膨胀功？ 2.2 采用制动涡轮的涡轮功测试技术 1 * , 2 1 * 1(1 ) 1 TP TT Tact T Tis TTT mCdT W W mR T = 涡轮的绝热效率计算公式： 涡轮出口存在着强烈的 旋流，准确的测取其温 度非常困难 增压器转速非常高，每分钟十几万转，而且扭矩非常小，由此 带来的轴承问题、动平衡问题和测量精度问题 。 英国曼彻斯特理工大学研制出的水力测功机 水力和电涡流测功机 优点： 测量参数少，测量测功机的反作用力矩和转速； 加载方便，测量范围宽，可以测到涡轮在较大负荷工况下的特性。 缺点： 造价昂贵，采用了空气轴承等一些先进的设备，使得成本非常高； 系统和结构等方面的因素，测功机的转速范围比较小； 试验时，需要对增压器的结构进行改造以安装测功机，使得试验周 期和试验成本加大。 2.2 采用制动涡轮的涡轮功测试技术 涡轮测功领域最先得到推广应用涡轮测功领域最先得到推广应用 2.2 采用制动涡轮的涡轮功测试技术 间接测量法的原理 采用制动涡轮代替水冷器的涡轮性能测试试验台 水冷器水冷器 2.2 采用制动涡轮的涡轮功测试技术 制动增压器的选取原则和优化 加载回路中能量施加 与耗散示意图 2.2 采用制动涡轮的涡轮功测试技术 带制动涡轮的涡轮功测试试验台计算模型 2.2 采用制动涡轮的涡轮功测试技术 各辅助增压器耗功情况的比较 2.2 采用制动涡轮的涡轮功测试技术 0.550.600.650.700.750.800.85 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 J60涡轮效率(相似转速NS=3300rmin-1 1/2) 新方法 原方法 涡轮效率 T 涡轮速比(U/C) J60增压器效率特性试验结果 2.2 采用制动涡轮的涡轮功测试技术 2.3 涡轮非稳态特性测试技术 脉冲进气条件下涡轮特性（Dale和Watson） 非稳态功测量原理 在压气机端和润滑油端只测量了稳态参数，通过这些 稳态参数求出的压气机和润滑油消耗的功，加上由瞬 态转速和涡轮转子转动惯量所求出的瞬态惯性力矩所 消耗的功来计算涡轮的瞬态功。 瞬态功测量方法： 2.3 涡轮非稳态特性测试技术 涡轮功+涡轮稳态功 = 涡轮瞬态功 在涡轮动态特性测量中，涡轮入口的瞬态压力、流量参数在 涡轮入口位置测量，涡轮的瞬态输出功是在涡轮轴上测取的， 涡轮入口的能量，需要经历一段时间传播到涡轮内才能产生 输出功，因此两者之间存在着一定的时间滞后。 2.3 涡轮非稳态特性测试技术 传播距离需要定义一个“名义上的叶轮入口”,由 此测算传播时间. 定义方法可以不用人为的定义一个名义上的叶轮入口 位置，从而避免了由此产生的误差，具有更高的实用 性和可操作性。 2.3 涡轮非稳态特性测试技术 转子式脉冲发生器 2.3 涡轮非稳态特性测试技术 转盘式脉冲发生器(Baines) 2.3 涡轮非稳态特性测试技术 压力波形状随发动机转速的变化 2.3 涡轮非稳态特性测试技术 脉冲发生器一维计算模型 2.3 涡轮非稳态特性测试技术 修改部分曲线1 曲线2 曲线3 改进的脉冲发生器转动盘三维图 2.3 涡轮非稳态特性测试技术 -0.020.000.020.040.060.08 120000 130000 140000 150000 160000 170000 180000 计算出的涡轮 入口压力波 涡轮入口压力 pT1 /Pa 时间 t/s 涡轮入口压力波 2.3 涡轮非稳态特性测试技术 脉冲发生器三维结构图 2.3 涡轮非稳态特性测试技术 脉冲发生器实物图 2.3 涡轮非稳态特性测试技术 试验验证 -0.01 0.000.010.020.030.040.050.060.070.08 120000 130000 140000 150000 160000 170000 180000 原计算 校核后计算 试验结果 涡轮入口压力 pT1/Pa 时间 t/s 涡轮入口压力(试验值与计算值比较40Hz) 2.3 涡轮非稳态特性测试技术 0.000.020.040.06 100000 120000 140000 160000 180000 200000 60Hz压力波 涡轮入口压力 pT1 /Pa 时间 t/s 60Hz时涡轮入口压力波测量结果时涡轮入口压力波测量结果 2.3 涡轮非稳态特性测试技术 2.3 涡轮非稳态特性测试技术 1.01.21.41.61.8 0 2 4 6 8 10 平均相似转速2680rmin-1 1/2 涡轮折合流量/kgk-1/2s-1MPa-1 涡轮膨胀比T 稳态 40Hz 开始和结束 0.60.70.80.91.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 涡轮效率T 涡轮速比(U/C) 稳态 40Hz 脉冲开始和结束 增压器密封泄漏检测技术，对保证增压器使用中的可 靠性，涡轮增压器密封装置的开发，增压器安装时配 合间隙的确定，具有重要意义。 泄漏不仅使机油消耗量增加，还会引起增压器和发动机故障。 泄漏到涡轮端：泄漏到涡轮端： 润滑油燃烧使废气温度 提高，涡轮叶片变形， 造成严重的结焦积炭， 甚至叶轮擦碰等，诱发 增压器损坏故障； 泄漏到压气机端泄漏到压气机端： 油液随高压气体进入气缸 内，轻者造成燃烧室积炭， 重者使气缸内油垢结胶， 导致活塞环烧结、气门杆 咬死以及等现象，引发发 动机损坏故障。 增加发动机 的排放污染, 烧毁三元催 化器 2.4增压器密封静态泄漏检测技术 通过测量涡轮增压器密封装置在静态下的泄漏特性能 够反映出涡轮增压器密封结构的性能。 提出了一种借助外界气源对增压器泄漏性能进行检提出了一种借助外界气源对增压器泄漏性能进行检 测的技术。测的技术。 泄漏检测依据： 2.4增压器密封静态泄漏检测技术 2.4增压器密封静态泄漏检测技术 增压器泄漏检测装置原理图 2.5增压器摩擦功测量技术 车用涡轮增压器来说，一般为两个浮动轴承和一个止推轴承 。 其他形式的轴承，如半浮动轴承，滚珠轴承，空气轴承等 如何评价轴承系统性能？ 当前方法：通过测量增压器润滑油进出口温度的变化，根据 热平衡的原理来计算涡轮的摩擦功。 dt dn I dt