一种涡轮增压器摩擦功耗测试系统及测试方法与流程

1.本发明属于涡轮增压器技术领域，具体涉及一种涡轮增压器摩擦功耗测试系统，同时本发明还涉及上述测试系统的测试方法。


背景技术：

2.涡轮增压器属典型的旋转机械，由同一根转轴两端连接涡轮和叶轮，涡轮利用发动机排出的废气能量膨胀做功，驱动叶轮压缩更多的新鲜空气提供给发动机，改善发动机动力性和经济性。近年来，随着节能减排政策法规的驱动和新能源技术的发展，对增压器的效率提出了更高的需求。
3.现如今，压气机和涡轮机在有叶扩压器、可变喷嘴环、进气回流、以及自由曲面叶型等先进技术的联合应用下，其气动效率已突破0.8，日益逼近天花板。于是乎，涡轮增压器的机械效率越来越受到关注，减小增压器轴承-转子系统摩擦功耗成为提高增压器效率的突破点。
4.涡轮增压器的轴承-转子系统的摩擦功耗是由以下四部分共同作用的结果：（1）径向浮动轴承、（2）轴向止推轴承、（3）压端和涡端密封环和（4）油腔扰动。而且摩擦功耗对润滑系统的温度、压力，以及增压器的运行工况极为敏感，因此其测定也是极其复杂和困难的。
5.现有技术中，摩擦功耗测试技术主要是采用压气机作为负载，将其和涡轮效率混在一起，得到涡轮有效效率，这种测试方法精度差，不利于涡轮机和转子-轴承的准确设计。迄今为止，尚未见到行之有效的独立进行涡轮增压器摩擦功耗的测试方法。
6.专利号为cn101726378b的发明“一种涡轮增压器机械损失功率的测试装置及方法”公开了一种涡轮增压器机械损失功率测试装置及方法，采用动量矩法，能够获得在一定转速下运行的涡轮增压器，当停止外部能量输入时，通过测试摩擦阻力再减去压气机和涡轮机的气动损失，而得到涡轮增压器真实机械损失功率。然而，这种装置及方法一方面是间接测试机械损失功率，准确性受气动损失真实性影响较大；另一方面无法获得涡轮增压器稳定工作状态下的摩擦功耗，对产品设计的指导意义仍然有限。
7.目前，对于涡轮增压器摩擦功耗的测试主要基于三种原理：（1）温升原理；（2）动量矩原理；（3）扭矩直接测试原理。基于温升原理的测试方法要求准确测试增压器进回油温度，但一方面由于增压器中间体结构复杂，导致温度传感器布置难度极大，测试成本高；另一方面涡轮端高温传热对润滑油因摩擦而引起的温升干扰强烈，导致温升法测得的摩擦功耗难以反映增压器的真实情况。基于动量矩原理的测试方法如专利cn101726378b所示，同样具有很大的局限性。基于扭矩直接测试原理能够直接有效的测试径向轴承、止推轴承、压端和涡端密封环、以及油腔扰动的综合轴承-转子系统的摩擦功耗，但目前未见有效实现。
8.如以上所述，需要一种准确的测试涡轮增压器摩擦功耗的有效系统装置和方法，本技术在此方向上进行了研究。


技术实现要素：

9.针对以上现有技术中的不足，本发明的目的之一是提供一种涡轮增压器摩擦功耗测试系统，能够真是模拟涡轮增压器的实际工况，在增压器台架和发动机上均可实现，不受应用场景限制。本发明的目的之二是提供一种基于上述测试系统的测试方法。
10.本发明通过下述技术方案得以解决。
11.本技术中的一种涡轮增压器摩擦功耗测试系统，包括待测试的涡轮增压器、燃烧系统、润滑油系统、管路辅助系统、传感器系统、数据控制与采集处理系统（或称为：控制与数据采集系统）；其中：所述涡轮增压器包括涡轮机、轴承体、压气机，所述轴承体中设有转轴，该转轴的两端分别连接涡轮机和压气机；所述燃烧系统用于提供燃气至涡轮机；所述润滑油系统与涡轮增压器之间通过进油管路和回油管路相连，用于提供润滑油润滑涡轮增压器中的轴系结构；所述管路辅助系统包括连接在系统之间的、组件之间的、装置之间的油管和气管；所述传感器系统包括设于气管和油管上的压力传感器、温度传感器、流量传感器；所述数据控制与采集处理系统用于采集传感器数据并处理、输出；所述传感器系统还包括用于检测所述转轴转速的转速传感器和设于所述轴承体的进油口中的扭矩传感器。
12.本技术中，通过对管道中的气压、油压、流量、温度的控制，可以模拟不同的涡轮增压器的工况，同时，通过转速传感器获得的数据ω和扭矩传感器获得的数据tq，经过处理可以得到摩擦功耗pf=tq*ω。
13.一种优选的实施方式中，所述扭矩传感器置于进油口中，其轴向与进油口内壁无接触，且与浮动轴承上的油口内壁无接触，且不影响润滑油的进入；且该扭矩传感器的径向端面与转轴的表面之间留有空间裕度，保证测试的精确性。
14.一种优选的实施方式中，所述浮动轴承上第二油口中设有限位塞，所述限位塞对浮动轴承进行轴向限位，径向上不与转轴接触，保证轴向限位精度。
15.一种优选的实施方式中，所述燃烧系统包括燃料供给系统和燃烧室，所述燃烧室与外气源之间通过气管相连，该段气管上设有节流阀，可以控制流量。
16.一种优选的实施方式中，所述压气机的出气口通过气管连通至大气，该段气管上设有节流阀，可以控制流量。
17.一种优选的实施方式中，所述润滑油系统包括润滑油箱，该润滑油箱与涡轮增压器之间通过进油管路和回油管路相连。
18.一种优选的实施方式中，所述燃烧系统可以为发动机，此时涡轮机进气直接接入发动机的排气管，压气机出口直接接入发动机的进气管，可以很好的对涡轮增压器实时工况下的摩擦功耗进行测试。
19.一种优选的实施方式中，还包括标定装置，所述标定装置包括放置涡轮增压器的固定工装、扭矩加载工装、加载机构。
20.本技术中的一种涡轮增压器摩擦功耗测试方法，包括以下步骤：s10：在待测试的涡轮增压器中放入扭矩传感器，通过标定装置对扭矩传感器进行系统标定，以便实现准确测量；s20：将待测试的涡轮增压器放置在固定工装上，接入到摩擦功耗测试系统中；s30：稳态摩擦功耗测试：启动摩擦功耗测试系统，打开外气源，燃烧系统工作，控制涡轮机的入口温度t3稳定在一个设定值，使涡轮增压器达到工作转速，状态稳定后，调节燃烧室进气管路和压气机出口管路上的节流阀，按预定工况选择多种状态进行摩擦功耗测试；s40：瞬态摩
擦功耗测试：选择涡轮增压器工作状态中的准备阶段、点火阶段、加速稳定段、加速阶段、高速稳定段、减速阶段、减速稳定段、停车阶段、冷却阶段中的一个或若干个阶段，进行瞬态测试；s50：数据处理：对测量的数据进行处理，得到增压器在不同气流量、油流量、压比和转速下的摩擦功耗分布云图。
21.此外，该方法的瞬态摩擦功耗测试中，包括以下步骤中的至少一种。
22.s41：准备阶段：启动涡轮增压器摩擦功耗测试系统，打开外气源，打开润滑油系统，按设定供油压力po1和供油温度to1提供中间体润滑油，等待数秒后打开数据控制与采集处理系统，开始按照设定的采样频率采集并连续记录各个传感器测点数据。
23.s42：点火阶段：启动点火装置完成点火，控制涡轮机入口温度t3稳定在一个设定值，调节节流阀，控制涡轮增压器转速上升至40%最大转速，采集并连续记录各个传感器测点数据。
24.s43：加速稳定段：涡轮增压器在40%最大转速处稳定运行60s，监测运转正常，采集并连续记录各个传感器测点数据。
25.s44：加速阶段：调节节流阀，使涡轮增压器转速上升至最大转速，加速率为1000rpm/s，采集并连续记录各个传感器测点数据。
26.s45：高速稳定段：涡轮增压器在最大转速处稳定运行2min，监测运转正常，采集并连续记录各个传感器测点数据。
27.s46：减速阶段：调节节流阀，使涡轮增压器转速下降至40%最大转速，减速率为1000rpm/s，采集并连续记录各个传感器测点数据。
28.s47：减速稳定段：涡轮增压器在40%最大转速处稳定运行60s，监测运转正常，采集并连续记录各个传感器测点数据。
29.s48：关闭点火装置，减小节流阀，控制涡轮增压器停车，转速降至0，采集并连续记录各个传感器测点数据。
30.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）提供了一种涡轮增压器摩擦功耗测试系统，具备完整的燃烧系统，能够模拟发动机的高温燃气状态，驱动涡轮增压器的摩擦功耗测试工况与其在发动机上的工况相一致。
31.（2）采用扭矩直接测量原理测试涡轮增压器的摩擦功耗，直观准确，灵敏度高，瞬态响应快，同时能实现稳态工况和加速-减速等瞬态工况的实时监测。
32.（3）摩擦功耗测试系统的静态标定方法采取专用装置，标定安装状态与增压器实际工作安装状态一致，试验误差降低。
33.（4）涡轮增压器摩擦功耗扭矩测试法可以在此测试系统中测试涡轮增压器使用工况的摩擦功耗情况，同样适用于直接测试匹配于发动机上的涡轮增压器摩擦功耗。
34.（5）在涡轮增压器摩擦功耗测试系统上，即涡轮增压器非搭载于发动机上测试时，其测试工况能够完全覆盖涡轮增压器所匹配发动机的运行工况，反映涡轮增压器产品实际应用状态下的摩擦功耗特性。
35.（6）提供了一种涡轮增压器摩擦功耗的测试系统，同样适用于其他高温燃气驱动的高速旋转机械摩擦功耗测试。
附图说明
36.图1为本发明中的摩擦功耗测试系统的示意图。
37.图2为本发明中的摩擦功耗测试系统的结构连接示意图。
38.图3为一种待测试的涡轮增压器的截面示意图。
39.图4为一种装配有扭矩传感器和限位塞的涡轮增压器的截面示意图。
40.图5为图4中的涡轮增压器的另一方向的截面示意图。
41.图6为发明中的摩擦功耗测试系统的涡轮增压器与标定装置的结构图。
42.图7为发明中的摩擦功耗测试系统的涡轮增压器与标定装置的内部结构图。
具体实施方式
43.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
44.以下实施方式中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的原件或具有相同或类似功能的原件，以下通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
45.本发明的描述中，需要理解的是，术语：中心、纵向、横向、长度、宽度、厚度、上、下、前、后、左、右、竖直、水平、顶、底、内、外、顺时针、逆时针等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语：第一、第二等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所示技术特征的数量。本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语：安装、相连、连接等应做广义理解，本领域的普通技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本实用性中的具体含义。
46.参见图1至图7，本技术中的一种涡轮增压器摩擦功耗测试系统，包括待测试的涡轮增压器、燃烧系统、润滑油系统、管路辅助系统、传感器系统、数据控制与采集处理系统（或称为：控制与数据采集系统）；其中：所述涡轮增压器包括涡轮机3、轴承体2、压气机1，所述轴承体2中设有转轴22，该转轴22的两端分别连接涡轮机3和压气机1；所述燃烧系统用于提供燃气至涡轮机；所述润滑油系统与涡轮增压器之间通过进油管路和回油管路相连，用于提供润滑油润滑涡轮增压器中的轴系结构；所述管路辅助系统包括连接在系统之间的、组件之间的、装置之间的油管和气管，具体的，可包括压气机进排气管路、涡轮机进排气管路、润滑油进回油管路，以及与发动机连接的相关管路。
47.所述传感器系统包括设于气管和油管上的压力传感器、温度传感器、流量传感器；所述数据控制与采集处理系统用于采集传感器数据并处理、输出，具体的，其从各个传感器获得数据，得到涡轮增压器摩擦功耗，并使其与涡轮增压器的工况相关联；所述传感器系统还包括用于检测所述转轴转速的转速传感器和设于所述轴承体的进油口21中的扭矩传感器4。
48.具体来看，本技术中的传感器系统可包括气体压力传感器、液体压力传感器、气体温度传感器、液体温度传感器、气体流量传感器、液体流量传感器、扭矩传感器、转速传感器。传感器位于外气源的内部、燃烧室内部、润滑油系统内部、压气机进排气管路、涡轮机进排气管路上，用于监测气体或液体的温度、压力、流量等，监测采集涡轮增压器转速、摩擦功耗，并将获得的数据传递给数据控制与采集处理系统。
49.具体的，本技术中，所述扭矩传感器4为弯曲梁式扭矩传感器，该弯曲梁式扭矩传感器置于进油口21中后其轴向与进油口内壁无接触，且与浮动轴承23上的油口内壁无接触，且不影响润滑油的进入；且该弯曲梁式扭矩传感器的径向端面与转轴的表面之间留有空间裕度，保证测试的精确性。
50.此外，本技术中，所述浮动轴承23上第二油口中设有限位塞5，所述限位塞5对浮动轴承23进行轴向限位，径向上不与转轴22接触，保证轴向限位精度。
51.本技术中，所述燃烧系统包括燃料供给系统和燃烧室，所述燃烧室与外气源之间通过气管相连，该段气管上设有节流阀，用于控制调节流量和压力状态，实现测试工况的控制。具体的，该结构中，外气源提供压缩空气到燃烧室，与燃料供给系统提供的燃料按照一定的比例燃烧，提供给涡轮增压器所需能量的燃气，使涡轮增压器的工作状态符合其安装在发动机上的实际工作状态。燃烧室能够合理组织燃料的燃烧，实现最佳的燃烧效率，提供涡轮增压器所需能量的燃气，驱动涡轮机做功，可实现燃气流量、燃气温度及压力等的调节。涡轮增压器所需能量的燃气也可以直接由发动机提供。
52.所述的燃料供给系统用于控制调节燃料的供给，燃料可以是液体燃料，也可以是气体燃料。
53.本技术中，所述压气机的出气口通过气管连通至大气，该段气管上设有节流阀，可以控制流量。所述润滑油系统包括润滑油箱，该润滑油箱与涡轮增压器之间通过进油管路和回油管路相连。润滑油系统与所述的涡轮增压器轴承体连接，为涡轮增压器转子系统提供循环润滑油，具备供油压力和供油温度的调节功能。此外，所述润滑油箱中设有油压调节装置、油温调节装置，具备供油压力和供油温度的调节功能，压力调节范围0~5bar，温度最高到150℃。
54.此外，另一种实施方式中，所述燃烧系统可以为发动机，此时涡轮机进气直接接入发动机的排气管，压气机出口直接接入发动机的进气管，可以很好的对涡轮增压器实时工况下的摩擦功耗进行测试。
55.本技术中的测试系统中，还包括标定装置，所述标定装置包括放置涡轮增压器的固定工装、扭矩加载工装、加载机构。静态标定装置装配时，所述的被测涡轮增压器转子需专用的标定轴承，连接扭矩加载工装7，便于施加扭矩载荷。以上标定方法基于载荷产生的扭矩，由扭矩传感器4进行数据监测和记录，采用示波器采集扭矩传感器的电压输出，进而得到扭矩和电压的关系曲线，试验误差低。
56.本技术中，测试的涡轮增压器包括涡轮机、轴承体和压气机，具体可以是固定截面涡轮增压器、废气旁通涡轮增压器、可变喷嘴涡轮增压器、压气机进口回流涡轮增压器、单涡双压涡轮增压器等等多种不同形式的涡轮增压器。涡轮增压器轴承-转子系统包括涡轮、叶轮、转轴、轴承和旋转小件。轴承可以是浮动轴承、球轴承、空气轴承等多种不同形式。
57.本技术中，通过对管道中的气压、油压、流量、温度的控制，可以模拟不同的涡轮增压器的工况，同时，通过转速传感器获得的数据ω和扭矩传感器获得的数据tq，经过处理可以得到摩擦功耗pf=tq*ω。
58.此外，本技术中还涉及一种涡轮增压器摩擦功耗测试方法，包括以下步骤：s10：在待测试的涡轮增压器中放入扭矩传感器，通过标定装置对扭矩传感器进行系统标定，以便实现准确测量；s20：将待测试的涡轮增压器放置在固定工装上，接入到摩擦功耗测试系统
中；s30：稳态摩擦功耗测试：启动摩擦功耗测试系统，打开外气源，燃烧系统工作，控制涡轮机的入口温度t3稳定在一个设定值，使涡轮增压器达到工作转速，状态稳定后，调节燃烧室进气管路和压气机出口管路上的节流阀，按预定工况选择多种状态进行摩擦功耗测试；s40：瞬态摩擦功耗测试：选择涡轮增压器工作状态中的准备阶段、点火阶段、加速稳定段、加速阶段、高速稳定段、减速阶段、减速稳定段、停车阶段、冷却阶段中的一个或若干个阶段，进行瞬态测试；s50：数据处理：对测量的数据进行处理，得到增压器在不同气流量、油流量、压比和转速下的摩擦功耗分布云图。
59.此外，该方法的瞬态摩擦功耗测试中，包括以下步骤中的至少一种。
60.s41：准备阶段：启动涡轮增压器摩擦功耗测试系统，打开外气源，打开润滑油系统，按设定供油压力po1和供油温度to1提供中间体润滑油，等待数秒后打开数据控制与采集处理系统，开始按照设定的采样频率采集并连续记录各个传感器测点数据。
61.s42：点火阶段：启动点火装置完成点火，控制涡轮机入口温度t3稳定在一个设定值，调节节流阀，控制涡轮增压器转速上升至40%最大转速，采集并连续记录各个传感器测点数据。
62.s43：加速稳定段：涡轮增压器在40%最大转速处稳定运行60s，监测运转正常，采集并连续记录各个传感器测点数据。
63.s44：加速阶段：调节节流阀，使涡轮增压器转速上升至最大转速，加速率为1000rpm/s，采集并连续记录各个传感器测点数据。
64.s45：高速稳定段：涡轮增压器在最大转速处稳定运行2min，监测运转正常，采集并连续记录各个传感器测点数据。
65.s46：减速阶段：调节节流阀，使涡轮增压器转速下降至40%最大转速，减速率为1000rpm/s，采集并连续记录各个传感器测点数据。
66.s47：减速稳定段：涡轮增压器在40%最大转速处稳定运行60s，监测运转正常，采集并连续记录各个传感器测点数据。
67.s48：关闭点火装置，减小节流阀，控制涡轮增压器停车，转速降至0，采集并连续记录各个传感器测点数据。
68.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）提供了一种涡轮增压器摩擦功耗测试系统，具备完整的燃烧系统，能够模拟发动机的高温燃气状态，驱动涡轮增压器的摩擦功耗测试工况与其在发动机上的工况相一致。
69.（2）采用扭矩直接测量原理测试涡轮增压器的摩擦功耗，直观准确，灵敏度高，瞬态响应快，同时能实现稳态工况和加速-减速等瞬态工况的实时监测。
70.（3）摩擦功耗测试系统的静态标定方法采取专用装置，标定安装状态与增压器实际工作安装状态一致，试验误差降低。
71.（4）涡轮增压器摩擦功耗扭矩测试法可以在此测试系统中测试涡轮增压器使用工况的摩擦功耗情况，同样适用于直接测试匹配于发动机上的涡轮增压器摩擦功耗。
72.（5）在涡轮增压器摩擦功耗测试系统上，即涡轮增压器非搭载于发动机上测试时，其测试工况能够完全覆盖涡轮增压器所匹配发动机的运行工况，反映涡轮增压器产品实际应用状态下的摩擦功耗特性。
73.（6）提供了一种涡轮增压器摩擦功耗的测试系统，同样适用于其他高温燃气驱动
的高速旋转机械摩擦功耗测试。
74.本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。