柴油机涡轮增压技术-性能测试技术

性能测试技术7.1压气机性能测试7.1.1压气机性能试验台组成及其功能压气机性能包括流量、压比、效率及转速四个参数。压气机性能试验台组成包刮恒温进气系统，驱动系统，润滑系统，测控系统等。图7-1压气机性能试验台示意图7.1.2压气机性能试验台的关键问題1.进气系统压气机绝热压缩功可用下式计算：式中，k—空气绝热指数；R—空气气体常数；T1—压气机进口温度；πk—压气机压比。绝热效率可用下式表示：式中，Tk—实际压缩终温。计算表明：压比一定时，T1增加60℃，ηack只降低0.5%。为提高测试的准确性要尽量保持进口温度稳定，一般采取以下一些措施：1）若风源压力足够大，冷吹比热吹准确性好。2）设一带滤网和进气消声装置的静室，静室取气于空干净的大车间或其

它非阳光直射的大空间。3）压气机进口管道隔热。4）测试室空气流通良好。2.驱动系统

测量压气机性能必须有驱动装置，只要能达到压气机最高转速，最大流量，采取何种驱动装置均可，通常有机械式和气动式两大类。（1）风源对车用、工程机械、移动电站及高速船机等动力装置用的废气渦轮增压器，其压气机性能用的风源以多级离心式压缩机和螺杆式压气机为宜。（2）升温装置升温装置可分电加热和燃烧加热两种型式。电加热可确保气流的稳定和清洁，但建台成本较高。燃烧加热容易获得高温气流，但系统和调节较复杂，且工质不干净，容易脏污涡轮，若燃气流不均匀还会烧坏涡轮如图所示。图7-2烧損的涡轮3.润滑系统中的储能装置

压气机能高速运转是与浮动轴承内外油膜分不开的，油膜是靠油压来保证的，在长达数小时的试验过程中润滑油压必须稳定且足够高。为此润滑油路中必须设一储能装置，如图7-3所示。图7-3润滑油系统示意图4.自循环的温升比

在压气机性能试验中，当压气机出口压力超过风源出口压力时就有可能用增压器的压缩空气代替风源气体，通过燃烧室升温补充能量吹动涡轮，驱动压气机，构成自循环。

温升比是指涡轮进口温度TT与压气机出口温度Tk之比，可用下式表示：式中，ηTk=压气机绝热效率

计及燃料流量及漏泄量的压气机质量流量；

表示压气机进气管路中的相对压力损失表示压气机出口至涡轮进口管路中的相对压力损失。由上可见：1）管路中漏泄量越多，温升比越大；压力损失越多，温升比越大。2）漏泄量多少与安装质量有关；压力损失与管道设计及管内壁粗糙度有关。管道弯头曲率半径越小，管内压力损失越多。3）温升比大到涡轮及相应管路材料耐热极限，表明该台架已达工作极限。7.2涡轮性能检测7.2.1重视涡轮性能的改善涡轮性能主要由涡轮膨胀比，涡轮转速，涡轮流量，涡轮效率，涡轮膨胀功等参数组成。由于涡轮性能参数变化域较宽，在增压匹配中往往能涵盖压气机性能参数变化域，故对涡轮性能不被引起注意，只注重压气机性能，其实这是一个误区。在当今排放法规日益苛求情况下，后处理装置占据了一段排气压差，影响了涡轮充分膨胀，不得不以提高增压比及增压器总效率来加以补偿。因而提高涡轮性能越来越受到重视。7.2.2涡轮膨胀功的测涡轮性能测试中的关键问題主要是涡轮膨胀功的测试。当前测定涡轮膨胀功最佳方案是用特制的高速測功器。而这种高速測功器成本高，目前尚未普及。测试涡轮膨胀功一般情况下用压气机作測功器，这种测试方法的优缺点如下：主要优点是：1)涡轮及压气机性能同时测定，减少系统测试误差；2)台架结构相对简单，成本较低，操作也较方便。主要缺点是：1)涡轮工况不稳，影响测试精度；2)以燃气为工质，涡轮进口界面温度不均匀，容易出现炭黑污染甚至局步烧结等现象；3)燃烧室及其后管段对环境散热，容易引起压气机性能飘移；4)工质电加热测试涡轮性能，这是较为理想的方案，工质干净，不損工件，易调节进口温度，但经济性较差。7.2.3涡轮综合试验台1.涡轮综合试验台的组成涡轮性能综合测试的试验台方案如图7-4所示。该台架由开式的压气机性能测试迥路和闭式的涡轮性能测试迥路联合组成。中间有一个燃气涡轮和离心式高温气体压缩机。静室是测压气机性能必需的。图7-4涡轮试验台示意图涡轮试验台特点：1)涡轮压气机运行平稳，参数测定的准确性高；2)工质干净，不污染涡轮；3)迥路闭式，电加热器Dc耗能少；耗气量很少，风源本身能耗很少。故台架经济性好，尤其适应耐久试验；4)两迥路之间通过屏蔽可改善测试环境，减少压气机性能测定时热辐射干扰。5)台架实现远距离全程自动控制，工作条件可以大为改善。7.3超速包容性检测7.3.1超速包容性检测必要性

涡轮增压器处高温、高速环境下工作，若再考虑材质和热加工工艺的不稳定性，对其工作可靠性带来很大影响。工伤事故已有发生，因此，对产品进行超速性，包容性检测十分必要，尤其是新产品或重大改进后的产品。超速、包容性检测一般情况下可同时进行。7.3.2超速包容性检测要求(1)记录叶轮飞裂转速。(2)搜集飞裂碎片，以分析飞裂原因。(3)确保碎片穿不透保护装置，做到绝对安全。7.3.3超速包容性检测装置

超速包容性检测试验可在压气机、涡轮性能综合测试台上进行。检测时在被测件旋转平面处加一个移动式保护装置。保护装置由左、右保护罩、安装导板及移动式支架等组成，如图7-5、7-6和7-7所示。图7-5超速包容试验保护罩图7-6铅砖示意图a)罩直壁内层用b)罩顶内层用图7-7保护罩安装导板及支架7.4密封性检测7.4.1建密封性试验台必要性

较为精确定量反映漏油状态，找出漏油的结构因素，为提高密封性减少漏油量提供手段。7.4.2密封性试验台的工作机理

由于润滑油的粘滞性大及其影响因素多元性，密封性试验台以空气取代润滑油为台架试验的工质。正因为工质不同，各自的影响因素只能相对而言。离开了具体产品，检测结果只能作定性分析。图7-8密封试验台工作原理图7.4.3密封性试验台的台架组成密封性试验台由压缩空气源，集气系统，測量系统及数据处理系统组成。图7-9照片示出了一个简易密封性检测台。图7-9密封试验台压缩空气源包括空压机一台1-2m3稳压筒一个及除水装置一套。要求稳压，无水，出气最高压力≮0.8MPa。

集气系统包括压端集气壳涡端集气壳，转子体安装支架，控制阀及管路等部件。

測量系统由測漏流量计温度传感器，压力传感器等组成。

測漏流量计由图7-10所示，是密封性检测台的关键测量件。为减少流动阻力，喇叭形进口圈的子午剖面线呈双纽线曲线。图7-10测漏流量计示意图(4)数据处理系统在检测之前必须严格查漏，待工况稳定2min后开始记录。把采集的数据输入计算机，按输入的程序运算，即可显示结果，判断产品合格与否。在开发新产品过程中，显示的结果为分析漏油原因，改进密封结构提供了依据。7.5双纽线流量计流量系数的测定7.5.1问题的提出

空气流经双纽线流量计压力损失少，应用广泛。

但双纽线数学表达形式不同，双纽线流量计结构至今未能实现标准化，从而测得的流量值各有所异，影响增压匹配效果。

为了较准确表达流经双纽线流量计的实际流量，必须提高测量精度，关键在于准确表达双纽线流量计的流量系数。

在内燃机增压系统的匹配试验中，空气流量变化域较宽，就常规标定方式无法涵盖这一宽广的流量变化域，采用标准流量计分段反拷法来求取双纽线流量计流量系数。7.5.2双纽线流量计流量系数测定1.测量系统

为了在压气机试验台上测量双纽线流量计流量系数，对压气机试验台作一简单调整，如图7-11所示。图7-11双纽线流量计流量系数测量系统示意图2.流量系数测定探索

试验是在压气机性能试验台上进行的。先在测量段流量范围内选取三个流量值,用双纽线流量计的流量计算式反算出三个流量系数ξ1、ξ2、ξ3作为初始设定值。以涡轮进气阀三个开度为一组,涡前压力为自变量,测定两个流量计相应的流量参数,并得出相应的流量值。当两个流量不相吻合时,修正设定值ξ1、ξ2、ξ3,直至两个流量相吻合,这个修正值ξ可作为该双纽线流量计该段流量工况下的流量系数ξd。两个流量相吻合程度取决于该双纽线流量计测量精度的要求。7.5.3改进的流量系数校验台

为了提高测量精度和测量效率,采用改进的流量系数校验台更显合理。图7-13为改进的流量系数校验系统示意图，由图可见，该系统主要由双纽线流量计、标准流量计、抽风机、变频电机和圆形截面管道组成。图7-13改进的流量系数校验系统示意图标准流量计这里指的标准流量计是国家标准GB/T2624-2006里所述的孔板、喷嘴、文丘里喷嘴及文丘里管。直线圆形截面管道联结双纽线流量计和标准孔板流量计之间是直线圆形截面管道。标准孔板流量计取压口位置上游设在距迎风面D处，下游设在距迎风面D/2处。取压口直径dp＜0.13D或＜13mm，dp下限以不阻塞为原则。风机及变频电机流经双纽线流量计的空气量由标准孔板流量计之后的风机抽吸来实现，风机最大流量必须满足校验系统最大值，可单台风机或多台风机并联抽气。风机由变频电机驱动，可方便地以调节流量，满足校验需要。7.6流道面积检测7.6.1问题的提出

废气涡轮增压器内部空间小，形状复杂，其中的气体流动参数很难测量，尤其是与气流流线相垂直的流道面积至今很少见不接触式测量方法的报导。

一种不接触式的涡轮及压气机流道内部气流参数的测量装置，可以较准确的测量各流动截面气流的总压、静压和总温三个参数,从而算出流道面积,为正确设计增压器流道提供一种手段。7.6.2检测系统的组成检测系统由抽风机、测压头、测压体、支架及信号处理系统等部分组成，测压头和测压体分别如图7-14和7-15所示。图7-14流道测压头示意图图7-15流道测压体示意图7.7增压舷外柴油机性能检测7.7.1问题的提出游艇事业快速发展,其在动力性和排放特性等方面日益苛求；军用舟艇为确保安全，迫切以柴油为燃料的发动机逐步取代传统的汽油机。因而、柴油舷外机采用增压及中冷技术成了首选的方案。对舷外增压柴油机、螺旋桨、船体三者的特性匹配和性能检测技术的研究成了当前的一项关注的课题。7.7.2试验台架组成试验台架如图7-16及图7-17所示图7-16多功能舷外机试验台示意图图7-17船桨特性测试系统示意图大平板测功系统在大平板上安装了发动机测功系统，包括扭矩、转速、油耗及烟度等参数测量设备。

船体模型与循环河道船的宽长比由专设船体模型来实现，如图7-17所示。

移动盖板和三维起吊装置为使操作方便、安全，河道上方设有移动盖板。

遥控遥测控制室为了实现遥控遥测，试验台设有控制室，数据自动采集、处理、储存、打印输出。

测试仪表本测试系统设转矩仪；拉力计；深度计；流速计；油耗仪；烟度计；噪声仪；高低温度计；增压系统压力、温度、转速测量系统，等。(6)整个台架布置在室内

7.7.3检测内容增压舷外柴油机螺旋桨特性检测主要包括以下一些内容：1)增压柴油机的动力性、经济性和排放特性复核检测；2)舷外机实船螺旋桨特性测定；

3)舷外机机械效率测定；

4)螺旋桨及变速系统结构参数优化匹配试验；

5)船速，吃水深度及不同宽长比的船体特性检测；

6)可靠性、耐久性试验，等。7.8换热器虚焊检测7.8.1问题的提出内燃机增压系统中有油冷器、中冷器、冷凝器等换热部件,多为铝制片及不锈钢片钎焊而成。这些部件在出厂之前已做了5至10倍工作压力的高压试验,但产品使用过程中还会遇到热冲击、剧烈振动等恶劣环境,使其本来钎焊合格的隔层脱焊,造成油水混合的严重事故。这种钎焊失效模式通常叫做“虚焊”。7.8.2双腔闭式的换热器虚焊检测技术对油、水或气、水双腔闭式的换热器虚焊失效模式的检测，采用气测法，图7-18为双腔闭式的换热器示意图，实测双腔闭式的换

热器气体压力变化规律，得到以下几种情况：1）当油腔压力升至1MPa时，水腔产生10mm水柱表压力，当油腔压力升至5.5MPa时，水腔压力升至60-100mm水柱，这就为创建气测法验证了理论。2）在油腔压力相同时，水腔虚焊面积大者，其容积缩小量显著，其压力升高值大；反之则小。3）当油腔压力升高时，水腔压力升高；当油腔压力降低时，水腔压