专利名称：一种涡轮增压器机械损失功率的测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种机械损失功率测试装置及方法，尤其涉及一种涡轮增压器机械损失功率测量装置及方法。
背景技术：
涡轮增压器现已广泛应用于车辆、船舶、工程与农业机械、电站等各种移动与固定式发动机，如何提高涡轮增压器的效率是人们共同关注的问题。涡轮增压器的效率由涡轮效率、压气机效率、机械效率三部分决定。在目前的科技水平下，进一步提高涡轮和压气机效率的幅度有限，难度很大。相对而言，机械效率还有较大的提升空间，如应用高性能混合陶瓷球轴承、空气轴承、电磁轴承等即可降低机械损失，提高机械效率。对于浮动轴承涡轮增压器，其机械损失由径向浮动轴承、轴向止推轴承、密封环摩擦副三项摩擦损失组成。对于球轴承涡轮增压器，其机械损失由角接触球轴承与密封环摩擦副两项摩擦损失组成。这些损失也就是涡轮增压器的轴承—转子系统摩擦功率，其大小决定了增压器的机械效率，因此，准确测量轴承—转子系统摩擦功率是获得精确的增压器机械效率的前提。
测量涡轮增压器摩擦功耗比较直接的方法是同时测量转子的转速和轴承-转子系统所受的摩擦力矩。但是，由于涡轮增压器的转子轴径较小，转速很高，准确地测量摩擦力矩或者功率非常困难。
间接的方法是测量轴承润滑油的进出口流量及油温。假定轴承中的摩擦功耗所产生的热量全部由润滑油带走，则根据润滑油的流量与温升就可以确定轴承的摩擦功耗，如国家汽车行业标准“QC/T 591-1999汽车柴油机涡轮增压器试验方法”规定通过测量润滑油进出口压力、温度、流量获得增压器的机械损失功率。但是，对于涡轮增压器润滑油冷却的轴承体，它不但通过热交换、热辐射向空气散热，而且其转子轴还接受涡轮传热、同时向压气机叶轮散热；此外，对于涡轮增压器水冷却轴承体，轴承与密封环摩擦副机械摩擦生热传导给轴承体的一部分热量被冷却水带走，因此，根据润滑油的流量与温升就确定轴承的摩擦功耗的测量方法很不准确。
针对上述，国内目前存在一种近似地测量涡轮增压器摩擦功率的设备涡轮增压器摩擦功率测量试验台，专利号200510114348.4。其中所述试验台是根据假设“涡轮增压器转子不受其它外来力矩作用的时候，转子所受的摩擦力矩是导致其转速变化的唯一原因”，这是不准确的。该方法没有考虑停止供气后，压气机叶轮、涡轮从高转速下降到低转速过程中仍在工作，即压气机在压缩空气，涡轮则受到空气的阻力。因此专利200510114348.4测出的摩擦功率并不是真实的机械损失功率，而是包含了压气机所做的功与涡轮克服阻力的损失。另外，该试验台没有考虑涡轮增压器在加、减速过程中，轴向力的方向与大小均是变化的，而且与稳态工况相差较大，导致机械损失功率大小、方向均在变化。总之，利用所述装置测量机械损失功率是不准确的。
目前，还没有一种比较准确的测量涡轮增压器机械损失功率的测量装置及方法。
发明内容
本发明的目的是克服上述已有技术存在的不足，提供一种测量更准确的涡轮增压器机械损失功率测量装置及方法。本发明的测量方法的基本原理在一定转速下运转的涡轮增压器，当切断外气源供应，即停止外部能量输入时，涡轮增压器经历一个从初始转速到转速为零(静止)的自由减速过程中，在这个过程中，通过测量克服径向浮动轴承、轴向止推轴承(球轴承增压器无止推轴承)、密封环摩擦副的摩擦阻力损失以及压气机继续压缩空气造成的气动损失和涡轮气动损失，并用测量得到的摩擦阻力损失减去后两部分测得的气动损失，获得涡轮增压器的真实机械损失功率。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明的一种涡轮增压器机械损失功率的测量装置，如图1所示，包括外气源、数据采集处理与控制系统、传感器、加热系统、润滑系统、自动调温系统；该测量装置在使用过程中对外围设备涡轮增压器的机械损失功率进行测量。
所述外气源与加热系统相连，其主要功能是提供驱动所述涡轮增压器的涡轮达到较高转速的高压气体。
所述加热系统与外围设备涡轮增压器连接，其作用是提供给涡轮增压器一定能量的燃气，使涡轮增压器的工作状态符合涡轮增压器安装在发动机上的实际工作状态。加热系统可以是燃烧系统，但不限于燃烧系统。
所述外围设备涡轮增压器包括涡轮、压气机、轴承体、涡轮排气管、气压机进气管、气压机排气管。
所述润滑系统与所述外围设备涡轮增压器的轴承体连接，其作用是为涡轮增压器提供循环润滑油。
所述自动调温系统与所述润滑系统连接，其作用是自动调节润滑油温度，使其保持在工作温度下，保证试验的重复性和准确性；其工作原理为当润滑系统温度达到高温值时，自动开启冷却装置，降低润滑系统温度；当润滑系统温度低于低温值时，自动开启加热装置，提高润滑系统温度。较佳的，高温值为90摄氏度，低温值为40摄氏度。
所述传感器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、液体质量流量计、转速传感器，包括上述传感器但不限于此。所述传感器位于外气源的内部、外气源与加热系统的连接通道上、加热系统内部、润滑系统内部，涡轮排气管壁、气压机进气管壁、气压机排气管壁上，用于监控气体或者液体的温度、压力、液体质量流量以及转速等，并将获得的数据传递给数据采集处理与控制系统。
所述数据采集处理与控制系统是采用所述涡轮增压器机械损失功率的测量方法的具体实现。数据采集处理与控制系统从各传感器获得数据，并进行处理，得到所测量的涡轮增压器的机械损失功率。
基于上述装置的一种涡轮增压器机械损失功率测量方法的具体操作步骤如下 步骤一、将待测涡轮增压器连接至本发明提出的涡轮增压器机械损失功率测量装置； 步骤二、启动涡轮增压器机械损失功率的测量装置，使待测涡轮增压器达到工作转速。
步骤三、采集试验过程中的各项数据，具体操作步骤如下 第①步通过所述各传感器采集涡轮增压器达到工作转速情况下的数据，并将各传感器采集的数据传输至数据采集处理与控制系统。
第②步切断气源，再次通过所述各传感器，采集并记录涡轮增压器由工作转速降低到静止这段时间的各项数据，并将各传感器采集的数据传输至数据采集处理与控制系统。
步骤四、获得涡轮增压器的气动损失 数据采集处理与控制系统使用在步骤三中获得的数据，根据采集到的涡轮增压器在工作转速下的数据和相关热力学公式获得增压器的气动损失。其具体方法如下 第①步获得涡轮增压器压气机的气动损失之和。
空气在涡轮增压器压气机叶轮中流动时，主要的气动损失有以下部分 a.空气在通道内的转弯损失。包括导风轮损失(用WI1表示)以及叶轮径向叶片将气流方向由轴向改为径向时的损失(用WI2表示)，分别通过公式1和公式2计算。
其中ω1为叶轮进口处相对速度，cr2为叶轮出口处绝对速度的径向分量，ξ1和ξ2为损失系数。
b.气流在叶轮通道内的摩擦损失。包括涡流损失(用WI3表示)，通过公式3计算。
其中ξ3为损失系数。
c.气流在叶轮与壳体之间的漏气损失和轮盘摩擦损失。
由于旋转的叶片与壳体之间存在间隙，就不可避免地存在漏气损失。这种损失在叶轮与压气机壳之间，表现为潜流和鼓风环流；在叶轮轮背与背盘之间，表现为鼓风环流。将该部分损失合并到轮盘摩擦损失中计算。
轮盘摩擦损失(用WId表示)，通过公式4计算。
其中，α为损失系数，u2为叶轮出口牵连速度。
d.压气机壳中的损失(用WI4表示)，通过公式5计算。
其中，ξ4为蜗壳损失系数，c4为扩压气出口绝对速度。
基于以上，涡轮增压器压气机气动损失之和(用WI表示)可通过公式6计算得到 WI＝WI1+WI2+WId+WI4(6) 第②步获得涡轮增压器涡轮中的气动损失，主要包括以下部分 a.喷嘴环中的能量损失(用ΔW1表示)，通过公式7计算。
其中
表示喷嘴环速度系数； b.叶轮内的损失(用ΔWi表示)，通过公式8计算。
其中ψ表示叶轮中速度系数，ω2为叶轮出口相对速度； c.余速损失(用ΔWout表示)，通过公式9计算。
d.叶轮摩擦与通风损失(用ΔWrd表示)。因为气流在涡轮箱中的流动损失包含在了通风损失中，故通过公式10计算。
其中，β表示叶轮轮盘的形状系数；ρ1m表示叶轮周围的平均密度；u1为叶轮进口的轮周速度；D1表示叶轮进口直径；WTd表示叶轮前的绝热膨胀功。
e.漏气损失(用ΔWle表示)，通过公式11计算。
ΔWle＝0.005WTd； (11) 基于以上，对有喷嘴环的涡轮增压器，涡轮损失之和(用ΔW表示)为 ΔW＝ΔW1+ΔWi+ΔWout+ΔWrd+ΔWle (12) 对没有喷嘴环的涡轮增压器，涡轮损失之和ΔW为 ΔW＝ΔWi+ΔWout+ΔWrd+ΔWle (13) 步骤五、获得涡轮增压器由工作转速降低到0转速这一阶段压气机功耗 数据采集处理与控制系统使用在步骤三中获得的数据，获得涡轮增压器由工作转速降低到0转速这一阶段压气机功耗。
切断气源后，压气机流量由稳态流量降低到零，这一过程中压气机叶轮对空气做功消耗的功率采用在工作转速下压气机功率的平均值，通过公式(14)计算 其中
表示空气定压比热，
TC1*表示压气机进气总温；πC表示增压比；κ表示空气绝热指数，κ＝1.4；ηC表示压气机效率。
步骤六、获得涡轮增压器的总的剩余功率 数据采集处理与控制系统使用在步骤三中获得的数据，获得涡轮增压器总的剩余功率。具体步骤如下 ①采用切断气源后转速传感器采集的数据，绘制速度——时间曲线，将该曲线拟合为双曲型曲线y＝ax-n，渐近线为x轴和y轴，曲线在第一象限。依据转速——时间曲线求出该曲线的斜率，即增压器转子的转速随时间的变化率
②获得增压器剩余力矩之和(用Mf表示)，通过公式15计算。
其中，Mf为增压器剩余力矩之和；I0为转子的转动惯量；ω为转子的角速度；n为增压器转子转速；t为时间。
③获得涡轮增压器的总的剩余功率(用Nf表示)，通过公式16计算。
其中，Nf为涡轮增压器总的剩余功率。
步骤七、获得涡轮增压器的机械损失功率 在步骤四、五、六的基础上，获得增压器机械损失功率。其具体步骤为 ①通过公式17获得摩擦损失系数(用k1表示) 其中GC为增压器压气机质量流量；Ga为进气管压缩空气质量流量；Gf为燃油质量流量。
②获得瞬态摩擦损失系数(用k2表示)。停机瞬态工况转子所承受的轴向力是增压器稳定工作时的5～6倍。即 k2＝(5～6)μ (18) 其中μ——动摩擦因数。
③获得涡轮增压器的机械损失功率。车用涡轮增压器涡轮转子所承受的轴向负荷方向是变化的，在起动加速瞬态工况时，转子轴向力指向涡轮端；在停机减速瞬态工况时，转子轴向力指向压气机端。所以，涡轮增压器在其稳定工作时的机械损失功率为 N＝(1-k1)k2Nf (19) 通过上述步骤，即可得到涡轮增压器的机械损失功率。
另外，为了便于将不同环境下测得的试验数据进行比较，本发明提供一种将不同环境下测得的试验数据转换为标准环境状况的一种转换方法。标准环境状况为大气温度为298K(25℃)；压力为100KPa(760mmHg)。当试验环境状况有别于标准环境状况时，对实际所得机械损失功率Nf按照标准环境状态进行折算，即对公式19中所包含的转速n与流量GC，按照标准环境予以折算，得到折合机械损失(用Ncnp表示)。
有益效果 (1)本发明给出了一种更加准确的测量涡轮增压器机械损失功率的装置，能够准确、方便的测量涡轮增压器的机械损失功率。
(2)提供了一种涡轮增压器机械损失功率的测量方法，该方法较原有方法更为精确、方便，为分析、评判涡轮增压器的性能提供了试验测试手段。
图1为本发明的涡轮增压器机械损失功率测量装置的结构示意图； 图2为本发明的具体实施方式
中的涡轮增压器机械损失功率测量装置的结构示意图； 其中1-外气源，2-气源压力传感器，3-进气阀，4-进气管，5-进气压力传感器，6-进气温度传感器，7-进气质量流量计，8-燃油压力传感器，9-燃油温度传感器，10-燃油质量流量计，11-燃烧室，12-燃油系统，13-燃油管，14-点火装置，15-涡轮进气管，16-涡轮进气压力传感器，17-涡轮进气温度传感器，18-涡轮排气管，19-涡轮排气温度传感器，20-涡轮排气压力传感器，21-润滑油进口压力传感器，22-润滑油进口温度传感器，23-润滑油质量流量计，24-润滑油回油温度传感器，25-润滑油回油压力传感器，26-润滑油箱，27-润滑油泵，28-润滑油进油管，29-润滑油回油管，30-加热装置，31冷却装置，32-压气机排气电动阀，33-转速传感器，34-压气机进气温度传感器，35-压气机进气压力传感器，36-压气机进气管，37-压气机质量流量计，38-压气机出口压力传感器，39-压气机出口温度传感器，40-压气机排气管； 图3为本发明的具体实施方式
中的涡轮增压器转子速度——时间曲线示意图。
具体实施例方式 根据上述技术方案，下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
一种涡轮增压器机械损失功率的测量装置，结构如图2所示，包括外气源1、气源压力传感器2、进气阀3、进气压力传感器5、进气温度传感器6、进气质量流量计7、燃油压力传感器8、燃油温度传感器9、燃油质量流量计10、涡轮进气管15，涡轮进气压力传感器16、涡轮进气温度传感器17、涡轮排气管18、涡轮排气温度传感器19、涡轮排气压力传感器20、润滑油进口压力传感器21、润滑油进口温度传感器22、润滑油质量流量计23、润滑油回油温度传感器24、润滑油回油压力传感器25、压气机排气电动阀32、转速传感器33、压气机进气温度传感器34、压气机进气压力传感器35、压气机进气管36、压气机质量流量计37、压气机出口压力传感器38、压气机出口温度传感器39、压气机排气管40、数据采集处理与控制系统、燃烧系统、润滑系统、自动调温系统，该测量装置在使用过程中对外围设备涡轮增压器的机械损失功率进行测量。
所述外围设备涡轮增压器包括涡轮、压气机、轴承体。涡轮进气管15与涡轮增压器的涡轮进口连接，涡轮进气管15的内壁上安装有涡轮进气压力传感器16，涡轮进气温度传感器17；涡轮排气管18与涡轮增压器的涡轮出口连接，涡轮排气管18的内壁上安装有涡轮排气温度传感器19，涡轮排气压力传感器20；压气机进气管36与涡轮增压器的压气机进口连接，压气机进气管36的内壁上安装有转速传感器33，压气机进气温度传感器34，压气机进气压力传感器35，压气机质量流量计37；压气机排气管40与涡轮增压器的压气机出口连接，压气机排气管40的内壁上安装有压气机出口压力传感器38，压气机出口温度传感器39；涡轮增压器与润滑系统的润滑油进油管28和润滑油回油管29连接。
所述外气源1的主要功能是提供驱动所述涡轮增压器的涡轮达到较高转速的高压气体；外气源1内部装有气源压力传感器2；外气源1通过进气阀3与燃烧系统的进气管4相连，进气阀3的作用是对外气源1内的气体进入进气管4起到控制作用。
所述燃烧系统的作用是提供给涡轮增压器一定能量的燃气，使涡轮增压器的工作状态符合涡轮增压器安装在发动机上的实际工作状态。燃烧系统包括进气管4、燃油系统12、点火装置14、燃烧室11。燃油系统的作用是为燃烧室提供燃油，燃油系统通过燃油管13与燃烧室11连接，并且在燃油管的内壁上安装有燃油压力传感器8、燃油温度传感器9以及燃油质量流量计10。点火装置的作用是为点燃燃烧室内的燃油提供火源，点火装置安装在燃烧室11内。燃烧室11的作用是提供燃油燃烧的空间，并产生所述使涡轮增压器的工作状态符合涡轮增压器安装在发动机上的实际工作状态的燃气。燃烧室11的一端通过进气管4与进气阀3连接，另一端与涡轮进气管15相连。进气管4的内壁上安装有进气压力传感器5，进气温度传感器6，进气质量流量计7。
所述润滑系统的作用是为涡轮增压器提供循环润滑油，包括润滑油箱26、润滑油泵27、润滑油进油管28、润滑油回油管29。其连接关系为润滑油箱26通过润滑油进油管28和润滑油回油管29与涡轮增压器连接，并且在润滑油进油管28上安装有增压器润滑油进口压力传感器21和润滑油进口温度传感器22，润滑油质量流量计23；在润滑油回油管29上安装有润滑油出口温度传感器24和润滑油出口压力传感器25。
自动调温系统包括冷却装置31及加热装置30，其作用是自动调节润滑油温度，使其保持在工作温度下，保证试验的重复性和准确性；其工作原理为当润滑系统温度达到高温值时，开启冷却装置，降低润滑系统温度；当润滑系统温度低于低温值时，开启加热装置，提高润滑系统温度。较佳的，高温值为90摄氏度，低温值为40摄氏度。
所述数据采集处理与控制系统采用所述涡轮增压器机械损失功率的测量方法的具体实现。与气源压力传感器2、进气压力传感器5、进气温度传感器6、进气质量流量计7、燃油压力传感器8、燃油温度传感器9、燃油质量流量流量计10、涡轮进气压力传感器16、涡轮进气温度传感器17、涡轮排气温度传感器19、涡轮排气压力传感器20、润滑油进口压力传感器21、润滑油进口温度传感器22、润滑油质量流量计23、润滑油回油温度传感器24、润滑油回油压力传感器25、转速传感器33、压气机进气温度传感器34、压气机进气压力传感器35、压气机进气管36、压气机质量流量计37、压气机出口压力传感器38、压气机出口温度传感器39连接，完成对传感器采集的数据的汇总及处理，得到所测量的涡轮增压器的机械损失功率。本装置中涉及到的所有传感器既可为无线传感器，也可为有线连接的传感器。
所述压气机排气电动阀32的作用是控制压气机排气管的开度，其安装位置为压气机排气管40靠近出口端的位置。
基于上述装置的一种涡轮增压器机械损失功率测量方法的具体操作步骤如下 步骤一、将待测涡轮增压器连接至本发明提出的涡轮增压器机械损失功率测量装置 涡轮进气管15与涡轮增压器的涡轮进口连接，涡轮排气管18与涡轮增压器的涡轮出口连接，压气机进气管36与涡轮增压器的压气机进口连接，压气机排气管40与涡轮增压器的压气机出口连接，涡轮增压器与润滑系统的润滑油进油管28和润滑油回油管29连接。
步骤二、启动涡轮增压器机械损失功率的测量装置 在步骤一的基础上，打开外气源1，启动点火装置14，使待测涡轮增压器达到工作转速。
步骤三、采集试验过程中涡轮增压器的各项数据 在步骤二的基础上，采集试验过程中涡轮增压器的各项数据。具体操作步骤如下 第①步用进气压力传感器5测量进气管内气体总压，用进气温度传感器6测量进气管内气体总温，用进气质量流量计7测量进气管内气体质量流量，用燃油质量流量计10测量燃油质量流量，用涡轮进气压力传感器16测量涡轮前燃气总压，用涡轮进气温度传感器17测量涡轮前燃气总温，用涡轮排气温度传感器19测量涡轮排气静温，用涡轮排气压力传感器20测量涡轮排气静压，用转速传感器33测量增压器转子转速，用压气机进气温度传感器34测量压气机进气总温，用压气机进气压力传感器35测量压气机进气总压，用压气机质量流量计37测量压气机质量流量，用压气机出口压力传感器38测量压气机出口总压，用压气机出口温度传感器39测量压气机出口总温，并实时将各传感器采集的数据汇总至数据采集处理与控制系统。
第②步切断气源，通过第①步中所述各传感器，采集并记录涡轮增压器由工作转速降低到静止这段时间的各项数据，并实时将各传感器采集的数据汇总至数据采集处理与控制系统。
步骤四、获得涡轮增压器的气动损失 数据采集处理与控制系统使用在步骤三中获得的数据，根据采集到的涡轮增压器在工作转速下的数据和相关热力学公式获得增压器的气动损失。其具体方法如下 第①步得到涡轮增压器压气机的气动损失之和。
空气在涡轮增压器压气机叶轮中流动时，主要的气动损失有以下部分 a.空气在通道内的转弯损失。包括导风轮损失(用WI1表示)以及叶轮径向叶片将气流方向由轴向改为径向时的损失(用WI2表示)，分别通过公式1和公式2计算。
其中ω1为叶轮进口处相对速度，cr2为叶轮出口处绝对速度的径向分量，ξ1和ξ2为损失系数。
b.气流在叶轮通道内的摩擦损失。包括涡流损失(用WI3表示)，通过公式3计算。
其中ξ3为损失系数。
c.气流在叶轮与壳体之间的漏气损失和轮盘摩擦损失。
由于旋转的叶片与壳体之间存在间隙，就不可避免地存在漏气损失。这种损失在叶轮与压气机壳之间，表现为潜流和鼓风环流；在叶轮轮背与背盘之间，表现为鼓风环流。将该部分损失合并到轮盘摩擦损失中计算。
轮盘摩擦损失(用WId表示)，通过公式4计算。
其中，α为损失系数，u2为叶轮出口牵连速度。
d.压气机壳中的损失(用WI4表示)，通过公式5计算。
其中，ξ4为蜗壳损失系数，c4为扩压气出口绝对速度。
基于以上，涡轮增压器压气机气动损失之和(用WI表示)可通过公式6计算得到 WI＝WI1+WI2+WId+WI4 (6) 第②步计算涡轮增压器涡轮中的气动损失，主要包括以下部分 a.喷嘴环中的能量损失(用ΔW1表示)，通过公式7计算。
其中
表示喷嘴环速度系数； b.叶轮内的损失(用ΔWi表示)，通过公式8计算。
其中ψ表示叶轮中速度系数，ω2为叶轮出口相对速度； c.余速损失(用ΔWout表示)，通过公式9计算。
d.叶轮摩擦与通风损失(用ΔWrd表示)。因为气流在涡轮箱中的流动损失包含在了通风损失中，故通过公式10计算。
其中，β表示叶轮轮盘的形状系数；ρ1m表示叶轮周围的平均密度；u1为叶轮进口的轮周速度；D1表示叶轮进口直径；WTd表示叶轮前的绝热膨胀功。
f.漏气损失(用ΔWle表示)，通过公式11计算。
ΔWle＝0.005WTd； (11) 基于以上，对有喷嘴环的涡轮增压器，涡轮损失之和(用ΔW表示)为 ΔW＝ΔW1+ΔWi+ΔWout+ΔWrd+ΔWle (12) 对没有喷嘴环的涡轮增压器，涡轮损失之和ΔW为 ΔW＝+ΔWi+ΔWout+ΔWrd+ΔWle (13) 步骤五、获得涡轮增压器由工作转速降低到0转速这一阶段压气机功耗 数据采集处理与控制系统使用在步骤三中获得的数据，获得涡轮增压器由工作转速降低到0转速这一阶段压气机功耗。
切断气源后，压气机流量由稳态流量降低到零，这一过程中压气机叶轮对空气做功消耗的功率采用在工作转速下压气机功率的平均值，通过公式(14)计算 其中
表示空气定压比热，
TC1*表示压气机进气总温；πC表示增压比；κ表示空气绝热指数，κ＝1.4；ηC表示压气机效率。
步骤六、获得涡轮增压器的总的剩余功率 数据采集处理与控制系统使用在步骤三中获得的数据，获得涡轮增压器总的剩余功率。具体步骤如下 ①采用切断气源后转速传感器采集的数据，绘制速度——时间曲线，如图2所示，将该曲线拟合为双曲型曲线y＝ax-n，渐近线为x轴和y轴，曲线在第一象限。依据转速——时间曲线求出该曲线的斜率，即增压器转子的转速随时间的变化率
②得到增压器剩余力矩之和(用Mf表示)，通过公式15计算。
其中，Mf为增压器剩余力矩之和；I0为转子的转动惯量；ω为转子的角速度；n为增压器转子转速；t为时间。
③得到涡轮增压器的总的剩余功率(用Nf表示)，通过公式16计算。
其中，Nf为涡轮增压器总的剩余功率。
步骤七、获得涡轮增压器的机械损失功率 在步骤四、五、六的基础上，获得增压器机械损失功率。其具体步骤为 ①通过公式17获得摩擦损失系数(用k1表示) 其中GC为增压器压气机质量流量；Ga为进气管压缩空气质量流量；Gf为燃油质量流量。
②获得瞬态摩擦损失系数(用k2表示)。停机瞬态工况转子所承受的轴向力是增压器稳定工作时的5～6倍。即 k2＝(5～6)μ (18) 其中μ——动摩擦因数。
③获得涡轮增压器的机械损失功率。车用涡轮增压器涡轮转子所承受的轴向负荷方向是变化的，在起动加速瞬态工况时，转子轴向力指向涡轮端；在停机减速瞬态工况时，转子轴向力指向压气机端。所以，涡轮增压器在其稳定工作时的机械损失功率为 N＝(1-k1)k2Nf (19) 通过上述步骤，即可得到涡轮增压器的机械损失功率。
另外，为了便于将不同环境下测得的试验数据进行比较，本发明提供一种将不同环境下测得的试验数据转换为标准环境状况的一种转换方法。标准环境状况为大气温度为298K(25℃)；压力为100KPa(760mmHg)。当试验环境状况有别于标准环境状况时，对实际所得机械损失功率Nf按照标准环境状态进行折算，即对公式19中所包含的转速n与流量GC，按照标准环境予以折算，得到折合机械损失(用Ncnp表示)。
权利要求
1.一种涡轮增压器机械损失功率的测量装置，其特征在于包括外气源、数据采集处理与控制系统、传感器、加热系统、润滑系统、自动调温系统；
所述外气源与加热系统相连，其功能是提供驱动所述涡轮增压器的涡轮达到较高转速的高压气体；
所述加热系统与外围设备涡轮增压器连接，其作用是提供给涡轮增压器一定能量的燃气，使涡轮增压器的工作状态符合涡轮增压器安装在发动机上的实际工作状态；
所述润滑系统与所述外围设备涡轮增压器的轴承体连接，其作用是为涡轮增压器提供循环润滑油；
所述外围设备涡轮增压器包括涡轮、压气机、轴承体、涡轮排气管、气压机进气管、气压机排气管；
所述自动调温系统与所述润滑系统连接，其作用是自动调节润滑油温度，使其保持在工作温度下，保证试验的重复性和准确性；其工作原理为当润滑系统温度达到高温值时，自动开启冷却装置，降低润滑系统温度；当润滑系统温度低于低温值时，自动开启加热装置，提高润滑系统温度；
所述传感器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、液体质量流量计、转速传感器，包括上述传感器但不限于此；所述传感器位于外气源的内部、外气源与加热系统的连接通道上、加热系统内部、润滑系统内部，涡轮排气管壁、气压机进气管壁、气压机排气管壁上，用于监控气体或者液体的温度、压力、液体质量流量以及转速等，并将获得的数据传递给数据采集处理与控制系统；
所述数据采集处理与控制系统是采用所述涡轮增压器机械损失功率的测量方法的具体实现；数据采集处理与控制系统从各传感器获得数据，并进行处理，得到所测量的涡轮增压器的机械损失功率。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮增压器机械损失功率的测量装置，其特征在于自动调温系统在润滑系统温度达到90摄氏度时，自动开启冷却装置，降低润滑系统温度；在润滑系统温度低于40摄氏度时，自动开启加热装置，提高润滑系统温度。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种涡轮增压器机械损失功率的测量装置，其特征在于包括外气源(1)、气源压力传感器(2)、进气阀(3)、进气压力传感器(5)、进气温度传感器(6)、进气质量流量计(7)、燃油压力传感器(8)、燃油温度传感器(9)、燃油质量流量流量计(10)、涡轮进气管(15)，涡轮进气压力传感器(16)、涡轮进气温度传感器(17)、涡轮排气管(18)、涡轮排气温度传感器(19)、涡轮排气压力传感器(20)、润滑油进口压力传感器(21)、润滑油进口温度传感器(22)、润滑油质量流量计(23)、润滑油回油温度传感器(24)、润滑油回油压力传感器(25)、压气机排气电动阀(32)、转速传感器(33)、压气机进气温度传感器(34)、压气机进气压力传感器(35)、压气机进气管(36)、压气机质量流量计(37)、压气机出口压力传感器(38)、压气机出口温度传感器(39)、压气机排气管(40)、数据采集处理与控制系统、燃烧系统、润滑系统、自动调温系统；该测量装置在使用过程中对外围设备涡轮增压器的机械损失功率进行测量；
所述外围设备涡轮增压器包括涡轮、压气机、轴承体；涡轮增压器与所述涡轮增压器机械损失功率的测量装置的连接关系为涡轮进气管(15)与涡轮增压器的涡轮进口连接，其作用是将燃烧系统产生的燃气送至涡轮增压器，涡轮进气管(15)的内壁上安装有涡轮进气压力传感器(16)，涡轮进气温度传感器(17)；涡轮排气管(18)与涡轮增压器的涡轮出口连接，其作用是将对涡轮做功后的废气排出，涡轮排气管(18)的内壁上安装有涡轮排气温度传感器(19)，涡轮排气压力传感器(20)；压气机进气管(36)与涡轮增压器的压气机进口连接，空气通过压气机进气管(36)进入涡轮增压器，压气机进气管(36)的内壁上安装有转速传感器(33)，压气机进气温度传感器(34)，压气机进气压力传感器(35)，压气机质量流量计(37)；压气机排气管(40)与涡轮增压器的压气机出口连接，将压气机对空气做功后的高压气体排出，压气机排气管(40)的内壁上安装有压气机出口压力传感器(38)，压气机出口温度传感器(39)；涡轮增压器与润滑系统的润滑油进油管(28)和润滑油回油管(29)连接；
所述外气源(1)的主要功能是提供驱动所述涡轮增压器的涡轮达到较高转速的高压气体；外气源(1)内部装有气源压力传感器(2)；外气源(1)通过进气阀(3)与燃烧系统的进气管(4)相连，进气阀(3)的作用是对外气源(1)内的气体进入进气管(4)起到控制作用；
所述燃烧系统的作用是提供给涡轮增压器一定能量的燃气，使涡轮增压器的工作状态符合涡轮增压器安装在发动机上的实际工作状态；燃烧系统包括进气管(4)、燃油系统(12)、点火装置(14)、燃烧室(11)；燃油系统的作用是为燃烧室提供燃油，燃油系统通过燃油管(13)与燃烧室(11)连接，并且在燃油管的内壁上安装有燃油压力传感器(8)、燃油温度传感器(9)以及燃油质量流量计(10)；点火装置的作用是为点燃燃烧室内的燃油提供火源，点火装置安装在燃烧室(11)内；燃烧室(11)的作用是提供燃油燃烧的空间，并产生所述使涡轮增压器的工作状态符合涡轮增压器安装在发动机上的实际工作状态的燃气；燃烧室(11)的一端通过进气管(4)与进气阀(3)连接，另一端与涡轮进气管(15)相连；进气管(4)的内壁上安装有进气压力传感器(5)，进气温度传感器(6)，进气质量流量计(7)；
所述润滑系统的作用是为涡轮增压器提供循环润滑油，包括润滑油箱(26)、润滑油泵(27)、润滑油进油管(28)、润滑油回油管(29)；其连接关系为润滑油箱(26)通过润滑油进油管(28)和润滑油回油管(29)与涡轮增压器连接，并且在润滑油进油管(28)上安装有增压器润滑油进口压力传感器(21)和润滑油进口温度传感器(22)，润滑油质量流量计(23)；在润滑油回油管(29)上安装有润滑油出口温度传感器(24)和润滑油出口压力传感器(25)；
自动调温系统包括冷却装置(31)及加热装置(30)，其作用是自动调节润滑油温度，使其保持在工作温度下，保证试验的重复性和准确性；其工作原理为当润滑系统温度达到高温值时，开启冷却装置，降低润滑系统温度；当润滑系统温度低于低温值时，开启加热装置，提高润滑系统温度；
所述数据采集处理与控制系统是采用所述涡轮增压器机械损失功率的测量方法的具体实现；与气源压力传感器(2)、进气压力传感器(5)、进气温度传感器(6)、进气质量流量计(7)、燃油压力传感器(8)、燃油温度传感器(9)、燃油质量流量流量计(10)、涡轮进气压力传感器(16)、涡轮进气温度传感器(17)、涡轮排气温度传感器(19)、涡轮排气压力传感器(20)、润滑油进口压力传感器(21)、润滑油进口温度传感器(22)、润滑油质量流量计(23)、润滑油回油温度传感器(24)、润滑油回油压力传感器(25)、转速传感器(33)、压气机进气温度传感器(34)、压气机进气压力传感器(35)、压气机进气管(36)、压气机质量流量计(37)、压气机出口压力传感器(38)、压气机出口温度传感器(39)连接，完成对传感器采集的数据的汇总及处理，得到所测量的涡轮增压器的机械损失功率；
所述压气机排气电动阀(32)的作用是控制压气机排气管的开度，其安装位置为压气机排气管(40)靠近出口端的位置。
4.一种涡轮增压器机械损失功率的测量方法，其特征在于具体操作步骤如下
步骤一、将待测涡轮增压器连接至本发明提出的涡轮增压器机械损失功率测量装置；
步骤二、启动涡轮增压器机械损失功率的测量装置，使待测涡轮增压器达到工作转速；
步骤三、采集试验过程中的各项数据，具体操作步骤如下
第①步通过所述各传感器采集涡轮增压器达到工作转速情况下的数据，并将各传感器采集的数据传输至数据采集处理与控制系统；
第②步切断气源，再次通过所述各传感器，采集并记录涡轮增压器由工作转速降低到静止这段时间的各项数据，并将各传感器采集的数据传输至数据采集处理与控制系统；
步骤四、获得涡轮增压器的气动损失
数据采集处理与控制系统使用在步骤三中获得的数据，根据采集到的涡轮增压器在工作转速下的数据和相关热力学公式获得增压器的气动损失；其具体方法如下
第①步获得涡轮增压器压气机的气动损失之和；
空气在涡轮增压器压气机叶轮中流动时，主要的气动损失有以下部分
a.空气在通道内的转弯损失；包括导风轮损失，用WI1表示，以及叶轮径向叶片将气流方向由轴向改为径向时的损失，用WI2表示，分别通过公式1和公式2计算得到；
其中ω1为叶轮进口处相对速度，cr2为叶轮出口处绝对速度的径向分量，ξ1和ξ2为损失系数；
b.气流在叶轮通道内的摩擦损失；包括涡流损失，用WI3表示，通过公式3计算；
其中ξ3为损失系数；
c.气流在叶轮与壳体之间的漏气损失和轮盘摩擦损失；
将气流在叶轮与壳体之间的漏气损失合并到轮盘摩擦损失中计算；轮盘摩擦损失用WId表示，通过公式4计算得到；
其中，α为损失系数，u2为叶轮出口牵连速度；
d.压气机壳中的损失，用WI4表示，通过公式5计算；
其中，ξ4为蜗壳损失系数，c4为扩压气出口绝对速度；
基于以上，涡轮增压器压气机气动损失之和，用WI表示，可通过公式6计算得到
WI＝WI1+WI2+WId+WI4(6)
第②步获得涡轮增压器涡轮中的气动损失，主要包括以下部分
a.喷嘴环中的能量损失，用ΔW1表示，通过公式7计算得到；
其中
表示喷嘴环速度系数；
b.叶轮内的损失，用ΔWi表示，通过公式8计算得到；
其中ψ表示叶轮中速度系数，ω2为叶轮出口相对速度；
c.余速损失，用ΔWout表示，通过公式9计算得到；
d.叶轮摩擦与通风损失，用ΔWrd表示，通过公式10计算得到；
其中，β表示叶轮轮盘的形状系数；ρ1m表示叶轮周围的平均密度；u1为叶轮进口的轮周速度；D1表示叶轮进口直径；WTd表示叶轮前的绝热膨胀功；
e.漏气损失，用ΔWle表示，通过公式11计算得到；
ΔWle＝0.005WTd；(11)
基于以上，对有喷嘴环的涡轮增压器，涡轮损失之和，用ΔW表示
ΔW＝ΔW1+ΔWi+ΔWout+ΔWrd+ΔWle(12)
对没有喷嘴环的涡轮增压器，涡轮损失之和ΔW为
ΔW＝ΔWi+ΔWout+ΔWrd+ΔWle (13)
步骤五、获得涡轮增压器由工作转速降低到0转速这一阶段压气机功耗
数据采集处理与控制系统使用在步骤三中获得的数据，获得涡轮增压器由工作转速降低到0转速这一阶段压气机功耗，采用在工作转速下压气机功率的平均值，通过公式(14)计算得到
其中
表示空气定压比热，
TC1*表示压气机进气总温；πC表示增压比；κ表示空气绝热指数，κ＝1.4；ηC表示压气机效率；
步骤六、获得涡轮增压器的总的剩余功率
数据采集处理与控制系统使用在步骤三中获得的数据，获得涡轮增压器总的剩余功率；具体步骤如下
①采用切断气源后转速传感器采集的数据，绘制速度——时间曲线，将该曲线拟合为双曲型曲线y＝ax-n，渐近线为x轴和y轴，曲线在第一象限；依据转速——时间曲线求出该曲线的斜率，即增压器转子的转速随时间的变化率
②获得增压器剩余力矩之和，用Mf表示，通过公式15计算得到；
其中，Mf为增压器剩余力矩之和；I0为转子的转动惯量；ω为转子的角速度；n为增压器转子转速；t为时间；
③获得涡轮增压器的总的剩余功率，用Nf表示，通过公式16计算得到；
其中，Nf为涡轮增压器总的剩余功率；
步骤七、获得涡轮增压器的机械损失功率
在步骤四、五、六的基础上，获得增压器机械损失功率；其具体步骤为
①通过公式17获得摩擦损失系数，用k1表示
其中GC为增压器压气机质量流量Ga为进气管压缩空气质量流量；Gf为燃油质量流量；W1为涡轮增压器压气机气动损失之和；ΔW为涡轮损失之和；NC为涡轮增压器由工作转速降低到0转速这一阶段压气机功耗；Nf为涡轮增压器总的剩余功率；
②获得瞬态摩擦损失系数，用k2表示；
k2＝(5～6)μ (18)
其中μ——动摩擦因数；
③获得涡轮增压器的机械损失功率；
N＝(1-k1)k2Nf(19)
通过上述步骤，即可得到涡轮增压器的机械损失功率。
5.根据权利要求4所述的一种涡轮增压器机械损失功率的测量方法，其特征在于当其测量环境为非标准环境状况时，其测量结果可通过公式20转化为标准环境状况下的折合机械损失，用Ncnp表示
标准环境状况为大气温度为298K(25℃)；压力为100KPa(760mmHg)。
全文摘要
本发明涉及一种涡轮增压器机械损失功率测量装置及方法。本发明的的基本原理在一定转速下运转的涡轮增压器，当切断外气源供应，即停止外部能量输入时，涡轮增压器经历一个从初始转速到转速为零的自由减速过程中，在这个过程中，通过测量克服径向浮动轴承、轴向止推轴承(球轴承增压器无止推轴承)、密封环摩擦副的摩擦阻力损失以及压气机继续压缩空气造成的气动损失和涡轮气动损失，并用测量得到的摩擦阻力损失减去后两部分测得的气动损失，获得涡轮增压器的真实机械损失功率。本发明提出的涡轮增压器机械损失功率的测量装置及方法，测量更准确、方便。
文档编号G01L5/00GK101726378SQ20091023727
公开日2010年6月9日 申请日期2009年11月12日 优先权日2009年11月12日
发明者黄若, 王绍卿, 魏名山 申请人:北京理工大学