专利名称：旋转流体机械性能测试装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种旋转流体机械性能测试装置，特别是一种具有结合网络遥测遥控，以利于性能数据测量与整理的旋转流体机械性能测试装置。
背景技术：
旋转流体机械，如各式风扇、鼓风机、泵浦、涡轮机、喷射引擎，能够提供能量转换或质量传输等功能，因此是非常重要的工业产品。以最高的运转效率(Effciency)，满足能量转换或质量传输的需求，是旋转流体机械工程设计首要追求的目标。然而，旋转流体机械运转时，定子与转子的相对运动使得其间流体必定产生非定常(Unsteady)的流场变化，且产生作用于静、动叶片上的非定常作用力，此谓定子-转子交互作用(Stator-RotorInteraction)。此交互作用可能造成旋转流体机械的结构疲劳破坏，是流体力学设计所必须去除或降低的，也是结构力学设计所必须克服的。此外，旋转机械周期性的运动，引发周围流场周期性及非周期性压力变化，该压力变化传播于空气中，即是恼人的噪音，这也是设计工程师面对环境保护、客户抱怨以及产品竞争所必须解决的问题。虽然旋转流体机械是非常庞大的产业，在各个特定产品领域里，累积了各种丰富的材料、组件、结构、制造、系统、测试研究开发成果与技术；但由于流体运动的复杂性及理论计算的困难性，使得旋转流体机械的流体运动相关设计，如前述的效率、破坏、噪音等，仍主要依赖于大量的实验量测及经验，也因此成为昂贵的技术(Know-How)。
流体动力计算基于基本的力学原理，发展有效的数值计算方法(Numerical Scheme)和物理模型(Physical Model)，以高速的计算机计算仿真及分析流体运动及其产生的影响，是非常重要的研究领域。藉由流体动力计算，以虚拟的方式进行实验，并以计算机进行图形处理与数据呈现；非但可避免(至少可节省)昂贵的实验设备及量测，且易于得到对整个流场行为的了解，进而有所依据地予以设计改善，一直是许多研究单位及设计工程师的期望。然而，迟至今日，由于流体运动的非线性动力行为，流体动力计算方法的有效性及计算结果的可靠性，仍是相当有限的。旋转流体机械的流体动力计算，虽然由于殷切的需求，已有相当庞大研究资源的投入，但由于受限于计算机计算能力不足，以往的研究皆以定常(Steady State)流场分析为主。以整个旋转流体机械为对象，包含定子与转子非定常交互作用的粘性流场流体动力计算，可计算出机械结构所受的振荡力以及压力波的变化，使得足以评估结构寿命及噪音，仍是相当罕见的。
请参阅图1所示的已知旋转流体机械性能测试装置(美国专利US6298718)示意图。该测试装置具有一往复式发动机10以及一组合的涡轮增压机15，该组合的涡轮增压机15具有一涡轮机16，该涡轮机16连接一涡轮导杆18以驱动一压缩机17，其藉由一入风口22提供气体至该压缩机17进行压缩成高压气体后，以一入风歧管24将高压气体导引至该往复式发动机10，将该往复式发动机10以燃料与高压气体混合燃烧，最后再以一排气歧管20推动该涡轮机16进行输出功，且更藉由一支道26与旁通控制阀27将该排气歧管20的多余气体导入该入风歧管24后，以提供该往复式发动机10进行循环再利用。
以上该测试装置藉由一往复式发动机控制模块30以一控制器32操控该往复式发动机10，首先该往复式发动机控制模块30可以以一速度传感器35、一温度传感器36以及一压力传感器37检测进入该压缩机17空气的温度及压力，以决定该入风口22提供较佳气体状态至该压缩机17，再藉由设置于该入风歧管24的一气体质量流率传感器38以及一推动压力传感器39，以决定进入该往复式发动机10的气体状态，该往复式发动机控制模块30具有的一判断软件45，该判断软件45可使操作者直接以一特征输出器47提供观测以及操作修正上述传感器的检测值进行控制。
由于该测试装置只能提供进出该压缩机17内部空气(或气体)的感测功能，因此该测试装置仅能被用以测量该压缩机17的性能而已。也就说，因为该测试装置并未提供进出该涡轮机16内部气体的感测功能，所以在对于涡轮机完全无任何测量数据的状况下，该测试装置乃无法被用以测量该涡轮机的性能。另外，因为以旁通阀法控制该压缩机背压，会导致往复式引擎于低流量时无法输出足够的动力，来精确量测喘振区特性等缺失，所以如何去解决现有旋转流体机械性能测试装置相关的缺陷，是旋转流体机械性能测试的相关业者所急迫有待寻求解决的方案以及改进之处。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种旋转流体机械性能测试装置，通过将压缩机与涡轮机设计形成一闭回路结构，以达到无气源损耗及储存，可进行长期连续的耐久性及破坏性测试的功效。
本发明的次要目的是提供一种旋转流体机械性能测试装置，通过开回路测试环境可单独设定与控制压缩机与涡轮机的工作条件，以达到可测试气动力及磨耗性能测试的功效。
本发明的另一目的是提供一种旋转流体机械性能测试装置，利用以太及因特网的数字信号双向传输，达到提供无失真信号与实时性远程遥控控制的功效。
本发明的又一目的是提供一种旋转流体机械性能测试装置，通过将控制参数外置，使不同载具的性能测试无须调整控制硬件即可完成测试，以达到该测试装置可广泛使用不同载具的功效。
本发明的上述目的是这样实现的，一种旋转流体机械性能测试装置，包括一待测旋转流体机械，具有一压缩机与一涡轮机；一高压气源储存槽，用于储存驱动气源，该驱动气源用来驱动该待测试旋转流体机械；一燃料储存槽，储存用来驱动该待测试旋转流体机械的燃料；一燃烧室，其连接该高压气源储存槽与该燃料储存槽，混合该驱动气源与该燃料进行燃烧，以提供能量驱动该涡轮机；一高压点火装置，其与该燃烧室相连接，在进行测试时点燃该燃料；一循环装置，连接该压缩机与该燃烧室；
一压缩机工况控制装置，与该压缩机相连接，提供设定该压缩机的操作条件；一涡轮机工况控制装置，与该涡轮机相连接，提供设定该涡轮机的操作条件；一控制器，分别连接上述各组件，且提供检测及控制该各组件的操作条件；以及一局部服务器，提供以太/因特网检测数字控制讯号双向传输功能，以进行实时性远程遥测遥控。
下面结合附图对本实用新型进行详细说明。
图1是传统的旋转流体机械性能测试装置(US6298718)示意图；图2是本发明旋转流体机械性能测试装置示意图。
附图标记说明10～往复式发动机；15～组合的涡轮增压机；16～涡轮机；17～压缩机；18～涡轮导杆；20～排气歧管；22～入风口；24～入风歧管；26～支道；30～往复式发动机控制模块；32～控制器；35～速度传感器；36～温度传感器；37～压力传感器；38～气体质量流率传感器；39～推动压力传感器；45～判断软件；47～特征输出器；50～待测旋转流体机械；51～压缩机；52～涡轮机；53～入口；61～高压气源储存槽；611～气体流量控制阀；612～气源截断阀；613～气源压力调节阀；62～燃料储存槽；621～燃料控制阀；63～燃烧室；64～高压点火装置；65～循环装置；651～回路控制阀；66～压缩机工况控制装置；661～压缩机背压控制阀；67～涡轮机工况控制装置；671～涡轮机背压控制阀；70～控制器；71～通讯接口；72～远处监控端；73～近端管理；74～中央处理器；75～控制软件；76～数据储存单元；77～输入单元；78～输出单元；79～运算处理单元；81～气源流量量测传感器；82～供油流率量测传感器；83～涡轮机进气温度及压力传感器；84～压缩机排气温度及压力传感器；85～压缩机进气温度量测传感器；86～压缩机进气压力差量测传感器；87～转速量测传感器；88～涡轮机排气温度及压力传感器。
具体实施例方式
本发明所提供的旋转流体机械性能测试装置利用因特网技术进行远程遥控，且交互式人机接口与控制参数外置，还能使测试装置广泛性使用，同时具备开回路与闭回路测试环境，可分别设定压缩机与涡轮机工作条件。
以下将举出较佳实施例详细说明本发明的旋转流体机械性能测试装置的详细手段、动作方式、达成功效、以及本发明的其它技术特征。请参阅图2所示的本发明旋转流体机械性能测试装置，其包括一待测旋转流体机械50、一高压气源储存槽61、一燃料储存槽62、一燃烧室63、一高压点火装置64、一循环装置65、一压缩机工况控制装置66、一涡轮机工况控制装置67以及一控制器70。该待测旋转流体机械50具有一压缩机51与一涡轮机52，其中该压缩机51还具有吸入大气环境的一入口53，该入口53处设有一压缩机进气温度量测传感器85、一压缩机进气压力差量测传感器86以及一转速量测传感器87以提供大气环境进入该压缩机51的气流状态信息，用以计算空气流量且由该控制器70监控。
本发明旋转流体机械性能测试装置利用该高压气源储存槽61储存驱动气源，该驱动气源可提供驱动该待测试旋转流体机械50的高压气体来源，该高压气源储存槽61与该待测旋转流体机械50之间还具有一气体流量控制阀611、一气源截断阀612以及一气源压力调节阀613，该气体流量控制阀611可由一气源流量量测传感器81量测进入该燃烧室63的气体流量，且由控制器70监控进入该燃烧室63的气体流量。该气源截断阀612由该控制器70控制，搭配一回路控制阀651形成开、闭回路测试环境。该气源压力调节阀613则提供开回路测试环境所需的驱动气源压力条件。该燃料储存槽62储存用于驱动该待测试旋转流体机械50的燃料，该燃料储存槽62与该待测旋转流体机械50之间还具有一燃料控制阀621，该燃料控制阀621可由一供油流率量测传感器82量测进入该燃烧室63的燃料流量，且由该控制器70监控进入该燃烧室63的燃料流量。
该燃烧室63分别连接该高压气源储存槽61与该燃料储存槽62，可混合驱动气源与该燃料以提供能量驱动该涡轮机52，且利用与该燃烧室63相连接的高压点火装置64在进行测试时点燃燃料，以上使得该燃烧室63具有进行测试的动力源，且藉由一涡轮机进气温度及压力传感器83量测此动力源进入该涡轮机52的温度及压力，且由该控制器70进行监控。该循环装置65连接该压缩机51与该燃烧室63，于该循环装置65的一侧具有一压缩机排气温度及压力传感器84，以量测由该控制器70监控该压缩机51出口的温度及压力，该循环装置65还具有该回路控制阀651，该回路控制阀651通过控制器70进行切换作动，一般该回路控制阀651处于常闭状态。
该压缩机工况控制装置66与该压缩机51相连接，以提供设定该压缩机51的操作条件。当该回路控制阀651处于关闭状态时，该压缩机工况控制装置66分别以该压缩机进气温度量测传感器85、该压缩机进气压力差量测传感器86以及该转速量测传感器87提供大气环境进入该压缩机51的状态；而该压缩机51出口处的排气温度及压力则通过压缩机排气温度及压力传感器84予以量测。也就因为进入该压缩机51中的大气环境状况及由该压缩机51出口处向外排出的气体温度及压力均可以经由特定的传感器予以量测，所以本装置乃具有提供测试该压缩机操作功效的功能。另外，本装置并可藉由该控制器70调整该压缩机背压控制阀661的开度以改变该压缩机51动作的压力及温度。
而该涡轮机工况控制装置67则与该涡轮机52相连接，以提供设定该涡轮机52的操作条件。当该回路控制阀651处于关闭状态时，该涡轮机工况控制装置67以该涡轮机进气温度及压力传感器83量测进入该涡轮机52的温度及压力，而该涡轮机52的排气温度与压力则通过一涡轮机排气温度及压力传感器88予以量测。也就因为该涡轮机52的进气温度及压力与排气温度及压力均可藉特定的传感器予以量测，所以本装置乃具有提供测试该涡轮机52作动功效的功能。另外，本装置并可通过该控制器70调整设于该涡轮机52另一测的一涡轮机背压控制阀671的开度以改变该涡轮机52动作的压力及温度。
另外，当同时关闭该气源截断阀612与该压缩机背压控制阀661，并开启该回路控制阀651时，则由该压缩机51做功所吸入并向外排出的气体，得以经过该回路控制阀651被送至该燃烧室63处，进而与被送至该燃烧室63处的燃料混合燃烧以提供驱动该涡轮机52的能量。由于该涡轮机52被驱动时可同时带动该压缩机51运转，进而重复上述的作动状态，所以本装置借着该循环装置65所形成的闭式回路乃可在不需另行提供气源的状况下分别对该待测旋转流体机械50进行气动力性能、转子动态性能、材料疲劳以及耐久性能等测试工作，也就因为该闭式回路可自给自足提供所需能量而不需再消耗该高压气源储存槽61中的高压气源，所以可达到节省测试经费的功效。
由于该控制器70通过若干个传感器分别连接上述各组件，且提供检测及控制该等组件的操作条件，且藉由一中央处理器74提供控制该若干个传感器以一预定程序进行测试流程。于本发明较佳实施例中，该中央处理器74还包括一数据储存单元76、一输入单元77、一输出单元78、一运算处理单元79以及一控制软件75，该数据储存单元76为一软盘机或是为一硬盘机，而该输入单元77为一键盘或一鼠标，该输出单元78为一屏幕或一列表机，该运算处理单元79为一CPU中央处理器，当然由以上的组合可使得该控制软件75可提供自动执行作动测试流程以及提供若干改变参数供使用者输入改变作动测试流程进行，而该控制软件75可内建于该数据储存单元76中或另储存于至少一光盘片中。
而该旋转流体机械性能测试装置还包括一通讯接口71，该通讯接口71可使得该控制器70与一远处监控端72相通信，该通讯接口71亦可使得该控制器70与一近端管理73相通信，于本发明较佳实施例中该通讯接口71为National Instrument Fieldpoint Series。
以上通过较佳实施例详细说明了本发明，而非限制本发明的范围。因此，本领域普通技术人员皆能明了，适当而作些微的改变及调整的，将不失本发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种旋转流体机械性能测试装置，包括一待测旋转流体机械，具有一压缩机与一涡轮机；一高压气源储存槽，用于储存驱动气源，该驱动气源用来驱动该待测试旋转流体机械；一燃料储存槽，储存用来驱动该待测试旋转流体机械的燃料；一燃烧室，其连接该高压气源储存槽与该燃料储存槽，混合该驱动气源与该燃料进行燃烧，以提供能量驱动该涡轮机；一高压点火装置，其与该燃烧室相连接，在进行测试时点燃该燃料；一循环装置，连接该压缩机与该燃烧室；一压缩机工况控制装置，与该压缩机相连接，提供设定该压缩机的操作条件；一涡轮机工况控制装置，与该涡轮机相连接，提供设定该涡轮机的操作条件；一控制器，分别连接上述各组件，且提供检测及控制该各组件的操作条件；以及一局部服务器，提供以太/因特网检测数字控制讯号双向传输功能，以进行实时性远程遥测遥控。
2.如权利要求1所述的旋转流体机械性能测试装置，其中该燃料储存槽还具有一燃料控制阀，该燃料控制阀可调整进入该燃烧室的燃料流量。
3.如权利要求1所述的旋转流体机械性能测试装置，其中该压缩机工况控制装置还具有一第一传感器，其设于该压缩机的入口侧，可量测进入该压缩机的空气流量、压力及温度条件；以及一压缩机背压控制阀，其设于该压缩机的出口侧，通过调整该压缩机背压控制阀，以改变该压缩机出口的压力条件，控制该压缩机工作状态。
4.如权利要求3所述的旋转流体机械性能测试装置，其中该高压气源储存槽还具有一气体流量控制阀，用来调整进入该燃烧室的气体流量；一该气源截断阀，其搭配一回路控制阀与该压缩机背压控制阀形成开、闭回路测试环境；以及一气源压力调节阀，用于调整进入该燃烧室的气体压力。
5.如权利要求4所述的旋转流体机械性能测试装置，其中该回路控制阀除了设于该循环装置中外，还分别与该压缩机及该燃烧室连接，以形成一闭式回路循环。
6.如权利要求1所述的旋转流体机械性能测试装置，其中该涡轮机工况控制装置还具有一第二传感器，其设于涡轮机的入口侧，用于测量进入该涡轮机的空气流量、压力及温度条件；以及一涡轮机背压控制阀，设于该涡轮机的出口侧，通过调整该涡轮机背压控制阀以改变该涡轮机出口的压力条件，控制该涡轮机工作状态。
7.如权利要求1所述的旋转流体机械性能测试装置，其中该旋转流体机械性能测试装置还包括一通讯接口，该通讯接口使该控制器与一远处监控端相通信。
8.如权利要求1所述的旋转流体机械性能测试装置，其中该控制器还具有若干个传感器，其分别连接上述各组件，且提供操作讯号至各该组件；以及一中央处理器，其提供控制该若干个侦感器以一预定程序进行测试流程。
9.如权利要求8所述的旋转流体机械性能测试装置，其中该中央处理器还具有一控制软件，该控制软件提供自动执行作动测试流程以及提供若干改变参数供使用者输入改变作动测试流程。
10.如权利要求1所述的旋转流体机械性能测试装置，其中该压缩机还具有吸入大气环境的一入口，且该涡轮机具有排入大气环境的一出口。
全文摘要
本发明公开了一种旋转流体机械性能测试装置，包括具有一压缩机与一涡轮机的一待测旋转流体机械；一高压气源储存槽，其储存提供进行作动该待测试旋转流体机械的驱动气源；一燃料储存槽，其储存进行作动该待测试旋转流体机械的燃料；一燃烧室，其连接该高压气源储存槽与该燃料储存槽，可混合驱动气源与燃料进行燃烧以驱动该涡轮机；一高压点火装置，其与该燃烧室相连接以点燃燃料提供热能；一循环装置，其连接该压缩机与该燃烧室；一压缩机工况控制装置，其与该压缩机相连接，可提供设定该压缩机的操作条件；一涡轮机工况控制装置，其与该涡轮机相连接；一控制器，其分别连接上述各组件，且提供检测及控制各组件的操作条件；以及一局部服务器。
文档编号G01M13/00GK1854703SQ200510066590
公开日2006年11月1日 申请日期2005年4月28日 优先权日2005年4月28日
发明者熊道邦, 蔡礼丰 申请人:财团法人工业技术研究院