專利名稱：一種渦輪增壓器機(jī)械損失功率的測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)械損失功率測(cè)試裝置及方法，尤其涉及一種渦輪增壓器機(jī)械損失功率測(cè)量裝置及方法。

背景技術(shù)：
渦輪增壓器現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于車輛、船舶、工程與農(nóng)業(yè)機(jī)械、電站等各種移動(dòng)與固定式發(fā)動(dòng)機(jī)，如何提高渦輪增壓器的效率是人們共同關(guān)注的問題。渦輪增壓器的效率由渦輪效率、壓氣機(jī)效率、機(jī)械效率三部分決定。在目前的科技水平下，進(jìn)一步提高渦輪和壓氣機(jī)效率的幅度有限，難度很大。相對(duì)而言，機(jī)械效率還有較大的提升空間，如應(yīng)用高性能混合陶瓷球軸承、空氣軸承、電磁軸承等即可降低機(jī)械損失，提高機(jī)械效率。對(duì)于浮動(dòng)軸承渦輪增壓器，其機(jī)械損失由徑向浮動(dòng)軸承、軸向止推軸承、密封環(huán)摩擦副三項(xiàng)摩擦損失組成。對(duì)于球軸承渦輪增壓器，其機(jī)械損失由角接觸球軸承與密封環(huán)摩擦副兩項(xiàng)摩擦損失組成。這些損失也就是渦輪增壓器的軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)摩擦功率，其大小決定了增壓器的機(jī)械效率，因此，準(zhǔn)確測(cè)量軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)摩擦功率是獲得精確的增壓器機(jī)械效率的前提。
測(cè)量渦輪增壓器摩擦功耗比較直接的方法是同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)所受的摩擦力矩。但是，由于渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子軸徑較小，轉(zhuǎn)速很高，準(zhǔn)確地測(cè)量摩擦力矩或者功率非常困難。
間接的方法是測(cè)量軸承潤(rùn)滑油的進(jìn)出口流量及油溫。假定軸承中的摩擦功耗所產(chǎn)生的熱量全部由潤(rùn)滑油帶走，則根據(jù)潤(rùn)滑油的流量與溫升就可以確定軸承的摩擦功耗，如國(guó)家汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“QC/T 591-1999汽車柴油機(jī)渦輪增壓器試驗(yàn)方法”規(guī)定通過測(cè)量潤(rùn)滑油進(jìn)出口壓力、溫度、流量獲得增壓器的機(jī)械損失功率。但是，對(duì)于渦輪增壓器潤(rùn)滑油冷卻的軸承體，它不但通過熱交換、熱輻射向空氣散熱，而且其轉(zhuǎn)子軸還接受渦輪傳熱、同時(shí)向壓氣機(jī)葉輪散熱；此外，對(duì)于渦輪增壓器水冷卻軸承體，軸承與密封環(huán)摩擦副機(jī)械摩擦生熱傳導(dǎo)給軸承體的一部分熱量被冷卻水帶走，因此，根據(jù)潤(rùn)滑油的流量與溫升就確定軸承的摩擦功耗的測(cè)量方法很不準(zhǔn)確。
針對(duì)上述，國(guó)內(nèi)目前存在一種近似地測(cè)量渦輪增壓器摩擦功率的設(shè)備渦輪增壓器摩擦功率測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)，專利號(hào)200510114348.4。其中所述試驗(yàn)臺(tái)是根據(jù)假設(shè)“渦輪增壓器轉(zhuǎn)子不受其它外來力矩作用的時(shí)候，轉(zhuǎn)子所受的摩擦力矩是導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速變化的唯一原因”，這是不準(zhǔn)確的。該方法沒有考慮停止供氣后，壓氣機(jī)葉輪、渦輪從高轉(zhuǎn)速下降到低轉(zhuǎn)速過程中仍在工作，即壓氣機(jī)在壓縮空氣，渦輪則受到空氣的阻力。因此專利200510114348.4測(cè)出的摩擦功率并不是真實(shí)的機(jī)械損失功率，而是包含了壓氣機(jī)所做的功與渦輪克服阻力的損失。另外，該試驗(yàn)臺(tái)沒有考慮渦輪增壓器在加、減速過程中，軸向力的方向與大小均是變化的，而且與穩(wěn)態(tài)工況相差較大，導(dǎo)致機(jī)械損失功率大小、方向均在變化?？傊盟鲅b置測(cè)量機(jī)械損失功率是不準(zhǔn)確的。
目前，還沒有一種比較準(zhǔn)確的測(cè)量渦輪增壓器機(jī)械損失功率的測(cè)量裝置及方法。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述已有技術(shù)存在的不足，提供一種測(cè)量更準(zhǔn)確的渦輪增壓器機(jī)械損失功率測(cè)量裝置及方法。本發(fā)明的測(cè)量方法的基本原理在一定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)的渦輪增壓器，當(dāng)切斷外氣源供應(yīng)，即停止外部能量輸入時(shí)，渦輪增壓器經(jīng)歷一個(gè)從初始轉(zhuǎn)速到轉(zhuǎn)速為零(靜止)的自由減速過程中，在這個(gè)過程中，通過測(cè)量克服徑向浮動(dòng)軸承、軸向止推軸承(球軸承增壓器無止推軸承)、密封環(huán)摩擦副的摩擦阻力損失以及壓氣機(jī)繼續(xù)壓縮空氣造成的氣動(dòng)損失和渦輪氣動(dòng)損失，并用測(cè)量得到的摩擦阻力損失減去后兩部分測(cè)得的氣動(dòng)損失，獲得渦輪增壓器的真實(shí)機(jī)械損失功率。
本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的一種渦輪增壓器機(jī)械損失功率的測(cè)量裝置，如圖1所示，包括外氣源、數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)、傳感器、加熱系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、自動(dòng)調(diào)溫系統(tǒng)；該測(cè)量裝置在使用過程中對(duì)外圍設(shè)備渦輪增壓器的機(jī)械損失功率進(jìn)行測(cè)量。
所述外氣源與加熱系統(tǒng)相連，其主要功能是提供驅(qū)動(dòng)所述渦輪增壓器的渦輪達(dá)到較高轉(zhuǎn)速的高壓氣體。
所述加熱系統(tǒng)與外圍設(shè)備渦輪增壓器連接，其作用是提供給渦輪增壓器一定能量的燃?xì)?，使渦輪增壓器的工作狀態(tài)符合渦輪增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際工作狀態(tài)。加熱系統(tǒng)可以是燃燒系統(tǒng)，但不限于燃燒系統(tǒng)。
所述外圍設(shè)備渦輪增壓器包括渦輪、壓氣機(jī)、軸承體、渦輪排氣管、氣壓機(jī)進(jìn)氣管、氣壓機(jī)排氣管。
所述潤(rùn)滑系統(tǒng)與所述外圍設(shè)備渦輪增壓器的軸承體連接，其作用是為渦輪增壓器提供循環(huán)潤(rùn)滑油。
所述自動(dòng)調(diào)溫系統(tǒng)與所述潤(rùn)滑系統(tǒng)連接，其作用是自動(dòng)調(diào)節(jié)潤(rùn)滑油溫度，使其保持在工作溫度下，保證試驗(yàn)的重復(fù)性和準(zhǔn)確性；其工作原理為當(dāng)潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度達(dá)到高溫值時(shí)，自動(dòng)開啟冷卻裝置，降低潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度；當(dāng)潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度低于低溫值時(shí)，自動(dòng)開啟加熱裝置，提高潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度。較佳的，高溫值為90攝氏度，低溫值為40攝氏度。
所述傳感器包括氣體壓力傳感器、液體壓力傳感器、氣體溫度傳感器、液體溫度傳感器、液體質(zhì)量流量計(jì)、轉(zhuǎn)速傳感器，包括上述傳感器但不限于此。所述傳感器位于外氣源的內(nèi)部、外氣源與加熱系統(tǒng)的連接通道上、加熱系統(tǒng)內(nèi)部、潤(rùn)滑系統(tǒng)內(nèi)部，渦輪排氣管壁、氣壓機(jī)進(jìn)氣管壁、氣壓機(jī)排氣管壁上，用于監(jiān)控氣體或者液體的溫度、壓力、液體質(zhì)量流量以及轉(zhuǎn)速等，并將獲得的數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)。
所述數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)是采用所述渦輪增壓器機(jī)械損失功率的測(cè)量方法的具體實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)從各傳感器獲得數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，得到所測(cè)量的渦輪增壓器的機(jī)械損失功率。
基于上述裝置的一種渦輪增壓器機(jī)械損失功率測(cè)量方法的具體操作步驟如下 步驟一、將待測(cè)渦輪增壓器連接至本發(fā)明提出的渦輪增壓器機(jī)械損失功率測(cè)量裝置； 步驟二、啟動(dòng)渦輪增壓器機(jī)械損失功率的測(cè)量裝置，使待測(cè)渦輪增壓器達(dá)到工作轉(zhuǎn)速。
步驟三、采集試驗(yàn)過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，具體操作步驟如下 第①步通過所述各傳感器采集渦輪增壓器達(dá)到工作轉(zhuǎn)速情況下的數(shù)據(jù)，并將各傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)。
第②步切斷氣源，再次通過所述各傳感器，采集并記錄渦輪增壓器由工作轉(zhuǎn)速降低到靜止這段時(shí)間的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并將各傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)。
步驟四、獲得渦輪增壓器的氣動(dòng)損失 數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)使用在步驟三中獲得的數(shù)據(jù)，根據(jù)采集到的渦輪增壓器在工作轉(zhuǎn)速下的數(shù)據(jù)和相關(guān)熱力學(xué)公式獲得增壓器的氣動(dòng)損失。其具體方法如下 第①步獲得渦輪增壓器壓氣機(jī)的氣動(dòng)損失之和。
空氣在渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪中流動(dòng)時(shí)，主要的氣動(dòng)損失有以下部分 a.空氣在通道內(nèi)的轉(zhuǎn)彎損失。包括導(dǎo)風(fēng)輪損失(用WI1表示)以及葉輪徑向葉片將氣流方向由軸向改為徑向時(shí)的損失(用WI2表示)，分別通過公式1和公式2計(jì)算。
其中ω1為葉輪進(jìn)口處相對(duì)速度，cr2為葉輪出口處絕對(duì)速度的徑向分量，ξ1和ξ2為損失系數(shù)。
b.氣流在葉輪通道內(nèi)的摩擦損失。包括渦流損失(用WI3表示)，通過公式3計(jì)算。
其中ξ3為損失系數(shù)。
c.氣流在葉輪與殼體之間的漏氣損失和輪盤摩擦損失。
由于旋轉(zhuǎn)的葉片與殼體之間存在間隙，就不可避免地存在漏氣損失。這種損失在葉輪與壓氣機(jī)殼之間，表現(xiàn)為潛流和鼓風(fēng)環(huán)流；在葉輪輪背與背盤之間，表現(xiàn)為鼓風(fēng)環(huán)流。將該部分損失合并到輪盤摩擦損失中計(jì)算。
輪盤摩擦損失(用WId表示)，通過公式4計(jì)算。
其中，α為損失系數(shù)，u2為葉輪出口牽連速度。
d.壓氣機(jī)殼中的損失(用WI4表示)，通過公式5計(jì)算。
其中，ξ4為蝸殼損失系數(shù)，c4為擴(kuò)壓氣出口絕對(duì)速度。
基于以上，渦輪增壓器壓氣機(jī)氣動(dòng)損失之和(用WI表示)可通過公式6計(jì)算得到 WI＝WI1+WI2+WId+WI4(6) 第②步獲得渦輪增壓器渦輪中的氣動(dòng)損失，主要包括以下部分 a.噴嘴環(huán)中的能量損失(用ΔW1表示)，通過公式7計(jì)算。

其中

表示噴嘴環(huán)速度系數(shù)； b.葉輪內(nèi)的損失(用ΔWi表示)，通過公式8計(jì)算。
其中ψ表示葉輪中速度系數(shù)，ω2為葉輪出口相對(duì)速度； c.余速損失(用ΔWout表示)，通過公式9計(jì)算。
d.葉輪摩擦與通風(fēng)損失(用ΔWrd表示)。因?yàn)闅饬髟跍u輪箱中的流動(dòng)損失包含在了通風(fēng)損失中，故通過公式10計(jì)算。
其中，β表示葉輪輪盤的形狀系數(shù)；ρ1m表示葉輪周圍的平均密度；u1為葉輪進(jìn)口的輪周速度；D1表示葉輪進(jìn)口直徑；WTd表示葉輪前的絕熱膨脹功。
e.漏氣損失(用ΔWle表示)，通過公式11計(jì)算。
ΔWle＝0.005WTd； (11) 基于以上，對(duì)有噴嘴環(huán)的渦輪增壓器，渦輪損失之和(用ΔW表示)為 ΔW＝ΔW1+ΔWi+ΔWout+ΔWrd+ΔWle (12) 對(duì)沒有噴嘴環(huán)的渦輪增壓器，渦輪損失之和ΔW為 ΔW＝ΔWi+ΔWout+ΔWrd+ΔWle (13) 步驟五、獲得渦輪增壓器由工作轉(zhuǎn)速降低到0轉(zhuǎn)速這一階段壓氣機(jī)功耗 數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)使用在步驟三中獲得的數(shù)據(jù)，獲得渦輪增壓器由工作轉(zhuǎn)速降低到0轉(zhuǎn)速這一階段壓氣機(jī)功耗。
切斷氣源后，壓氣機(jī)流量由穩(wěn)態(tài)流量降低到零，這一過程中壓氣機(jī)葉輪對(duì)空氣做功消耗的功率采用在工作轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)功率的平均值，通過公式(14)計(jì)算 其中

表示空氣定壓比熱，

TC1*表示壓氣機(jī)進(jìn)氣總溫；πC表示增壓比；κ表示空氣絕熱指數(shù)，κ＝1.4；ηC表示壓氣機(jī)效率。
步驟六、獲得渦輪增壓器的總的剩余功率 數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)使用在步驟三中獲得的數(shù)據(jù)，獲得渦輪增壓器總的剩余功率。具體步驟如下 ①采用切斷氣源后轉(zhuǎn)速傳感器采集的數(shù)據(jù)，繪制速度——時(shí)間曲線，將該曲線擬合為雙曲型曲線y＝ax-n，漸近線為x軸和y軸，曲線在第一象限。依據(jù)轉(zhuǎn)速——時(shí)間曲線求出該曲線的斜率，即增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化率
②獲得增壓器剩余力矩之和(用Mf表示)，通過公式15計(jì)算。
其中，Mf為增壓器剩余力矩之和；I0為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為轉(zhuǎn)子的角速度；n為增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；t為時(shí)間。
③獲得渦輪增壓器的總的剩余功率(用Nf表示)，通過公式16計(jì)算。
其中，Nf為渦輪增壓器總的剩余功率。
步驟七、獲得渦輪增壓器的機(jī)械損失功率 在步驟四、五、六的基礎(chǔ)上，獲得增壓器機(jī)械損失功率。其具體步驟為 ①通過公式17獲得摩擦損失系數(shù)(用k1表示) 其中GC為增壓器壓氣機(jī)質(zhì)量流量；Ga為進(jìn)氣管壓縮空氣質(zhì)量流量；Gf為燃油質(zhì)量流量。
②獲得瞬態(tài)摩擦損失系數(shù)(用k2表示)。停機(jī)瞬態(tài)工況轉(zhuǎn)子所承受的軸向力是增壓器穩(wěn)定工作時(shí)的5～6倍。即 k2＝(5～6)μ (18) 其中μ——?jiǎng)幽Σ烈驍?shù)。
③獲得渦輪增壓器的機(jī)械損失功率。車用渦輪增壓器渦輪轉(zhuǎn)子所承受的軸向負(fù)荷方向是變化的，在起動(dòng)加速瞬態(tài)工況時(shí)，轉(zhuǎn)子軸向力指向渦輪端；在停機(jī)減速瞬態(tài)工況時(shí)，轉(zhuǎn)子軸向力指向壓氣機(jī)端。所以，渦輪增壓器在其穩(wěn)定工作時(shí)的機(jī)械損失功率為 N＝(1-k1)k2Nf (19) 通過上述步驟，即可得到渦輪增壓器的機(jī)械損失功率。
另外，為了便于將不同環(huán)境下測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，本發(fā)明提供一種將不同環(huán)境下測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況的一種轉(zhuǎn)換方法。標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況為大氣溫度為298K(25℃)；壓力為100KPa(760mmHg)。當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境狀況有別于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況時(shí)，對(duì)實(shí)際所得機(jī)械損失功率Nf按照標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行折算，即對(duì)公式19中所包含的轉(zhuǎn)速n與流量GC，按照標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境予以折算，得到折合機(jī)械損失(用Ncnp表示)。
有益效果 (1)本發(fā)明給出了一種更加準(zhǔn)確的測(cè)量渦輪增壓器機(jī)械損失功率的裝置，能夠準(zhǔn)確、方便的測(cè)量渦輪增壓器的機(jī)械損失功率。
(2)提供了一種渦輪增壓器機(jī)械損失功率的測(cè)量方法，該方法較原有方法更為精確、方便，為分析、評(píng)判渦輪增壓器的性能提供了試驗(yàn)測(cè)試手段。



圖1為本發(fā)明的渦輪增壓器機(jī)械損失功率測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
中的渦輪增壓器機(jī)械損失功率測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 其中1-外氣源，2-氣源壓力傳感器，3-進(jìn)氣閥，4-進(jìn)氣管，5-進(jìn)氣壓力傳感器，6-進(jìn)氣溫度傳感器，7-進(jìn)氣質(zhì)量流量計(jì)，8-燃油壓力傳感器，9-燃油溫度傳感器，10-燃油質(zhì)量流量計(jì)，11-燃燒室，12-燃油系統(tǒng)，13-燃油管，14-點(diǎn)火裝置，15-渦輪進(jìn)氣管，16-渦輪進(jìn)氣壓力傳感器，17-渦輪進(jìn)氣溫度傳感器，18-渦輪排氣管，19-渦輪排氣溫度傳感器，20-渦輪排氣壓力傳感器，21-潤(rùn)滑油進(jìn)口壓力傳感器，22-潤(rùn)滑油進(jìn)口溫度傳感器，23-潤(rùn)滑油質(zhì)量流量計(jì)，24-潤(rùn)滑油回油溫度傳感器，25-潤(rùn)滑油回油壓力傳感器，26-潤(rùn)滑油箱，27-潤(rùn)滑油泵，28-潤(rùn)滑油進(jìn)油管，29-潤(rùn)滑油回油管，30-加熱裝置，31冷卻裝置，32-壓氣機(jī)排氣電動(dòng)閥，33-轉(zhuǎn)速傳感器，34-壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度傳感器，35-壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力傳感器，36-壓氣機(jī)進(jìn)氣管，37-壓氣機(jī)質(zhì)量流量計(jì)，38-壓氣機(jī)出口壓力傳感器，39-壓氣機(jī)出口溫度傳感器，40-壓氣機(jī)排氣管； 圖3為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
中的渦輪增壓器轉(zhuǎn)子速度——時(shí)間曲線示意圖。

具體實(shí)施例方式 根據(jù)上述技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
一種渦輪增壓器機(jī)械損失功率的測(cè)量裝置，結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括外氣源1、氣源壓力傳感器2、進(jìn)氣閥3、進(jìn)氣壓力傳感器5、進(jìn)氣溫度傳感器6、進(jìn)氣質(zhì)量流量計(jì)7、燃油壓力傳感器8、燃油溫度傳感器9、燃油質(zhì)量流量計(jì)10、渦輪進(jìn)氣管15，渦輪進(jìn)氣壓力傳感器16、渦輪進(jìn)氣溫度傳感器17、渦輪排氣管18、渦輪排氣溫度傳感器19、渦輪排氣壓力傳感器20、潤(rùn)滑油進(jìn)口壓力傳感器21、潤(rùn)滑油進(jìn)口溫度傳感器22、潤(rùn)滑油質(zhì)量流量計(jì)23、潤(rùn)滑油回油溫度傳感器24、潤(rùn)滑油回油壓力傳感器25、壓氣機(jī)排氣電動(dòng)閥32、轉(zhuǎn)速傳感器33、壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度傳感器34、壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力傳感器35、壓氣機(jī)進(jìn)氣管36、壓氣機(jī)質(zhì)量流量計(jì)37、壓氣機(jī)出口壓力傳感器38、壓氣機(jī)出口溫度傳感器39、壓氣機(jī)排氣管40、數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、自動(dòng)調(diào)溫系統(tǒng)，該測(cè)量裝置在使用過程中對(duì)外圍設(shè)備渦輪增壓器的機(jī)械損失功率進(jìn)行測(cè)量。
所述外圍設(shè)備渦輪增壓器包括渦輪、壓氣機(jī)、軸承體。渦輪進(jìn)氣管15與渦輪增壓器的渦輪進(jìn)口連接，渦輪進(jìn)氣管15的內(nèi)壁上安裝有渦輪進(jìn)氣壓力傳感器16，渦輪進(jìn)氣溫度傳感器17；渦輪排氣管18與渦輪增壓器的渦輪出口連接，渦輪排氣管18的內(nèi)壁上安裝有渦輪排氣溫度傳感器19，渦輪排氣壓力傳感器20；壓氣機(jī)進(jìn)氣管36與渦輪增壓器的壓氣機(jī)進(jìn)口連接，壓氣機(jī)進(jìn)氣管36的內(nèi)壁上安裝有轉(zhuǎn)速傳感器33，壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度傳感器34，壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力傳感器35，壓氣機(jī)質(zhì)量流量計(jì)37；壓氣機(jī)排氣管40與渦輪增壓器的壓氣機(jī)出口連接，壓氣機(jī)排氣管40的內(nèi)壁上安裝有壓氣機(jī)出口壓力傳感器38，壓氣機(jī)出口溫度傳感器39；渦輪增壓器與潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑油進(jìn)油管28和潤(rùn)滑油回油管29連接。
所述外氣源1的主要功能是提供驅(qū)動(dòng)所述渦輪增壓器的渦輪達(dá)到較高轉(zhuǎn)速的高壓氣體；外氣源1內(nèi)部裝有氣源壓力傳感器2；外氣源1通過進(jìn)氣閥3與燃燒系統(tǒng)的進(jìn)氣管4相連，進(jìn)氣閥3的作用是對(duì)外氣源1內(nèi)的氣體進(jìn)入進(jìn)氣管4起到控制作用。
所述燃燒系統(tǒng)的作用是提供給渦輪增壓器一定能量的燃?xì)猓箿u輪增壓器的工作狀態(tài)符合渦輪增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際工作狀態(tài)。燃燒系統(tǒng)包括進(jìn)氣管4、燃油系統(tǒng)12、點(diǎn)火裝置14、燃燒室11。燃油系統(tǒng)的作用是為燃燒室提供燃油，燃油系統(tǒng)通過燃油管13與燃燒室11連接，并且在燃油管的內(nèi)壁上安裝有燃油壓力傳感器8、燃油溫度傳感器9以及燃油質(zhì)量流量計(jì)10。點(diǎn)火裝置的作用是為點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)的燃油提供火源，點(diǎn)火裝置安裝在燃燒室11內(nèi)。燃燒室11的作用是提供燃油燃燒的空間，并產(chǎn)生所述使渦輪增壓器的工作狀態(tài)符合渦輪增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際工作狀態(tài)的燃?xì)?。燃燒?1的一端通過進(jìn)氣管4與進(jìn)氣閥3連接，另一端與渦輪進(jìn)氣管15相連。進(jìn)氣管4的內(nèi)壁上安裝有進(jìn)氣壓力傳感器5，進(jìn)氣溫度傳感器6，進(jìn)氣質(zhì)量流量計(jì)7。
所述潤(rùn)滑系統(tǒng)的作用是為渦輪增壓器提供循環(huán)潤(rùn)滑油，包括潤(rùn)滑油箱26、潤(rùn)滑油泵27、潤(rùn)滑油進(jìn)油管28、潤(rùn)滑油回油管29。其連接關(guān)系為潤(rùn)滑油箱26通過潤(rùn)滑油進(jìn)油管28和潤(rùn)滑油回油管29與渦輪增壓器連接，并且在潤(rùn)滑油進(jìn)油管28上安裝有增壓器潤(rùn)滑油進(jìn)口壓力傳感器21和潤(rùn)滑油進(jìn)口溫度傳感器22，潤(rùn)滑油質(zhì)量流量計(jì)23；在潤(rùn)滑油回油管29上安裝有潤(rùn)滑油出口溫度傳感器24和潤(rùn)滑油出口壓力傳感器25。
自動(dòng)調(diào)溫系統(tǒng)包括冷卻裝置31及加熱裝置30，其作用是自動(dòng)調(diào)節(jié)潤(rùn)滑油溫度，使其保持在工作溫度下，保證試驗(yàn)的重復(fù)性和準(zhǔn)確性；其工作原理為當(dāng)潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度達(dá)到高溫值時(shí)，開啟冷卻裝置，降低潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度；當(dāng)潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度低于低溫值時(shí)，開啟加熱裝置，提高潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度。較佳的，高溫值為90攝氏度，低溫值為40攝氏度。
所述數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)采用所述渦輪增壓器機(jī)械損失功率的測(cè)量方法的具體實(shí)現(xiàn)。與氣源壓力傳感器2、進(jìn)氣壓力傳感器5、進(jìn)氣溫度傳感器6、進(jìn)氣質(zhì)量流量計(jì)7、燃油壓力傳感器8、燃油溫度傳感器9、燃油質(zhì)量流量流量計(jì)10、渦輪進(jìn)氣壓力傳感器16、渦輪進(jìn)氣溫度傳感器17、渦輪排氣溫度傳感器19、渦輪排氣壓力傳感器20、潤(rùn)滑油進(jìn)口壓力傳感器21、潤(rùn)滑油進(jìn)口溫度傳感器22、潤(rùn)滑油質(zhì)量流量計(jì)23、潤(rùn)滑油回油溫度傳感器24、潤(rùn)滑油回油壓力傳感器25、轉(zhuǎn)速傳感器33、壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度傳感器34、壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力傳感器35、壓氣機(jī)進(jìn)氣管36、壓氣機(jī)質(zhì)量流量計(jì)37、壓氣機(jī)出口壓力傳感器38、壓氣機(jī)出口溫度傳感器39連接，完成對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)的匯總及處理，得到所測(cè)量的渦輪增壓器的機(jī)械損失功率。本裝置中涉及到的所有傳感器既可為無線傳感器，也可為有線連接的傳感器。
所述壓氣機(jī)排氣電動(dòng)閥32的作用是控制壓氣機(jī)排氣管的開度，其安裝位置為壓氣機(jī)排氣管40靠近出口端的位置。
基于上述裝置的一種渦輪增壓器機(jī)械損失功率測(cè)量方法的具體操作步驟如下 步驟一、將待測(cè)渦輪增壓器連接至本發(fā)明提出的渦輪增壓器機(jī)械損失功率測(cè)量裝置 渦輪進(jìn)氣管15與渦輪增壓器的渦輪進(jìn)口連接，渦輪排氣管18與渦輪增壓器的渦輪出口連接，壓氣機(jī)進(jìn)氣管36與渦輪增壓器的壓氣機(jī)進(jìn)口連接，壓氣機(jī)排氣管40與渦輪增壓器的壓氣機(jī)出口連接，渦輪增壓器與潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑油進(jìn)油管28和潤(rùn)滑油回油管29連接。
步驟二、啟動(dòng)渦輪增壓器機(jī)械損失功率的測(cè)量裝置 在步驟一的基礎(chǔ)上，打開外氣源1，啟動(dòng)點(diǎn)火裝置14，使待測(cè)渦輪增壓器達(dá)到工作轉(zhuǎn)速。
步驟三、采集試驗(yàn)過程中渦輪增壓器的各項(xiàng)數(shù)據(jù) 在步驟二的基礎(chǔ)上，采集試驗(yàn)過程中渦輪增壓器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。具體操作步驟如下 第①步用進(jìn)氣壓力傳感器5測(cè)量進(jìn)氣管內(nèi)氣體總壓，用進(jìn)氣溫度傳感器6測(cè)量進(jìn)氣管內(nèi)氣體總溫，用進(jìn)氣質(zhì)量流量計(jì)7測(cè)量進(jìn)氣管內(nèi)氣體質(zhì)量流量，用燃油質(zhì)量流量計(jì)10測(cè)量燃油質(zhì)量流量，用渦輪進(jìn)氣壓力傳感器16測(cè)量渦輪前燃?xì)饪倝?，用渦輪進(jìn)氣溫度傳感器17測(cè)量渦輪前燃?xì)饪倻?，用渦輪排氣溫度傳感器19測(cè)量渦輪排氣靜溫，用渦輪排氣壓力傳感器20測(cè)量渦輪排氣靜壓，用轉(zhuǎn)速傳感器33測(cè)量增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，用壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度傳感器34測(cè)量壓氣機(jī)進(jìn)氣總溫，用壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力傳感器35測(cè)量壓氣機(jī)進(jìn)氣總壓，用壓氣機(jī)質(zhì)量流量計(jì)37測(cè)量壓氣機(jī)質(zhì)量流量，用壓氣機(jī)出口壓力傳感器38測(cè)量壓氣機(jī)出口總壓，用壓氣機(jī)出口溫度傳感器39測(cè)量壓氣機(jī)出口總溫，并實(shí)時(shí)將各傳感器采集的數(shù)據(jù)匯總至數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)。
第②步切斷氣源，通過第①步中所述各傳感器，采集并記錄渦輪增壓器由工作轉(zhuǎn)速降低到靜止這段時(shí)間的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)將各傳感器采集的數(shù)據(jù)匯總至數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)。
步驟四、獲得渦輪增壓器的氣動(dòng)損失 數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)使用在步驟三中獲得的數(shù)據(jù)，根據(jù)采集到的渦輪增壓器在工作轉(zhuǎn)速下的數(shù)據(jù)和相關(guān)熱力學(xué)公式獲得增壓器的氣動(dòng)損失。其具體方法如下 第①步得到渦輪增壓器壓氣機(jī)的氣動(dòng)損失之和。
空氣在渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪中流動(dòng)時(shí)，主要的氣動(dòng)損失有以下部分 a.空氣在通道內(nèi)的轉(zhuǎn)彎損失。包括導(dǎo)風(fēng)輪損失(用WI1表示)以及葉輪徑向葉片將氣流方向由軸向改為徑向時(shí)的損失(用WI2表示)，分別通過公式1和公式2計(jì)算。
其中ω1為葉輪進(jìn)口處相對(duì)速度，cr2為葉輪出口處絕對(duì)速度的徑向分量，ξ1和ξ2為損失系數(shù)。
b.氣流在葉輪通道內(nèi)的摩擦損失。包括渦流損失(用WI3表示)，通過公式3計(jì)算。
其中ξ3為損失系數(shù)。
c.氣流在葉輪與殼體之間的漏氣損失和輪盤摩擦損失。
由于旋轉(zhuǎn)的葉片與殼體之間存在間隙，就不可避免地存在漏氣損失。這種損失在葉輪與壓氣機(jī)殼之間，表現(xiàn)為潛流和鼓風(fēng)環(huán)流；在葉輪輪背與背盤之間，表現(xiàn)為鼓風(fēng)環(huán)流。將該部分損失合并到輪盤摩擦損失中計(jì)算。
輪盤摩擦損失(用WId表示)，通過公式4計(jì)算。
其中，α為損失系數(shù)，u2為葉輪出口牽連速度。
d.壓氣機(jī)殼中的損失(用WI4表示)，通過公式5計(jì)算。
其中，ξ4為蝸殼損失系數(shù)，c4為擴(kuò)壓氣出口絕對(duì)速度。
基于以上，渦輪增壓器壓氣機(jī)氣動(dòng)損失之和(用WI表示)可通過公式6計(jì)算得到 WI＝WI1+WI2+WId+WI4 (6) 第②步計(jì)算渦輪增壓器渦輪中的氣動(dòng)損失，主要包括以下部分 a.噴嘴環(huán)中的能量損失(用ΔW1表示)，通過公式7計(jì)算。

其中

表示噴嘴環(huán)速度系數(shù)； b.葉輪內(nèi)的損失(用ΔWi表示)，通過公式8計(jì)算。
其中ψ表示葉輪中速度系數(shù)，ω2為葉輪出口相對(duì)速度； c.余速損失(用ΔWout表示)，通過公式9計(jì)算。
d.葉輪摩擦與通風(fēng)損失(用ΔWrd表示)。因?yàn)闅饬髟跍u輪箱中的流動(dòng)損失包含在了通風(fēng)損失中，故通過公式10計(jì)算。
其中，β表示葉輪輪盤的形狀系數(shù)；ρ1m表示葉輪周圍的平均密度；u1為葉輪進(jìn)口的輪周速度；D1表示葉輪進(jìn)口直徑；WTd表示葉輪前的絕熱膨脹功。
f.漏氣損失(用ΔWle表示)，通過公式11計(jì)算。
ΔWle＝0.005WTd； (11) 基于以上，對(duì)有噴嘴環(huán)的渦輪增壓器，渦輪損失之和(用ΔW表示)為 ΔW＝ΔW1+ΔWi+ΔWout+ΔWrd+ΔWle (12) 對(duì)沒有噴嘴環(huán)的渦輪增壓器，渦輪損失之和ΔW為 ΔW＝+ΔWi+ΔWout+ΔWrd+ΔWle (13) 步驟五、獲得渦輪增壓器由工作轉(zhuǎn)速降低到0轉(zhuǎn)速這一階段壓氣機(jī)功耗 數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)使用在步驟三中獲得的數(shù)據(jù)，獲得渦輪增壓器由工作轉(zhuǎn)速降低到0轉(zhuǎn)速這一階段壓氣機(jī)功耗。
切斷氣源后，壓氣機(jī)流量由穩(wěn)態(tài)流量降低到零，這一過程中壓氣機(jī)葉輪對(duì)空氣做功消耗的功率采用在工作轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)功率的平均值，通過公式(14)計(jì)算 其中

表示空氣定壓比熱，

TC1*表示壓氣機(jī)進(jìn)氣總溫；πC表示增壓比；κ表示空氣絕熱指數(shù)，κ＝1.4；ηC表示壓氣機(jī)效率。
步驟六、獲得渦輪增壓器的總的剩余功率 數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)使用在步驟三中獲得的數(shù)據(jù)，獲得渦輪增壓器總的剩余功率。具體步驟如下 ①采用切斷氣源后轉(zhuǎn)速傳感器采集的數(shù)據(jù)，繪制速度——時(shí)間曲線，如圖2所示，將該曲線擬合為雙曲型曲線y＝ax-n，漸近線為x軸和y軸，曲線在第一象限。依據(jù)轉(zhuǎn)速——時(shí)間曲線求出該曲線的斜率，即增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化率
②得到增壓器剩余力矩之和(用Mf表示)，通過公式15計(jì)算。
其中，Mf為增壓器剩余力矩之和；I0為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為轉(zhuǎn)子的角速度；n為增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；t為時(shí)間。
③得到渦輪增壓器的總的剩余功率(用Nf表示)，通過公式16計(jì)算。
其中，Nf為渦輪增壓器總的剩余功率。
步驟七、獲得渦輪增壓器的機(jī)械損失功率 在步驟四、五、六的基礎(chǔ)上，獲得增壓器機(jī)械損失功率。其具體步驟為 ①通過公式17獲得摩擦損失系數(shù)(用k1表示) 其中GC為增壓器壓氣機(jī)質(zhì)量流量；Ga為進(jìn)氣管壓縮空氣質(zhì)量流量；Gf為燃油質(zhì)量流量。
②獲得瞬態(tài)摩擦損失系數(shù)(用k2表示)。停機(jī)瞬態(tài)工況轉(zhuǎn)子所承受的軸向力是增壓器穩(wěn)定工作時(shí)的5～6倍。即 k2＝(5～6)μ (18) 其中μ——?jiǎng)幽Σ烈驍?shù)。
③獲得渦輪增壓器的機(jī)械損失功率。車用渦輪增壓器渦輪轉(zhuǎn)子所承受的軸向負(fù)荷方向是變化的，在起動(dòng)加速瞬態(tài)工況時(shí)，轉(zhuǎn)子軸向力指向渦輪端；在停機(jī)減速瞬態(tài)工況時(shí)，轉(zhuǎn)子軸向力指向壓氣機(jī)端。所以，渦輪增壓器在其穩(wěn)定工作時(shí)的機(jī)械損失功率為 N＝(1-k1)k2Nf (19) 通過上述步驟，即可得到渦輪增壓器的機(jī)械損失功率。
另外，為了便于將不同環(huán)境下測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，本發(fā)明提供一種將不同環(huán)境下測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況的一種轉(zhuǎn)換方法。標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況為大氣溫度為298K(25℃)；壓力為100KPa(760mmHg)。當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境狀況有別于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況時(shí)，對(duì)實(shí)際所得機(jī)械損失功率Nf按照標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行折算，即對(duì)公式19中所包含的轉(zhuǎn)速n與流量GC，按照標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境予以折算，得到折合機(jī)械損失(用Ncnp表示)。

權(quán)利要求
1.一種渦輪增壓器機(jī)械損失功率的測(cè)量裝置，其特征在于包括外氣源、數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)、傳感器、加熱系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、自動(dòng)調(diào)溫系統(tǒng)；
所述外氣源與加熱系統(tǒng)相連，其功能是提供驅(qū)動(dòng)所述渦輪增壓器的渦輪達(dá)到較高轉(zhuǎn)速的高壓氣體；
所述加熱系統(tǒng)與外圍設(shè)備渦輪增壓器連接，其作用是提供給渦輪增壓器一定能量的燃?xì)?，使渦輪增壓器的工作狀態(tài)符合渦輪增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際工作狀態(tài)；
所述潤(rùn)滑系統(tǒng)與所述外圍設(shè)備渦輪增壓器的軸承體連接，其作用是為渦輪增壓器提供循環(huán)潤(rùn)滑油；
所述外圍設(shè)備渦輪增壓器包括渦輪、壓氣機(jī)、軸承體、渦輪排氣管、氣壓機(jī)進(jìn)氣管、氣壓機(jī)排氣管；
所述自動(dòng)調(diào)溫系統(tǒng)與所述潤(rùn)滑系統(tǒng)連接，其作用是自動(dòng)調(diào)節(jié)潤(rùn)滑油溫度，使其保持在工作溫度下，保證試驗(yàn)的重復(fù)性和準(zhǔn)確性；其工作原理為當(dāng)潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度達(dá)到高溫值時(shí)，自動(dòng)開啟冷卻裝置，降低潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度；當(dāng)潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度低于低溫值時(shí)，自動(dòng)開啟加熱裝置，提高潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度；
所述傳感器包括氣體壓力傳感器、液體壓力傳感器、氣體溫度傳感器、液體溫度傳感器、液體質(zhì)量流量計(jì)、轉(zhuǎn)速傳感器，包括上述傳感器但不限于此；所述傳感器位于外氣源的內(nèi)部、外氣源與加熱系統(tǒng)的連接通道上、加熱系統(tǒng)內(nèi)部、潤(rùn)滑系統(tǒng)內(nèi)部，渦輪排氣管壁、氣壓機(jī)進(jìn)氣管壁、氣壓機(jī)排氣管壁上，用于監(jiān)控氣體或者液體的溫度、壓力、液體質(zhì)量流量以及轉(zhuǎn)速等，并將獲得的數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)；
所述數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)是采用所述渦輪增壓器機(jī)械損失功率的測(cè)量方法的具體實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)從各傳感器獲得數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，得到所測(cè)量的渦輪增壓器的機(jī)械損失功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種渦輪增壓器機(jī)械損失功率的測(cè)量裝置，其特征在于自動(dòng)調(diào)溫系統(tǒng)在潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度達(dá)到90攝氏度時(shí)，自動(dòng)開啟冷卻裝置，降低潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度；在潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度低于40攝氏度時(shí)，自動(dòng)開啟加熱裝置，提高潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的一種渦輪增壓器機(jī)械損失功率的測(cè)量裝置，其特征在于包括外氣源(1)、氣源壓力傳感器(2)、進(jìn)氣閥(3)、進(jìn)氣壓力傳感器(5)、進(jìn)氣溫度傳感器(6)、進(jìn)氣質(zhì)量流量計(jì)(7)、燃油壓力傳感器(8)、燃油溫度傳感器(9)、燃油質(zhì)量流量流量計(jì)(10)、渦輪進(jìn)氣管(15)，渦輪進(jìn)氣壓力傳感器(16)、渦輪進(jìn)氣溫度傳感器(17)、渦輪排氣管(18)、渦輪排氣溫度傳感器(19)、渦輪排氣壓力傳感器(20)、潤(rùn)滑油進(jìn)口壓力傳感器(21)、潤(rùn)滑油進(jìn)口溫度傳感器(22)、潤(rùn)滑油質(zhì)量流量計(jì)(23)、潤(rùn)滑油回油溫度傳感器(24)、潤(rùn)滑油回油壓力傳感器(25)、壓氣機(jī)排氣電動(dòng)閥(32)、轉(zhuǎn)速傳感器(33)、壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度傳感器(34)、壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力傳感器(35)、壓氣機(jī)進(jìn)氣管(36)、壓氣機(jī)質(zhì)量流量計(jì)(37)、壓氣機(jī)出口壓力傳感器(38)、壓氣機(jī)出口溫度傳感器(39)、壓氣機(jī)排氣管(40)、數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、自動(dòng)調(diào)溫系統(tǒng)；該測(cè)量裝置在使用過程中對(duì)外圍設(shè)備渦輪增壓器的機(jī)械損失功率進(jìn)行測(cè)量；
所述外圍設(shè)備渦輪增壓器包括渦輪、壓氣機(jī)、軸承體；渦輪增壓器與所述渦輪增壓器機(jī)械損失功率的測(cè)量裝置的連接關(guān)系為渦輪進(jìn)氣管(15)與渦輪增壓器的渦輪進(jìn)口連接，其作用是將燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生的燃?xì)馑椭翜u輪增壓器，渦輪進(jìn)氣管(15)的內(nèi)壁上安裝有渦輪進(jìn)氣壓力傳感器(16)，渦輪進(jìn)氣溫度傳感器(17)；渦輪排氣管(18)與渦輪增壓器的渦輪出口連接，其作用是將對(duì)渦輪做功后的廢氣排出，渦輪排氣管(18)的內(nèi)壁上安裝有渦輪排氣溫度傳感器(19)，渦輪排氣壓力傳感器(20)；壓氣機(jī)進(jìn)氣管(36)與渦輪增壓器的壓氣機(jī)進(jìn)口連接，空氣通過壓氣機(jī)進(jìn)氣管(36)進(jìn)入渦輪增壓器，壓氣機(jī)進(jìn)氣管(36)的內(nèi)壁上安裝有轉(zhuǎn)速傳感器(33)，壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度傳感器(34)，壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力傳感器(35)，壓氣機(jī)質(zhì)量流量計(jì)(37)；壓氣機(jī)排氣管(40)與渦輪增壓器的壓氣機(jī)出口連接，將壓氣機(jī)對(duì)空氣做功后的高壓氣體排出，壓氣機(jī)排氣管(40)的內(nèi)壁上安裝有壓氣機(jī)出口壓力傳感器(38)，壓氣機(jī)出口溫度傳感器(39)；渦輪增壓器與潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑油進(jìn)油管(28)和潤(rùn)滑油回油管(29)連接；
所述外氣源(1)的主要功能是提供驅(qū)動(dòng)所述渦輪增壓器的渦輪達(dá)到較高轉(zhuǎn)速的高壓氣體；外氣源(1)內(nèi)部裝有氣源壓力傳感器(2)；外氣源(1)通過進(jìn)氣閥(3)與燃燒系統(tǒng)的進(jìn)氣管(4)相連，進(jìn)氣閥(3)的作用是對(duì)外氣源(1)內(nèi)的氣體進(jìn)入進(jìn)氣管(4)起到控制作用；
所述燃燒系統(tǒng)的作用是提供給渦輪增壓器一定能量的燃?xì)?，使渦輪增壓器的工作狀態(tài)符合渦輪增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際工作狀態(tài)；燃燒系統(tǒng)包括進(jìn)氣管(4)、燃油系統(tǒng)(12)、點(diǎn)火裝置(14)、燃燒室(11)；燃油系統(tǒng)的作用是為燃燒室提供燃油，燃油系統(tǒng)通過燃油管(13)與燃燒室(11)連接，并且在燃油管的內(nèi)壁上安裝有燃油壓力傳感器(8)、燃油溫度傳感器(9)以及燃油質(zhì)量流量計(jì)(10)；點(diǎn)火裝置的作用是為點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)的燃油提供火源，點(diǎn)火裝置安裝在燃燒室(11)內(nèi)；燃燒室(11)的作用是提供燃油燃燒的空間，并產(chǎn)生所述使渦輪增壓器的工作狀態(tài)符合渦輪增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際工作狀態(tài)的燃?xì)?；燃燒?11)的一端通過進(jìn)氣管(4)與進(jìn)氣閥(3)連接，另一端與渦輪進(jìn)氣管(15)相連；進(jìn)氣管(4)的內(nèi)壁上安裝有進(jìn)氣壓力傳感器(5)，進(jìn)氣溫度傳感器(6)，進(jìn)氣質(zhì)量流量計(jì)(7)；
所述潤(rùn)滑系統(tǒng)的作用是為渦輪增壓器提供循環(huán)潤(rùn)滑油，包括潤(rùn)滑油箱(26)、潤(rùn)滑油泵(27)、潤(rùn)滑油進(jìn)油管(28)、潤(rùn)滑油回油管(29)；其連接關(guān)系為潤(rùn)滑油箱(26)通過潤(rùn)滑油進(jìn)油管(28)和潤(rùn)滑油回油管(29)與渦輪增壓器連接，并且在潤(rùn)滑油進(jìn)油管(28)上安裝有增壓器潤(rùn)滑油進(jìn)口壓力傳感器(21)和潤(rùn)滑油進(jìn)口溫度傳感器(22)，潤(rùn)滑油質(zhì)量流量計(jì)(23)；在潤(rùn)滑油回油管(29)上安裝有潤(rùn)滑油出口溫度傳感器(24)和潤(rùn)滑油出口壓力傳感器(25)；
自動(dòng)調(diào)溫系統(tǒng)包括冷卻裝置(31)及加熱裝置(30)，其作用是自動(dòng)調(diào)節(jié)潤(rùn)滑油溫度，使其保持在工作溫度下，保證試驗(yàn)的重復(fù)性和準(zhǔn)確性；其工作原理為當(dāng)潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度達(dá)到高溫值時(shí)，開啟冷卻裝置，降低潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度；當(dāng)潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度低于低溫值時(shí)，開啟加熱裝置，提高潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度；
所述數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)是采用所述渦輪增壓器機(jī)械損失功率的測(cè)量方法的具體實(shí)現(xiàn)；與氣源壓力傳感器(2)、進(jìn)氣壓力傳感器(5)、進(jìn)氣溫度傳感器(6)、進(jìn)氣質(zhì)量流量計(jì)(7)、燃油壓力傳感器(8)、燃油溫度傳感器(9)、燃油質(zhì)量流量流量計(jì)(10)、渦輪進(jìn)氣壓力傳感器(16)、渦輪進(jìn)氣溫度傳感器(17)、渦輪排氣溫度傳感器(19)、渦輪排氣壓力傳感器(20)、潤(rùn)滑油進(jìn)口壓力傳感器(21)、潤(rùn)滑油進(jìn)口溫度傳感器(22)、潤(rùn)滑油質(zhì)量流量計(jì)(23)、潤(rùn)滑油回油溫度傳感器(24)、潤(rùn)滑油回油壓力傳感器(25)、轉(zhuǎn)速傳感器(33)、壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度傳感器(34)、壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力傳感器(35)、壓氣機(jī)進(jìn)氣管(36)、壓氣機(jī)質(zhì)量流量計(jì)(37)、壓氣機(jī)出口壓力傳感器(38)、壓氣機(jī)出口溫度傳感器(39)連接，完成對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)的匯總及處理，得到所測(cè)量的渦輪增壓器的機(jī)械損失功率；
所述壓氣機(jī)排氣電動(dòng)閥(32)的作用是控制壓氣機(jī)排氣管的開度，其安裝位置為壓氣機(jī)排氣管(40)靠近出口端的位置。
4.一種渦輪增壓器機(jī)械損失功率的測(cè)量方法，其特征在于具體操作步驟如下
步驟一、將待測(cè)渦輪增壓器連接至本發(fā)明提出的渦輪增壓器機(jī)械損失功率測(cè)量裝置；
步驟二、啟動(dòng)渦輪增壓器機(jī)械損失功率的測(cè)量裝置，使待測(cè)渦輪增壓器達(dá)到工作轉(zhuǎn)速；
步驟三、采集試驗(yàn)過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，具體操作步驟如下
第①步通過所述各傳感器采集渦輪增壓器達(dá)到工作轉(zhuǎn)速情況下的數(shù)據(jù)，并將各傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)；
第②步切斷氣源，再次通過所述各傳感器，采集并記錄渦輪增壓器由工作轉(zhuǎn)速降低到靜止這段時(shí)間的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并將各傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)；
步驟四、獲得渦輪增壓器的氣動(dòng)損失
數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)使用在步驟三中獲得的數(shù)據(jù)，根據(jù)采集到的渦輪增壓器在工作轉(zhuǎn)速下的數(shù)據(jù)和相關(guān)熱力學(xué)公式獲得增壓器的氣動(dòng)損失；其具體方法如下
第①步獲得渦輪增壓器壓氣機(jī)的氣動(dòng)損失之和；
空氣在渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪中流動(dòng)時(shí)，主要的氣動(dòng)損失有以下部分
a.空氣在通道內(nèi)的轉(zhuǎn)彎損失；包括導(dǎo)風(fēng)輪損失，用WI1表示，以及葉輪徑向葉片將氣流方向由軸向改為徑向時(shí)的損失，用WI2表示，分別通過公式1和公式2計(jì)算得到；
其中ω1為葉輪進(jìn)口處相對(duì)速度，cr2為葉輪出口處絕對(duì)速度的徑向分量，ξ1和ξ2為損失系數(shù)；
b.氣流在葉輪通道內(nèi)的摩擦損失；包括渦流損失，用WI3表示，通過公式3計(jì)算；
其中ξ3為損失系數(shù)；
c.氣流在葉輪與殼體之間的漏氣損失和輪盤摩擦損失；
將氣流在葉輪與殼體之間的漏氣損失合并到輪盤摩擦損失中計(jì)算；輪盤摩擦損失用WId表示，通過公式4計(jì)算得到；
其中，α為損失系數(shù)，u2為葉輪出口牽連速度；
d.壓氣機(jī)殼中的損失，用WI4表示，通過公式5計(jì)算；
其中，ξ4為蝸殼損失系數(shù)，c4為擴(kuò)壓氣出口絕對(duì)速度；
基于以上，渦輪增壓器壓氣機(jī)氣動(dòng)損失之和，用WI表示，可通過公式6計(jì)算得到
WI＝WI1+WI2+WId+WI4(6)
第②步獲得渦輪增壓器渦輪中的氣動(dòng)損失，主要包括以下部分
a.噴嘴環(huán)中的能量損失，用ΔW1表示，通過公式7計(jì)算得到；
其中
表示噴嘴環(huán)速度系數(shù)；
b.葉輪內(nèi)的損失，用ΔWi表示，通過公式8計(jì)算得到；
其中ψ表示葉輪中速度系數(shù)，ω2為葉輪出口相對(duì)速度；
c.余速損失，用ΔWout表示，通過公式9計(jì)算得到；
d.葉輪摩擦與通風(fēng)損失，用ΔWrd表示，通過公式10計(jì)算得到；
其中，β表示葉輪輪盤的形狀系數(shù)；ρ1m表示葉輪周圍的平均密度；u1為葉輪進(jìn)口的輪周速度；D1表示葉輪進(jìn)口直徑；WTd表示葉輪前的絕熱膨脹功；
e.漏氣損失，用ΔWle表示，通過公式11計(jì)算得到；
ΔWle＝0.005WTd；(11)
基于以上，對(duì)有噴嘴環(huán)的渦輪增壓器，渦輪損失之和，用ΔW表示
ΔW＝ΔW1+ΔWi+ΔWout+ΔWrd+ΔWle(12)
對(duì)沒有噴嘴環(huán)的渦輪增壓器，渦輪損失之和ΔW為
ΔW＝ΔWi+ΔWout+ΔWrd+ΔWle (13)
步驟五、獲得渦輪增壓器由工作轉(zhuǎn)速降低到0轉(zhuǎn)速這一階段壓氣機(jī)功耗
數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)使用在步驟三中獲得的數(shù)據(jù)，獲得渦輪增壓器由工作轉(zhuǎn)速降低到0轉(zhuǎn)速這一階段壓氣機(jī)功耗，采用在工作轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)功率的平均值，通過公式(14)計(jì)算得到
其中
表示空氣定壓比熱，
TC1*表示壓氣機(jī)進(jìn)氣總溫；πC表示增壓比；κ表示空氣絕熱指數(shù)，κ＝1.4；ηC表示壓氣機(jī)效率；
步驟六、獲得渦輪增壓器的總的剩余功率
數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)使用在步驟三中獲得的數(shù)據(jù)，獲得渦輪增壓器總的剩余功率；具體步驟如下
①采用切斷氣源后轉(zhuǎn)速傳感器采集的數(shù)據(jù)，繪制速度——時(shí)間曲線，將該曲線擬合為雙曲型曲線y＝ax-n，漸近線為x軸和y軸，曲線在第一象限；依據(jù)轉(zhuǎn)速——時(shí)間曲線求出該曲線的斜率，即增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化率
②獲得增壓器剩余力矩之和，用Mf表示，通過公式15計(jì)算得到；
其中，Mf為增壓器剩余力矩之和；I0為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為轉(zhuǎn)子的角速度；n為增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；t為時(shí)間；
③獲得渦輪增壓器的總的剩余功率，用Nf表示，通過公式16計(jì)算得到；
其中，Nf為渦輪增壓器總的剩余功率；
步驟七、獲得渦輪增壓器的機(jī)械損失功率
在步驟四、五、六的基礎(chǔ)上，獲得增壓器機(jī)械損失功率；其具體步驟為
①通過公式17獲得摩擦損失系數(shù)，用k1表示
其中GC為增壓器壓氣機(jī)質(zhì)量流量Ga為進(jìn)氣管壓縮空氣質(zhì)量流量；Gf為燃油質(zhì)量流量；W1為渦輪增壓器壓氣機(jī)氣動(dòng)損失之和；ΔW為渦輪損失之和；NC為渦輪增壓器由工作轉(zhuǎn)速降低到0轉(zhuǎn)速這一階段壓氣機(jī)功耗；Nf為渦輪增壓器總的剩余功率；
②獲得瞬態(tài)摩擦損失系數(shù)，用k2表示；
k2＝(5～6)μ (18)
其中μ——?jiǎng)幽Σ烈驍?shù)；
③獲得渦輪增壓器的機(jī)械損失功率；
N＝(1-k1)k2Nf(19)
通過上述步驟，即可得到渦輪增壓器的機(jī)械損失功率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種渦輪增壓器機(jī)械損失功率的測(cè)量方法，其特征在于當(dāng)其測(cè)量環(huán)境為非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況時(shí)，其測(cè)量結(jié)果可通過公式20轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況下的折合機(jī)械損失，用Ncnp表示
標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況為大氣溫度為298K(25℃)；壓力為100KPa(760mmHg)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種渦輪增壓器機(jī)械損失功率測(cè)量裝置及方法。本發(fā)明的的基本原理在一定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)的渦輪增壓器，當(dāng)切斷外氣源供應(yīng)，即停止外部能量輸入時(shí)，渦輪增壓器經(jīng)歷一個(gè)從初始轉(zhuǎn)速到轉(zhuǎn)速為零的自由減速過程中，在這個(gè)過程中，通過測(cè)量克服徑向浮動(dòng)軸承、軸向止推軸承(球軸承增壓器無止推軸承)、密封環(huán)摩擦副的摩擦阻力損失以及壓氣機(jī)繼續(xù)壓縮空氣造成的氣動(dòng)損失和渦輪氣動(dòng)損失，并用測(cè)量得到的摩擦阻力損失減去后兩部分測(cè)得的氣動(dòng)損失，獲得渦輪增壓器的真實(shí)機(jī)械損失功率。本發(fā)明提出的渦輪增壓器機(jī)械損失功率的測(cè)量裝置及方法，測(cè)量更準(zhǔn)確、方便。
文檔編號(hào)G01L5/00GK101726378SQ20091023727
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
發(fā)明者黃若, 王紹卿, 魏名山 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)