基于動態(tài)壓力測量的壓氣機失速測試結(jié)構(gòu)及測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于離心壓氣機測試技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于動態(tài)壓力測量的壓氣 機失速測試結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 渦輪增壓發(fā)動機能夠提高燃油經(jīng)濟性和降低排放，隨著能源的緊張以及日趨嚴格 的環(huán)境法規(guī)和排放要求，渦輪增壓迎來了新的挑戰(zhàn)和廣闊的市場。車用渦輪增壓發(fā)動機功 率密度強化提升，EGR、SCR等滿足排放要求的排氣系統(tǒng)處理裝置，以及變海拔環(huán)境適應性等 要提出了高壓比和寬穩(wěn)定工作范圍離心壓氣機的需求。然而伴隨著增壓比的提高，離心壓 氣機內(nèi)部流動趨于復雜，而其穩(wěn)定工作范圍急劇變窄、效率下降，單純依賴現(xiàn)有CH)數(shù)值模 擬技術(shù)已難以有效把握內(nèi)部流動狀態(tài)，獲得可靠的設(shè)計結(jié)果。為拓展高壓比狀態(tài)穩(wěn)定工作 范圍及提高效率，開展壓氣機失速和內(nèi)部流動演化、流動控制成為當前的研究熱點。而基于 并行計算CFD非定常數(shù)值模擬的研究手段耗費巨大硬件資源且難以有效把握真實的過程， 對失速特征和演化過程進行測試研究成為發(fā)展必須。
[0003] 在測試方面，開展離心壓氣機失速測量可通過激光測速等內(nèi)部流動測試手段來實 現(xiàn)，但是由于渦輪增壓器離心壓氣機高轉(zhuǎn)速、小尺度的特點，測試難度大、成本高，尤其是激 光測速，即使采用模型放大、抽象等技術(shù)，也難以有效捕捉內(nèi)部流動失速特征。國內(nèi)對渦輪 增壓器原型離心壓氣機失速測試的研究處于起步階段，所公開的研究結(jié)果較少。
[0004] 國外曾有學者采用動態(tài)壓力結(jié)合葉片振動進行失速測試，方法中由于增加葉片振 動測量，其成本增大、難度趨于復雜，并且根據(jù)公開資料，均在直徑200mm以上的大直徑葉輪 或放大模型上獲得，許多還進行了模型抽象，比如改變擴壓器和蝸殼結(jié)構(gòu)等;沒有發(fā)現(xiàn)有關(guān) 在渦輪增壓器離心壓氣機原型機上進行失速測量的公開資料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明旨在提出一種基于動態(tài)壓力測量的壓氣機失速測試結(jié)構(gòu)，以獲 得渦輪增壓器原型離心壓氣機失速發(fā)生工況、失速特征。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：
[0007] -種基于動態(tài)壓力測量的壓氣機失速測試結(jié)構(gòu)，包括壓氣機蝸殼、壓氣機葉輪、壓 氣機背盤和傳感器，所述壓氣機蝸殼固定于壓氣機背盤上，壓氣機葉輪固定于轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸 與壓氣機背盤通過密封結(jié)構(gòu)進行配合，與軸承座相連;所述壓氣機葉輪與壓氣機背盤、壓氣 機蝸殼為間隙配合;所述壓氣機背盤的擴壓器側(cè)壁中部位置沿周向布置多個用于安裝傳感 器的傳感器底座;所述傳感器為高頻響應動態(tài)壓力傳感器，在傳感器底座上設(shè)有壓力測試 孔。
[0008] 進一步的，所述壓氣機背盤的擴壓器側(cè)壁中部直徑120mm位置沿周向布置多個傳 感器底座。
[0009] 進一步的，所述壓氣機背盤的擴壓器側(cè)壁中部位置沿周向布置三個傳感器底座， 依次安裝1號傳感器、2號傳感器、3號傳感器;所述2號傳感器與1號傳感器周向相差40°，3號 傳感器與1號傳感器周向相差150°。
[0010] 進一步的，所述高頻響應動態(tài)壓力傳感器的采集線通過螺紋聯(lián)接、密封等方式固 定于安裝在相應的傳感器底座上，傳感器底座通過螺紋聯(lián)接固定在壓氣機背盤上。
[0011] 進一步的，所采用的壓氣機背盤的擴壓器側(cè)壁中部直徑布置位置可以沿流動方向 向上游壓氣機葉輪進口、葉輪輪緣移動。
[0012] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢：
[0013] (1)基于易于實現(xiàn)和布置的壁面靜壓測試手段，通過在壓氣機靜止件周向位置布 置多個動態(tài)壓力測試傳感器，獲得壁面靜態(tài)壓力隨時間的變化特征，捕獲離心壓氣機失速 發(fā)生工況、特征，以較小的投入完成原型壓氣機失速測試;還可通過備用3號傳感器，具備驗 證失速測試結(jié)果一致性的功能；
[0014] (2)測試結(jié)構(gòu)基于原型樣機，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0015] 構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實 施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中：
[0016] 圖1為本發(fā)明實施例所述基于動態(tài)壓力測量的壓氣機失速測試結(jié)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)示 意圖，a為各零部件剖面圖，b為傳感器周向位置布置示意圖的；
[0017] 圖2為本發(fā)明實施例所述基于動態(tài)壓力測量的壓氣機失速測試結(jié)構(gòu)的裝配示意 圖，a為壓氣機葉輪與蝸殼關(guān)系圖，b為動態(tài)壓力傳感器安裝底座、壓氣機背盤和壓氣機蝸殼 關(guān)系圖，c為各零部件分解結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 附圖標記說明：
[0019] 1-壓氣機蝸殼，2_壓氣機葉輪，3_壓氣機背盤，4_傳感器，5_1號傳感器，6_2號傳感 器，7-3號傳感器，8-采集線。
【具體實施方式】
[0020] 需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相 互組合。
[0021] 下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細說明本發(fā)明。
[0022] 基于動態(tài)壓力測量的壓氣機失速測試結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括壓氣機蝸殼1、壓氣機 葉輪2、壓氣機背盤3、傳感器4,所述壓氣機蝸殼1通過螺栓、壓板固定于壓氣機背盤3上，壓 氣機葉輪2通過轉(zhuǎn)軸的軸端螺母固定于轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸與壓氣機背盤3通過密封結(jié)構(gòu)進行配 合，與軸承座相連;所述壓氣機葉輪2與壓氣機背盤3、壓氣機蝸殼1為間隙配合。
[0023] 所述壓氣機背盤3的擴壓器側(cè)壁中部直徑120mm位置沿周向布置3個傳感器底座， 依次安裝1號傳感器5、2號傳感器6、3號傳感器7，2號傳感器6與1號傳感器5的周向相差40°， 3號傳感器7與1號傳感器5的周向相差150° ;所述傳感器4為高頻響應動態(tài)壓力傳感器，高頻 響應動態(tài)壓力傳感器的采集線8通過螺紋聯(lián)接、密封等方式固定于安裝在相應的傳感器底 座上，傳感器底座通過螺紋聯(lián)接固定在壓氣機背盤3上，在傳感器底座上設(shè)計壓力測試孔。 所采用的壓氣機背盤3的擴壓器側(cè)壁中部直徑布置位置可以沿流動方向向上游壓氣機葉輪 進口、葉輪輪緣移動。
[0024] 工作過程為：
[0025] 壓氣機擴壓器內(nèi)部流動的壁面靜壓動態(tài)分布情況，通過壓氣機背盤3上周向布置 的1號傳感器5、2號傳感器6、3號傳感器7導出響應信號，通過采集和信號處理系統(tǒng)，對采集 的實時壓力數(shù)據(jù)進行快速傅氏變化和小波處理，可獲得失速時信號壓力分布如下：
[0027]其中：P是動態(tài)壓力信號，P動態(tài)壓力最大振幅；cost是動態(tài)壓力轉(zhuǎn)速;Δ^為兩個傳 感器相差角度，對于應用實例，2號傳感器和1號傳感器相差40° ;m為失速胞數(shù)，是指沿周向 等間隔將葉輪通道分開區(qū)域的數(shù)目，表征了失速流動沿周向扭曲的形態(tài)。
[0028]結(jié)合失速胞數(shù)關(guān)系式：
[0030] 其中：K 為整數(shù)(_3、-2、-1、0、1、2、3)。
[0031] 可以獲得失速胞數(shù)、傳遞方向（失速胞數(shù)的正負），失速傳遞轉(zhuǎn)速等測量參數(shù)，結(jié)合 增壓器總體性能試驗平臺，可以獲得失速工況等參數(shù)。同時，利用采集的3號傳感器7和1號 傳感器5的數(shù)據(jù)，可以對測試結(jié)果進行對比確認。
[0032] 本發(fā)明可以在離心壓氣機原型樣機上測量失速發(fā)生工況、失速特征，可向上游移 動以測試擴壓器位置失速、葉輪位置失速。同時周向布置了驗證測試點來保證測試一致性。 測試結(jié)構(gòu)基于原型樣機，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)?？蓽y量失速發(fā)生工況，失速胞數(shù)、失速傳遞方 向、轉(zhuǎn)速等特征參數(shù)。
[0033] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 基于動態(tài)壓力測量的壓氣機失速測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括壓氣機蝸殼（I)、壓氣 機葉輪(2)、壓氣機背盤(3)和傳感器(4)，所述壓氣機蝸殼（1)固定于壓氣機背盤(3)上，壓 氣機葉輪(2)固定于轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸與壓氣機背盤(3)通過密封結(jié)構(gòu)進行配合，與軸承座相連； 所述壓氣機葉輪(2)與壓氣機背盤(3)、壓氣機蝸殼(1)為間隙配合； 所述壓氣機背盤(3)的擴壓器側(cè)壁中部位置沿周向布置多個用于安裝傳感器(4)的傳 感器底座;所述傳感器(4)為高頻響應動態(tài)壓力傳感器，在傳感器底座上設(shè)有壓力測試孔。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動態(tài)壓力測量的壓氣機失速測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述 壓氣機背盤(3)的擴壓器側(cè)壁中部直徑120_位置沿周向布置多個傳感器底座。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于動態(tài)壓力測量的壓氣機失速測試結(jié)構(gòu)，其特征在于： 所述壓氣機背盤(3)的擴壓器側(cè)壁中部位置沿周向布置三個傳感器底座，依次安裝1號傳感 器(5)、2號傳感器(6)、3號傳感器(7);所述2號傳感器(6)與1號傳感器(5)周向相差40°，3號 傳感器(7)與1號傳感器(5)周向相差150°。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動態(tài)壓力測量的壓氣機失速測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述 高頻響應動態(tài)壓力傳感器的采集線(8)通過螺紋聯(lián)接、密封等方式固定于安裝在相應的傳 感器底座上，傳感器底座通過螺紋聯(lián)接固定在壓氣機背盤(3)上。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動態(tài)壓力測量的壓氣機失速測試結(jié)構(gòu)，其特征在于:所采 用的壓氣機背盤(3)的擴壓器側(cè)壁中部直徑布置位置可以沿流動方向向上游壓氣機葉輪進 口、葉輪輪緣移動。6. 基于動態(tài)壓力測量的壓氣機失速測試方法，其特征在于包括如下步驟： 1) 通過多個安裝在壓氣機背盤(3)的擴壓器側(cè)壁中部位置沿周向布置的高頻響應動態(tài) 壓力傳感器采集實時壓力數(shù)據(jù)，獲得壓氣機擴壓器內(nèi)部流動的壁面靜壓動態(tài)分布情況； 2) 通過對采集的實時壓力數(shù)據(jù)進行快速傅氏變化和小波處理，可獲得失速時信號壓力 分布如下：其中：P是動態(tài)壓力信號，P動態(tài)壓力最大振幅；ω ST是動態(tài)壓力轉(zhuǎn)速;Δ%為兩個傳感器 相差角度，m為失速胞數(shù)，是指沿周向等間隔將葉輪通道分開區(qū)域的數(shù)目，表征了失速流動 沿周向扭曲的形態(tài)； 結(jié)合失速胞數(shù)關(guān)系式：其中：K 為整數(shù)(-3、-2、-1、0、1、2、3)。 通過式1、2可以獲得失速胞數(shù)、傳遞方向即失速胞數(shù)的正負，失速傳遞轉(zhuǎn)速，結(jié)合增壓 器總體性能試驗平臺，可以獲得失速工況參數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于動態(tài)壓力測量的壓氣機失速測試結(jié)構(gòu)，包括壓氣機蝸殼、壓氣機葉輪、壓氣機背盤和傳感器，所述壓氣機蝸殼固定于壓氣機背盤上，壓氣機葉輪固定于轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸與壓氣機背盤通過密封結(jié)構(gòu)進行配合，與軸承座相連；所述壓氣機背盤的擴壓器側(cè)壁中部位置沿周向布置多個用于安裝傳感器的傳感器底座；所述傳感器為高頻響應動態(tài)壓力傳感器，在傳感器底座上設(shè)有壓力測試孔。本發(fā)明具有以下優(yōu)勢：基于易于實現(xiàn)和布置的壁面靜壓測試手段，通過在壓氣機靜止件周向位置布置多個動態(tài)壓力測試傳感器，獲得壁面靜態(tài)壓力隨時間的變化特征，捕獲離心壓氣機失速發(fā)生工況、特征，以較小的投入完成原型壓氣機失速測試。
【IPC分類】F04D27/00
【公開號】CN105485039
【申請?zhí)枴緾N201510924678
【發(fā)明人】李書奇, 莊麗, 侯琳琳, 劉暢, 黃磊, 張繼忠, 張俊躍, 邢衛(wèi)東
【申請人】中國北方發(fā)動機研究所(天津)
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2015年12月11日