涡轮增压器热冲击可靠性测试试验台及测试方法

摘要

本发明涉及一种涡轮增压器热冲击可靠性测试试验台及测试方法。根据本发明的涡轮增压器热冲击可靠性测试试验台，包括：主燃烧室、第一副燃烧室、第二副燃烧室和高温燃气切换阀总成，主燃烧室的排气通过高温燃气切换阀总成可切换地与第一副燃烧室和第二副燃烧室的进气管路连通，第一副燃烧室喷油系统和第二副燃烧室喷油系统用于雾化燃油使得由主燃烧室生成的高温燃气可分别在第一副燃烧室和第二副燃烧室中发生二次燃烧，进一步提高燃气温度，从而提高涡轮增压器热冲击试验的测试温度和转速。

说明书

技术领域

本发明涉及涡轮增压器可靠性测试领域，具体涉及一种涡轮增压器高 低温热冲击可靠性测试试验台及测试方法。

背景技术

涡轮增压技术的应用在提高内燃机的比功率和燃油经济性、降低排放 等方面发挥了重要的作用，特别的，随着排放法规的日益严格，越来越多 的车辆生产厂家采用和即将采用该技术。

在增压器的使用中，热冲击对于增压器的损坏是一个非常严重的问题， 在涡轮叶片上，经常可以观察到由于热冲击引起的裂纹。这是由于发动机 每次起动和停车以及工况变化使涡轮端受到骤然的加热和冷却，因而引起 了热应力。在发动机排气热负荷的冲击下，涡轮增压器的轴承系统和叶轮 都可能因此发生各种问题。特别的，处于高温状态的涡轮，长期处于高温 以及快速、大范围温度及转速变化状态下，其涡壳、叶轮往往不是受力过 大而损坏，而是由于不断的承受高低温冷热冲击和高低速循环工况，发生 热疲劳、机械疲劳以及蠕变等强度失效问题而损坏。因而，在增压器设计 和生产过程中，高低温热冲击可靠性验证试验对于提高增压器可靠性和使 用寿命具有重要的意义和应用价值。

汽油机用增压器涡轮进口温度相对于柴油机用增压器来说有大幅度的 提高，汽油机增压器高低温热冲击可靠性考核试验要求涡轮增压器在高速 运转的同时，涡轮进口温度高达1100℃，而在低温运转时，涡轮进口温度 则低于200℃，且涡轮增压器须长时间交替进行高温高速、低温低速运转。 当前进行涡轮增压器可靠性相关测试已公布或授权的试验设备发明专利包 括中国专利CN1793819A，中国专利CN102507202A以及申请者公布的发 明专利CN104458238A；以上三种专利皆采用涡轮增压器自循环的方式进 行，其中专利CN102507202A已经对专利CN1793819A中存在的问题进行 了较详细的分析，并在此基础上提出了一种新的基于涡轮增压器自循环的 低周疲劳试验装置，该试验装置采用一个三通高温转换阀总成进行燃气的 分配，使得一台增压器得到较多的燃气工作在高速，另一台得到较少的燃 气工作在低速，通过高温转换阀周期性的变换旋转方向来改变两台增压器 的转速，从而实现高低速循环低周疲劳试验。发明专利CN104458238A则 是在两个独立的自循环试验台基础上完成高低温热冲击试验，其试验方法 为：在一台增压器运行在高速时，利用高速增压器压气机产生的压缩冷空 气与另一台增压器在低速运行的自循环试验台燃烧室后的燃气进行掺混以 降低燃烧室后的温度，从而实现高温高速和低温低速热冲击试验。发明专 利CN102507202A和发明专利CN104458238A都能够在一定程度上实现涡 轮增压器的低周疲劳或热冲击测试试验，但其在速度变化范围或温度变化 范围上皆受到限制。发明专利CN102507202A在对高温转换阀总成进行冷 却的基础上，涡轮进口温度能够达到700℃，其温度进一步的提高受到高温 转换阀可靠性的限制，且低速运转的增压器涡轮进口也必须同时工作在高 温状态，无法得到低温试验状态；同样，发明专利CN104458238A所公布 的试验台为了能够保证增压器低速运转的自循环试验台燃烧室能够正常工 作，低速运转的低温段也受到限制(需大于350℃)。此外，对于采用自循 环模式工作的试验台来说，涡轮增压器在低速时无法实现自循环，因此， 其运转的最低转速受到限制。发明专利CN102507202A和发明专利 CN104458238A都无法满足当前汽油机增压器热冲击可靠性测试试验所要 求的高温高速、低温低速的热冲击测试要求。

发明内容

本发明旨在提供一种能够提高测试温度和转速的涡轮增压器热冲击可 靠性测试试验台及测试方法。

本发明提供了一种涡轮增压器热冲击可靠性测试试验台，该试验台包 括：主燃烧室，与主燃烧室配合的主燃烧室喷油点火装置和主燃烧室供油 系统，主燃烧室具有与外气源连通的主进气管；第一副燃烧室，与第一副 燃烧室配合的第一副燃烧室喷油系统和第一副燃烧室供油系统，第一副燃 烧室的排气与第一涡轮增压器的涡轮的进气口连通，第一副燃烧室具有与 外气源连通的第一副进气管；第二副燃烧室，与第二副燃烧室配合的第二 副燃烧室喷油系统和第二副燃烧室供油系统，第二副燃烧室的排气与第二 涡轮增压器的涡轮的进气口连通；第二副燃烧室具有与外气源连通的第二 副进气管；高温燃气切换阀总成，主燃烧室的排气通过高温燃气切换阀总 成可切换地与第一副燃烧室和第二副燃烧室的进气管路连通，第一副燃烧 室喷油系统和第二副燃烧室喷油系统用于雾化燃油使得由主燃烧室生成的 高温燃气可分别在第一副燃烧室和第二副燃烧室中发生二次燃烧，进一步 提高燃气温度。

进一步地，第一涡轮增压器的压气机的排气口与第二副燃烧室的进气 口连通；第二涡轮增压器的压气机的排气口与第一副燃烧室的进气口连通。

进一步地，试验台还包括第一三通连接装置，第一三通连接装置的第 一接口与第一涡轮增压器的压气机的排气口连接；第一三通连接装置的第 二接口与第二副燃烧室的进气口连接，第一三通连接装置的第三接口与大 气连接；试验台还包括第二三通连接装置，第二三通连接装置的第一接口 与第二涡轮增压器的压气机的排气口连接；第二三通连接装置的第二接口 与第一副燃烧室的进气口连接，第二三通连接装置的第三接口与大气连接。

进一步地，高温燃气切换阀门总成包括高温燃气切换阀及驱动机构； 高温燃气切换阀具有连通主燃烧室和第一副燃烧室的第一工作位置和连通 主燃烧室和第二副燃烧室的第二工作位置；驱动机构驱动高温燃气切换阀 在第一工作位置和第二工作位置切换。

进一步地，高温燃气切换阀为四通阀，四通阀的第一接口与主燃烧室 连通；四通阀的第二接口与第一副燃烧室连通；四通阀的第三接口与大气 连通；四通阀的第四接口与第二副燃烧室连通。

进一步地，第一副进气管上设置有控制外气源进气的第一气源进气调 节阀；第二副进气管上设置有控制外气源进气的第二气源进气调节阀；主 进气管上设置有控制外气源进气的主气源进气调节阀。

本发明还提供了一种涡轮增压器热冲击可靠性测试试验台测试方法， 该方法包括：步骤一，试验台的启动：控制高温燃气切换阀处于第一工作 位置，并使外气源与主燃烧室连通，通过外气源压力驱动第一涡轮增压器 按照第一预设温度速度工作；启动主燃烧室，并调节主燃烧室出口燃气温 度至预设温度；

使外气源与第二副燃烧室连通，并通过外气源压力驱动第二涡轮增压 器按照第二预设温度速度工作；步骤二，试验状态的调节：启动第一副燃 烧室，使主燃烧室生成的高温燃气在第一副燃烧室中二次燃烧，并驱动第 一涡轮增压器的涡轮按照第三预设温度速度工作；步骤三，试验状态的转 换：停止第一副燃烧室，使外气源与第一副燃烧室连通，并通过外气源压 力驱动第一涡轮增压器按照第二预设温度速度工作；将高温燃气切换阀切 换第二工作位置，并启动第二副燃烧室，使主燃烧室生成的高温燃气在第 二副燃烧室中二次燃烧，并驱动第二涡轮增压器的涡轮按照第三预设温度 速度工作；步骤四，周期性高低温冲击的实现：循环执行步骤二和步骤三， 使第一涡轮增压器和第二涡轮增压器循环工作在第二预设温度速度和第三 预设温度速度。

根据本发明的涡轮增压器热冲击可靠性测试试验台及测试方法，通过 设置主燃烧室、第一副燃烧室和第二副燃烧室，主燃烧室的排气通过高温 燃气切换阀总成可切换地与第一副燃烧室和第二副燃烧室的进气管路连 通，使得由主燃烧室生成的高温燃气可分别在第一副燃烧室和第二副燃烧 室中发生二次燃烧，从而提高涡轮增压器热冲击试验的测试温度和转速。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明 的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。 在附图中：

图1为本发明试验台原理图；

图2为本发明试验台第一涡轮增压器高温高速状态，第二涡轮增压器 低温低速状态第一种实现方式下气体流动示意图；

图3为本发明试验台第一涡轮增压器高温高速状态，第二涡轮增压器 低温低速状态第二种实现方式下气体流动示意图；

图4为本发明试验台第一涡轮增压器高温高速状态，第二涡轮增压器 低温低速状态第三种实现方式下气体流动示意图；

图5为本发明试验台第一涡轮增压器低温低速状态，第二涡轮增压器 高温高速状态下气体流动示意图。

附图标记说明：

1、第一气源进气调节阀；2、主燃烧室喷油点火装置；3、主燃烧室； 4、第二压气机补气阀；5、高温燃气切换阀；6、第一燃油控制阀；7、第 一副燃烧室喷油系统；8、第一副燃烧室；9、第一涡轮增压器涡轮；10、 第一涡轮排气管；11、第一涡轮增压器；12、第一涡轮增压器压气机；13、 第一压气机出口调节阀；14、高温燃气切换阀放气调节阀；15、第二涡轮 排气管；16、第二涡轮增压器涡轮；17、第二涡轮增压器；18、第二涡轮 增压器压气机；19、第二压气机出口调节阀；20、第二副燃烧室；21、第 二副燃烧室喷油系统；22、第二燃油控制阀；23、第一压气机补气阀；24、 副燃油供油系统；25、主燃油供油系统；26、第二气源进气调节阀；27、 主燃油控制阀；28、主气源进气调节阀。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明提供了一种涡轮增压器热冲击可靠性测试试验台， 包括燃烧系统，高温燃气切换阀总成，燃油供油系统，以及由管道和调节 阀组成的进排气系统。

具体地，燃烧系统包括主燃烧室3，主燃烧室喷油点火装置2，第一副 燃烧室8，第一副燃烧室喷油系统7，第二副燃烧室20，第二副燃烧室喷油 系统21；外气源提供的压缩空气在主燃烧室3中与主燃烧室喷油点火装置2 生成的雾化燃油混合并点火燃烧，生成高温燃气驱动涡轮增压器旋转；第 一副燃烧室喷油系统7和第二副燃烧室喷油系统21用于雾化燃油使得由主 燃烧室3生成的高温燃气可分别在第一副燃烧室8和第二副燃烧室20中发生 二次燃烧，进一步提高燃气温度。

高温燃气切换阀总成包括高温燃气切换阀5及其气动驱动机构；高温燃 气切换阀为采用耐高温材料加工设计的四通阀门，可耐1000℃高温，驱动 阀杆与一个安装在底座上的气缸通过拨叉相连接，在气缸的往复运动下， 高温燃气切换阀5可停留在第一工作位置和第二工作位置两种工作位置，阀 门自身设计有定位装置控制阀门的工作位置；高温燃气切换阀5用于接通高 温高速运转增压器与主燃烧室3产生的高温燃气之间的通路并同时接通低 温压缩空气与外界环境之间的通道。在第一工作位置，第一副燃烧室8进口 通过高温燃气切换阀5与主燃烧室3出口相连通，同时，第二副燃烧室20进 口通过高温燃气切换阀5与高温燃气切换阀放气调节阀14相连通；在第二工 作位置，第二副燃烧室20进口与主燃烧室3出口相连通，同时，第一副燃烧 室8进口通过高温燃气切换阀5与高温燃气切换阀放气调节阀14相连通。

燃油供油系统包括主燃油供油系统25和副燃油供油系统24以及主燃油 控制阀27，第一燃油控制阀6，第二燃油控制阀22；主燃油供油系统25为主 燃烧室3提供燃烧所需的燃油，副燃油供油系统24为第一副燃烧室8和第二 副燃烧室20提供燃烧所需的燃油；主燃油控制阀27用于控制主燃油供油系 统25为主燃烧室3所提供燃油的通断；第一燃油控制阀6和第二燃油控制阀 22分别用于控制副燃油供油系统24为第一副燃烧室8和第二副燃烧室20所 提供燃油的通断。

进排气系统包括涡轮增压器涡轮进气系统和涡轮增压器压气机排气系 统，涡轮进气系统包括第一涡轮增压器涡轮9的进气系统和第二涡轮增压器 涡轮16的进气系统；涡轮增压器压气机排气系统包括第一涡轮增压器压气 机12的排气系统和第二涡轮增压器压气机18的排气系统。

第一涡轮增压器涡轮9的进气系统包括三个进气通道：

1.气源进气通过第一气源进气调节阀1通过管道与第一副燃烧室8进口 相连接；

2.气源进气通过主气源进气调节阀28与主燃烧室3进口相连接，主燃烧 室3出口与高温燃气切换阀5的法兰通过管道相连接，高温燃气切换阀5一接 口通过管道和三通与第一副燃烧室8进口管道相连接，高温燃气切换阀5在 第一工作位置时，主燃烧室3出口通过高温燃气切换阀5与第一副燃烧室8进 口管道接通；

3.第二涡轮增压器压气机18出口通过第二压气机补气阀4和三通与第一 副燃烧室8进口管道相连接；

上述三部分进气交汇后通过管道与第一副燃烧室8进口相连接。第一副 燃烧室8出口法兰通过管道与第一涡轮增压器涡轮9的进气法兰相连接。

第二涡轮增压器涡轮16的进气系统包括三个进气通道：

1.气源进气通过第二气源进气调节阀26通过管道与第二副燃烧室20进 口相连接；

2.气源进气通过主气源进气调节阀28与主燃烧室3进口相连接，主燃烧 室3出口与高温燃气切换阀5的法兰通过管道相连接，高温燃气切换阀5一接 口通过管道和三通与第二副燃烧室20进口管道相连接，高温燃气切换阀5在 第二工作位置时，主燃烧室3出口通过高温燃气切换阀5与第二副燃烧室20 进口管道接通；

3.第一涡轮增压器压气机12出口通过第一压气机补气阀23和三通与第 二副燃烧室20进口管道相连接；上述三部分进气交汇后通过管道与第二副 燃烧室20进口相连接。第二副燃烧室20出口法兰通过管道与第二涡轮增压 器涡轮16的进气法兰相连接。

第一涡轮增压器涡轮9进气系统和第二涡轮增压器涡轮16进气系统共 用气源进气通过主气源进气调节阀28与主燃烧室3进口相连接，主燃烧室3 出口通过管道与高温燃气切换阀5法兰相连接部分。

第一涡轮增压器压气机12排气系统包括第一涡轮增压器压气机12出口 通过管道和三通与第一压气机出口调节阀13进口相连接，第一压气机出口 调节阀13出口与大气相连通；第一涡轮增压器压气机12出口通过管道和三 通与第一压气机补气阀23进口相连接，第一压气机补气阀23出口通过管道 和三通分别与高温燃气切换阀5和第二副燃烧室20相连通。

第二涡轮增压器压气机18排气系统包括第二涡轮增压器压气机18出口 通过管道和三通与第二压气机出口调节阀19进口相连接，第二压气机出口 调节阀19出口与大气相连通；第二涡轮增压器压气机18出口通过管道和三 通与第二压气机补气阀4进口相连接，第二压气机补气阀4出口通过管道和 三通分别与高温燃气切换阀5和第一副燃烧室8相连通。

本发明还提供了一种采用上述涡轮增压器热冲击可靠性测试试验台进 行热冲击可靠性测试的试验方法，以某汽油机增压器为例，试验方法具体 步骤如下：

步骤一试验台的启动

高温燃气切换阀5处于第一工作位置，开启主燃油供油系统25并调节燃 油压力至合适压力，开启第一压气机出口调节阀13和第二压气机出口调节 阀19，其它调节阀均处于关闭状态；开启主气源进气调节阀28，气源压缩 空气经主燃烧室3，高温燃气切换阀5，第一副燃烧室8进入第一涡轮增压器 涡轮9进口，驱动第一涡轮增压器11低速旋转，转速在5000r/min左右；打开 主燃油控制阀27同时打开主燃烧室喷油点火装置2，燃油在主燃烧室3内雾 化并与压缩空气混合后点燃，生成高温燃气，经高温燃气切换阀5和第一副 燃烧室8进入第一涡轮增压器涡轮9进口，第一涡轮增压器11转速升高，逐 步开启主气源进气调节阀28并增加主燃油供油系统25提供的燃油压力至主 燃烧室3出口燃气温度至800℃左右，第一涡轮增压器11转速至120000r/min 左右。

逐步开启第二气源进气调节阀26，气源压缩空气经第二副燃烧室20进 入第二涡轮增压器涡轮16进口，驱动第二涡轮增压器17低速旋转，转速 60000r/min左右。

步骤二试验状态的调节

具体地，结合图2中箭头所示气流流动示意图，第一涡轮增压器11高温 高速试验状态实现方法：开启副燃油供油系统24并调节燃油压力至合适压 力，打开第一燃油控制阀6，燃油经第一副燃烧室喷油系统7雾化后与高温 燃气混合后发生二次燃烧，进一步提高第一涡轮增压器涡轮9进口温度，调 节主气源进气调节阀28，主燃油供油系统25供油压力和副燃油供油系统24 供油压力，使得主燃烧室3出口燃气温度在800±5℃左右，第一涡轮增压器 涡轮9进口温度1050±5℃，第一涡轮增压器11转速130000±1000r/min。

第二涡轮增压器17低温低速试验状态实现方法：开启高温燃气切换阀 放气调节阀14，此时来自第二气源进气调节阀26的压缩空气一部分用于驱 动第二涡轮增压器17旋转，一部分流经高温燃气切换阀5，对高温燃气切换 阀5进行冷却后，经高温燃气切换阀放气调节阀14排入大气。调节第二气源 进气调节阀26和高温燃气切换阀放气调节阀14至第二涡轮增压器涡轮16进 口压缩空气温度120±5℃，第二涡轮增压器17转速75000±1000r/min。

步骤三试验状态的转换

具体地，结合图5中箭头所示气流流动示意图，第一涡轮增压器11低温 低速试验状态实现方法：关闭第二气源进气调节阀26；待阀门关闭后，关 闭第一燃油控制阀6，第一副燃烧室8停止工作，将高温燃气切换阀5切换至 第二工作位置，此时主燃烧室3生成的高温燃气经高温燃气切换阀5进入第 二涡轮增压器涡轮16进口，驱动第二涡轮增压器17高速旋转；开启第一气 源进气调节阀1，气源压缩冷空气经第一副燃烧室8进入第一涡轮增压器涡 轮9进口，第一涡轮增压器11进入低温低速工作状态。通过调节第一气源进 气调节阀1，高温燃气切换阀放气调节阀14至第一涡轮增压器涡轮9进口压 缩空气温度120±5℃，第一涡轮增压器11转速75000±1000r/min。

第二涡轮增压器高温高速试验状态实现方法：在高温燃气切换阀5切换 至第二工作位置，主燃烧室3生成的高温燃气经高温燃气切换阀5进入第二 涡轮增压器涡轮16进口，使得第二涡轮增压器17在较高转速下运转；打开 第二燃油控制阀22，雾化燃油与高温燃气在第二副燃烧室20内混合后发生 二次燃烧，进一步提高第二涡轮增压器涡轮16进口温度和转速；由于同时 试验的两台增压器相同，此时，第二涡轮增压器17的涡轮进口温度应为1050 ±5℃，增压器转速130000±1000r/min。若存在差异，调节主气源进气调节 阀28，主燃油供油系统25供油压力或副燃油供油系统24供油压力至主燃烧 室3出口燃气温度在800±5℃左右，第二涡轮增压器17的涡轮进口温度1050 ±5℃，第二涡轮增压器17转速130000±1000r/min。

步骤四周期性高低温冲击的实现

按照高低温冲击试验周期的要求，重复步骤二、步骤三的操作即可实 现第一涡轮增压器11和第二涡轮增压器17周期性高温高速、低温低速的热 冲击可靠性试验。

本实施实例在步骤二仅介绍了第二涡轮增压器17低温低速试验状态实 现方法中第一种实现方式，在实际试验中，第一涡轮增压器11和第二涡轮 增压器17低温低速试验状态实现方法也可采用第二种实现方式和第三种实 现方式。

具体地，第二种实现方式如图3所示，第一涡轮增压器压气机独立供气。 在步骤一的基础上，逐渐小第一压气机出口调节阀，同时开启第一压气机 补气阀和高温燃气切换阀放气调节阀，此时第一压气机出口压缩空气一部 分经第二副燃烧室进入第二涡轮增压器涡轮进口，驱动第二涡轮增压器旋 转；一部分经高温燃气切换阀从高温燃气切换阀放气调节阀流出，对高温 燃气切换阀进行冷却；关闭第二主气源进气调节阀，此时，第二涡轮增压 器由第一涡轮增压器压气机独立供气。调节第一压气机出口调节阀，第一 压气机补气阀和高温燃气切换阀放气调节阀至第二涡轮增压器转速和第二 涡轮增压器涡轮进气温度到试验要求值。

第三种实现方式如图4所示，外气源和第一涡轮增压器压气机联合供 气。在第二种实现方式的基础上，如果完全关闭第一压气机出口调节阀的 情况下仍无法满足第二涡轮增压器低温低速的试验要求时，开启第二气源 进气调节阀，此时气源压缩空气与第一涡轮增压器压气机出口的压缩空气 联合为第二涡轮增压器涡轮进气和高温燃气切换阀冷却气体提供压缩空 气。调节第二气源进气调节阀和高温燃气切换阀放气调节阀至第二涡轮增 压器转速和第二涡轮增压器涡轮进气温度到试验要求值。

以上调节过程可手动调节，也可由专门的控制器实现自动调节。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效 果：

同现有的涡轮增压器可靠性测试试验装置相比，本发明公布的涡轮增 压器热冲击可靠性测试试验台，利用外气源提供的压缩空气实现了涡轮增 压器大范围热冲击可靠性测试，能够同时完成两台涡轮增压器周期性热冲 击可靠性测试试验。该试验台采用高温燃气切换阀两个工作状态的切换解 决了高低温转换过程中燃烧室重复点火的难题；采用副燃烧室对燃气进一 步升温，使得测试涡轮增压器涡轮进口温度能够超过1100℃，极大地提高 了涡轮增压器热冲击测试的温度范围，现有的试验装置则无法做到；副燃 烧室的采用同时降低了对往复运动的高温燃气切换阀的要求，有效地提高 了试验过程中高温燃气切换阀的可靠性。

此外，本发明公布的涡轮增压器热冲击可靠性测试试验台能够利用高 温高速运转的涡轮增压器压气机产生的压缩空气，驱动低温低速运转的涡 轮增压器或对高温燃气切换阀进行冷却，节约了能源。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于 本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。