基于动态压力测量的压气机失速测试结构及测试方法

摘要

本发明提供了一种基于动态压力测量的压气机失速测试结构，包括压气机蜗壳、压气机叶轮、压气机背盘和传感器，所述压气机蜗壳固定于压气机背盘上，压气机叶轮固定于转轴上，转轴与压气机背盘通过密封结构进行配合，与轴承座相连；所述压气机背盘的扩压器侧壁中部位置沿周向布置多个用于安装传感器的传感器底座；所述传感器为高频响应动态压力传感器，在传感器底座上设有压力测试孔。本发明具有以下优势：基于易于实现和布置的壁面静压测试手段，通过在压气机静止件周向位置布置多个动态压力测试传感器，获得壁面静态压力随时间的变化特征，捕获离心压气机失速发生工况、特征，以较小的投入完成原型压气机失速测试。

说明书

技术领域

本发明属于离心压气机测试技术领域，尤其是涉及一种基于动态压力测量的压气 机失速测试结构。

背景技术

涡轮增压发动机能够提高燃油经济性和降低排放，随着能源的紧张以及日趋严格 的环境法规和排放要求，涡轮增压迎来了新的挑战和广阔的市场。车用涡轮增压发动机功 率密度强化提升，EGR、SCR等满足排放要求的排气系统处理装置，以及变海拔环境适应性等 要提出了高压比和宽稳定工作范围离心压气机的需求。然而伴随着增压比的提高，离心压 气机内部流动趋于复杂，而其稳定工作范围急剧变窄、效率下降，单纯依赖现有CFD数值模 拟技术已难以有效把握内部流动状态，获得可靠的设计结果。为拓展高压比状态稳定工作 范围及提高效率，开展压气机失速和内部流动演化、流动控制成为当前的研究热点。而基于 并行计算CFD非定常数值模拟的研究手段耗费巨大硬件资源且难以有效把握真实的过程， 对失速特征和演化过程进行测试研究成为发展必须。

在测试方面，开展离心压气机失速测量可通过激光测速等内部流动测试手段来实 现，但是由于涡轮增压器离心压气机高转速、小尺度的特点，测试难度大、成本高，尤其是激 光测速，即使采用模型放大、抽象等技术，也难以有效捕捉内部流动失速特征。国内对涡轮 增压器原型离心压气机失速测试的研究处于起步阶段，所公开的研究结果较少。

国外曾有学者采用动态压力结合叶片振动进行失速测试，方法中由于增加叶片振 动测量，其成本增大、难度趋于复杂，并且根据公开资料，均在直径200㎜以上的大直径叶轮 或放大模型上获得，许多还进行了模型抽象，比如改变扩压器和蜗壳结构等；没有发现有关 在涡轮增压器离心压气机原型机上进行失速测量的公开资料。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于动态压力测量的压气机失速测试结构，以获 得涡轮增压器原型离心压气机失速发生工况、失速特征。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于动态压力测量的压气机失速测试结构，包括压气机蜗壳、压气机叶轮、压 气机背盘和传感器，所述压气机蜗壳固定于压气机背盘上，压气机叶轮固定于转轴上，转轴 与压气机背盘通过密封结构进行配合，与轴承座相连；所述压气机叶轮与压气机背盘、压气 机蜗壳为间隙配合；所述压气机背盘的扩压器侧壁中部位置沿周向布置多个用于安装传感 器的传感器底座；所述传感器为高频响应动态压力传感器，在传感器底座上设有压力测试 孔。

进一步的，所述压气机背盘的扩压器侧壁中部直径120mm位置沿周向布置多个传 感器底座。

进一步的，所述压气机背盘的扩压器侧壁中部位置沿周向布置三个传感器底座， 依次安装1号传感器、2号传感器、3号传感器；所述2号传感器与1号传感器周向相差40°，3号 传感器与1号传感器周向相差150°。

进一步的，所述高频响应动态压力传感器的采集线通过螺纹联接、密封等方式固 定于安装在相应的传感器底座上，传感器底座通过螺纹联接固定在压气机背盘上。

进一步的，所采用的压气机背盘的扩压器侧壁中部直径布置位置可以沿流动方向 向上游压气机叶轮进口、叶轮轮缘移动。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

(1)基于易于实现和布置的壁面静压测试手段，通过在压气机静止件周向位置布 置多个动态压力测试传感器，获得壁面静态压力随时间的变化特征，捕获离心压气机失速 发生工况、特征，以较小的投入完成原型压气机失速测试；还可通过备用3号传感器，具备验 证失速测试结果一致性的功能；

(2)测试结构基于原型样机，结构简单，容易实现。

附图说明

构成本发明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为本发明实施例所述基于动态压力测量的压气机失速测试结构的总体结构示 意图，a为各零部件剖面图，b为传感器周向位置布置示意图的；

图2为本发明实施例所述基于动态压力测量的压气机失速测试结构的装配示意 图，a为压气机叶轮与蜗壳关系图，b为动态压力传感器安装底座、压气机背盘和压气机蜗壳 关系图，c为各零部件分解结构图。

附图标记说明：

1-压气机蜗壳，2-压气机叶轮，3-压气机背盘，4-传感器，5-1号传感器，6-2号传感 器，7-3号传感器，8-采集线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

基于动态压力测量的压气机失速测试结构，如图1所示，包括压气机蜗壳1、压气机 叶轮2、压气机背盘3、传感器4，所述压气机蜗壳1通过螺栓、压板固定于压气机背盘3上，压 气机叶轮2通过转轴的轴端螺母固定于转轴上，转轴与压气机背盘3通过密封结构进行配 合，与轴承座相连；所述压气机叶轮2与压气机背盘3、压气机蜗壳1为间隙配合。

所述压气机背盘3的扩压器侧壁中部直径120mm位置沿周向布置3个传感器底座， 依次安装1号传感器5、2号传感器6、3号传感器7，2号传感器6与1号传感器5的周向相差40°， 3号传感器7与1号传感器5的周向相差150°；所述传感器4为高频响应动态压力传感器，高频 响应动态压力传感器的采集线8通过螺纹联接、密封等方式固定于安装在相应的传感器底 座上，传感器底座通过螺纹联接固定在压气机背盘3上，在传感器底座上设计压力测试孔。 所采用的压气机背盘3的扩压器侧壁中部直径布置位置可以沿流动方向向上游压气机叶轮 进口、叶轮轮缘移动。

工作过程为：

压气机扩压器内部流动的壁面静压动态分布情况，通过压气机背盘3上周向布置 的1号传感器5、2号传感器6、3号传感器7导出响应信号，通过采集和信号处理系统，对采集 的实时压力数据进行快速傅氏变化和小波处理，可获得失速时信号压力分布如下：

(式1)

其中：p是动态压力信号，P动态压力最大振幅；ω_ST是动态压力转速；为两个传 感器相差角度，对于应用实例，2号传感器和1号传感器相差40°；m为失速胞数，是指沿周向 等间隔将叶轮通道分开区域的数目，表征了失速流动沿周向扭曲的形态。

结合失速胞数关系式：

(式2)

其中：K为整数(-3、-2、-1、0、1、2、3)。

可以获得失速胞数、传递方向(失速胞数的正负)，失速传递转速等测量参数，结合 增压器总体性能试验平台，可以获得失速工况等参数。同时，利用采集的3号传感器7和1号 传感器5的数据，可以对测试结果进行对比确认。

本发明可以在离心压气机原型样机上测量失速发生工况、失速特征，可向上游移 动以测试扩压器位置失速、叶轮位置失速。同时周向布置了验证测试点来保证测试一致性。 测试结构基于原型样机，结构简单，容易实现。可测量失速发生工况，失速胞数、失速传递方 向、转速等特征参数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。