某型柴油機渦輪增壓器換型配機方案分析

黃家田，張 楠

（1.海軍青島地區裝備修理監修室，青島 266001；2.上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

某船安裝了兩臺6E390DZC型柴油主機，單機功率2207kW(3000PS)。其左主機原有的兩臺50ZP-Ⅲ型渦輪增壓器中，1#增壓器轉子部件嚴重損壞而報廢，導致主機長期降負荷使用，影響該船動力性能的正常發揮。因原型增壓器已被淘汰，又無配件可修復，因而采取了換型配機的方案，用VTR320型取代50ZP-Ⅲ型。但出于節省費用等方面的考慮，只更換了一臺增壓器，由此而出現了兩臺不同型號的渦輪增壓器同機運行的特殊事例。文章對這種特殊的換型配機方案的可行性作了分析，在此基礎上進行了配機試驗，實驗證明取得了良好效果。

1 柴油機串聯增壓系統的組成

6E390 DZC型柴油機的增壓系統由兩組渦輪增壓器與羅茨風機串聯組成。渦輪采取脈沖增壓，每臺渦輪與三個缸的排氣管連接。一級增壓空氣經中冷后，再經羅茨風機增壓，進入柴油機的共用掃氣箱。

2 渦輪增壓器的選型和主要技術參數

50ZP-Ⅲ型渦輪增壓器是國內70年代的改型產品，專為6E390DZC柴油機配機所用，已被淘汰。該型增壓器與目前應用的VTR系列增壓器相比，性能指標相對落后，以下是兩種渦輪增壓器的壓氣機特性圖（圖1，圖2）和主要技術參數（表1）。

3 渦輪增壓器與柴油機的配合估算

采用帶有羅茨風機串聯增壓系統的船用主機，當主機低負荷運行時，可由羅茨風機提供其所需的空氣量。當主機高負荷運行時，可由渦輪增壓器提供其所需的空氣量。此時羅茨風機基本處于卸荷狀態。因此，當更換渦輪增壓器時，應以主機高負荷時各個運行點所需的空氣流量與壓力進行估算。

渦輪增壓器與船用主機的配合，按推進特性選取100%，90%，80%，70%四個運行點，各運行點所需的空氣流量與壓力參照以下公式估算。

圖1 50ZP-Ш型渦輪增壓器壓氣機特性曲線圖

表1 50ZP-Ⅲ型渦輪增壓器參數

其中：Gk為流量，kg/s；Ne為柴油機功率，Ps；qa為柴油機耗氣率。

其中：πk為壓比，Pk為增壓壓力（kg/s），Po為進口壓力（kg/cm2）。

其中：Pe為平均有效壓力，kg/cm2；Ne為柴油機功率，3000Ps；n為轉速，500r/min；i為沖程數，二沖程；D為缸徑，390mm；Z為缸數，6缸；S為活塞行程，450mm。

3.1 經估算各工作點所需的空氣流量與壓力值

表2計算得出柴油機各運行點所需的空氣流量與壓力值，分別標在50ZP-Ⅲ型以及VTR320型渦輪壓氣機特性曲線圖上，得出柴油機和渦輪增壓器的聯合工作運行線（圖1，圖2）。

圖2 VTR320型渦輪增壓器壓氣機特性曲線圖

表2 各工作點所需的空氣流量與壓力值

4 渦輪增壓器與柴油機換型配合的可行性分析

4.1 兩型渦輪增壓器同機運行的配合情況

1）50ZP—Ⅲ型渦輪增壓器

圖1所示，聯合運行線通過壓氣機的高效區，且與喘振線基本平行，喘振裕度在10%～15%的范圍內，但當柴油機在100%負荷時，工作點越過高效區。以上情況表明，該型增壓器與柴油機的配合，能提供所需的空氣量，能平穩聯合工作。但由于其效率較低，當柴油機在100%負荷工作時，油耗和排溫可能增大。

2）VTR320型渦輪增壓器

圖2所示，聯合運行線通過75%～78%的效率區，距喘振線較遠，喘振裕度偏大。以上情況表明，由于該型增壓器效率較高，聯合運行線未通過其高效區，未能充分發揮增壓器的效率，但運行線所處區域仍可滿足柴油機高負荷時空氣量的需要，能平穩聯合工作。

4.2 兩型渦輪增壓器在串聯增壓系統中的配合情況

在渦輪增壓器與羅茨風機組成的串聯增壓系統中，兩臺效率不同的渦輪增壓器同機運行，由于流量和壓力存在一定的差異，尤其在高負荷情況下，能否對柴油機的正常工作產生不良影響，是這次換型配機方案主要考慮的問題，以下是對可能出現的情況所做的分析。

1）渦輪增壓器與羅茨風機在串聯增壓系統中的配合特性

在串聯增壓系統中，容積式壓氣機的負荷隨著柴油機流量的變化而變化。當柴油機低負荷時，渦輪增壓器壓氣機不能提供柴油機所需的空氣量，而羅茨風機可以滿足柴油機的空氣量。當柴油機高負荷時，渦輪增壓器壓氣機中壓力升高，能滿足柴油機空氣量需要時，羅茨風機可以大部分或全部卸荷。

圖3為帶有羅茨風機串聯系統中二沖程柴油機增壓壓力Pk與容積流量Vo的特性圖。圖中曲線1表示柴油機流量特性，曲線2表示柴油機在空載時羅茨風機的壓力流量特性，曲線3表示柴油機部分負荷時羅茨風機的壓力流量特性。a點為羅茨風機在柴油機空載時，從大氣狀態吸入空氣，ac線表示當柴油機由空載到全負荷時，羅茨風機逐漸卸荷的情況。

2）兩型渦輪增壓器高負荷工作時的影響情況

由圖3可知，當柴油機空載或低負荷時，廢氣能量小，渦輪增壓器不能滿足柴油機所需的空氣量，而羅茨風機可提供柴油機所需的空氣量，因此，兩臺渦輪增壓器參數雖有一定差異，但在低負荷時同機運行不會對柴油機產生不良影響。

當柴油機負荷越高時，廢氣能量越大，此時，兩臺渦輪增壓器由于效率不同，產生的壓力和流量也不同，效率高的增壓器的壓力和流量將高于效率低的增壓器。經兩組渦輪增壓的空氣進入共用掃氣箱后，掃氣箱內的平均壓力將高于效率低的增壓器的出口壓力，對效率低的增壓器形成背壓。由于柴油機采用串聯增壓方式，羅茨風機是機械傳動的，而羅茨風機的轉子可以有效的阻止掃氣箱內的氣體倒流，所以，掃氣箱內雖有背壓，對效率低的增壓器也不會造成干擾。掃氣箱內壓力的升高將使柴油機的燃燒工況得到改善。因而，采用羅茨風機的串聯增壓系統，為渦輪增壓器換型配機的工作平穩提供了可靠保障。

圖3 帶有羅茨風機的二沖程柴油機串聯增壓系統壓力流量特性

表3 排煙溫度參數表

5 換型配機后的效果

左主機渦輪增壓器換型配機后，經過航行試驗，在其它參數正常情況下，排煙溫度參數如表3所示。

從排煙溫度可以看出，增壓器換型配機后，柴油機的排煙溫度與標準還留有較大余地，排煙煙色正常，表明柴油機與增壓器的配合良好。主機轉速由原400r/min增加至480r/min，因航速已滿足使用，沒有再增加轉速。

6 結束語

采用兩臺不同效率的渦輪增壓器的配機方案，是根據該型柴油機所采用的容積式串聯增壓系統的特點而定的。主要利用機械驅動的容積式壓氣機的結構特點，避免了兩臺不同效率的渦輪增壓器在高負荷時可能出現的干擾現象。換型配機方案的成功實施，解決了一項長期未決的問題，不僅節省了一臺增壓器，同時解決了該船長期以來主機降負荷的問題，恢復了其動力性能。

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