低速船用柴油機(jī)與渦輪增壓器的匹配

馬帥+吳亞飛+鄧健星

摘 要：通過(guò)玉柴船舶動(dòng)力股份有限公司生產(chǎn)的WinGD 5RT-flex50-D低速船用柴油機(jī)與ABB增壓器的匹配試驗(yàn)，研究渦輪增壓器與柴油機(jī)的良好配合，以使柴油機(jī)獲得預(yù)期的增壓效果并使增壓器能在各種負(fù)荷下高效穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，影響低速船用柴油機(jī)與增壓器匹配的主要因素有柴油機(jī)掃氣壓力值、增壓器效率和柴油機(jī)喘振裕度值。同時(shí)試驗(yàn)說(shuō)明，柴油機(jī)與渦輪增壓器的匹配試驗(yàn)是一個(gè)綜合平衡整機(jī)各項(xiàng)性能的一個(gè)重要過(guò)程。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；增壓器；掃氣壓力

中圖分類號(hào)：U664.121 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：This paper researches the good coordination of turbocharger and diesel engine by the matching test of the low-speed marine diesel engine WinGD 5RT-flex50-D produced by Yuchai Marine Power Co.， Ltd. and ABB turbocharger to get the expected supercharging effect and ensures the effective and stable operation of supercharger under various loads. The test results show that the main factors influencing the matching of low-speed Marine diesel engine and supercharger include diesel engine scavenging pressure value， the efficiency of supercharger and the diesel engine surge margin value. The test shows at the same time， diesel engine and turbocharger matching test is an important process of comprehensive balance for the whole machine performance.

Keywords：Diesel engine；Turbocharger；Scavenging pressure

1 前言

廢氣渦輪增壓技術(shù)是提高船用柴油機(jī)功率、降低燃油消耗率和減少排放的一項(xiàng)重要措施。

船用柴油機(jī)廢氣渦輪增壓器是在某一確定的靜態(tài)條件下設(shè)計(jì)的，當(dāng)投入營(yíng)運(yùn)時(shí)隨著環(huán)境條件的變化，必然會(huì)引起渦輪增壓器性能的改變，出現(xiàn)諸如增壓器工作不穩(wěn)定、壓氣機(jī)出現(xiàn)喘振、廢氣渦輪出現(xiàn)阻塞、柴油機(jī)排氣溫度過(guò)高等現(xiàn)象，導(dǎo)致柴油機(jī)達(dá)不到預(yù)期的增壓效果。因此，柴油機(jī)與增壓器的匹配是否良好，對(duì)柴油機(jī)的運(yùn)行起著十分重要的作用。

2 WinGD低速柴油機(jī)與渦輪增壓器的性能匹配

所謂柴油機(jī)與增壓器的匹配，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)應(yīng)該是柴油機(jī)與增壓系統(tǒng)的匹配，即柴油機(jī)和增壓器的空氣壓力、流量等參數(shù)的合理匹配，使柴油機(jī)的性能（油耗率、排氣溫度、排放物等）達(dá)到最優(yōu)。WinGD公司要求所有不同額定功率轉(zhuǎn)速點(diǎn)的柴油機(jī)都要進(jìn)行增壓器匹配試驗(yàn)，同時(shí)該匹配試驗(yàn)需在額定轉(zhuǎn)速功率點(diǎn)進(jìn)行。

5RT-flex50-D柴油機(jī)是WinGD公司推出的新型二沖程、單作用、可逆轉(zhuǎn)、廢氣渦輪增壓器、低速超長(zhǎng)沖程船用低速柴油機(jī)，該柴油機(jī)與渦輪增壓器性能匹配主要目的是使柴油機(jī)在不同工況下運(yùn)行均能達(dá)到所需的掃氣壓力、增壓器效率、工作在喘振裕度范圍內(nèi)，以確保船舶的安全運(yùn)行。

2.1 增壓器性能參數(shù)的換算

2.1.1 參考條件

WinGD船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)工況及參數(shù)計(jì)算是根據(jù)ISO3046標(biāo)準(zhǔn)確定的，進(jìn)行增壓器性能匹配所測(cè)的數(shù)據(jù)均須轉(zhuǎn)換為ISO工況條件后再進(jìn)行參數(shù)對(duì)比調(diào)節(jié)。

ISO標(biāo)準(zhǔn)工況參數(shù)如下：

空氣進(jìn)口溫度： T1 = 25 °C

淡水冷卻劑： t1≈35 °C

淡水冷卻的掃氣溫度： T2 = 29 °C

海水冷卻劑： t2≈35 °C

海水冷卻的掃氣溫度： T3 = 25 °C

CMCR工況排氣背壓： P1= 300 mm WG≈300 Pa

2.1.2 ISO工況下掃氣壓力p值

根據(jù)5RT‐flex50-D型柴油機(jī)調(diào)試指南要求，調(diào)整好爆壓和NOX排放，然后再調(diào)節(jié)掃氣壓力。額定掃氣壓力取決于柴油機(jī)額定功率點(diǎn)平均有效壓力，各額定功率轉(zhuǎn)速點(diǎn)ISO工況要求的額定掃氣壓力值參照WinGD R-Tuning軟件中數(shù)值，R-Tuning軟件標(biāo)定了WinGD 5RT-flex50-D柴油機(jī)在ISO工況下所有功率轉(zhuǎn)速點(diǎn)所要求的各項(xiàng)性能參數(shù)值。通過(guò)在軟件中輸入機(jī)型、額定功率、額定轉(zhuǎn)速、調(diào)校方式等柴油機(jī)基本信息參數(shù)，即可計(jì)算出該柴油機(jī)在ISO狀況下所需的掃氣壓力等信息。

玉柴船舶動(dòng)力股份有限公司生產(chǎn)的5RT-flex50-D主機(jī)在額定功率點(diǎn)、ISO工況下運(yùn)行時(shí)，主機(jī)所要求達(dá)到的掃氣壓力值為0.34 Mpa。

當(dāng)主機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在額定功率點(diǎn)時(shí)，通過(guò)讀取安裝在主機(jī)掃氣箱上面的壓力表，讀取掃氣壓力和當(dāng)前環(huán)境工況等參數(shù)值輸入WinGD R-Tuning軟件，通過(guò)軟件中的換算公式換算成ISO狀況下掃氣壓力數(shù)值，將換算后的掃氣壓力數(shù)值與R-Tuning軟件中要求的掃氣壓力值進(jìn)行比較，根據(jù)兩者數(shù)值的差異進(jìn)行增壓器噴嘴環(huán)和排氣節(jié)流孔板大小的調(diào)節(jié)。如此循環(huán)調(diào)節(jié)，直至換算后的掃氣壓力值與R-Tuning軟件中ISO標(biāo)準(zhǔn)狀況所須掃氣壓力值相符。endprint

當(dāng)主機(jī)完成在額定功率點(diǎn)與增壓器掃氣壓力匹配調(diào)節(jié)后，為了驗(yàn)證主機(jī)在其它功率點(diǎn)掃氣壓力是否同樣滿足ISO標(biāo)準(zhǔn)狀況下掃氣壓力，WinGD R-Tuning軟件提供了主機(jī)在50%額定功率點(diǎn)、ISO工況下運(yùn)行時(shí)所要求的掃氣壓力值。通過(guò)同樣的換算方法進(jìn)行掃氣壓力對(duì)比后，調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)和排氣節(jié)流孔板大小。

當(dāng)主機(jī)在100%額定功率點(diǎn)和50%額定功率點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，主機(jī)實(shí)際掃氣壓力換算成ISO狀況下掃氣壓力均能滿足WinGD R-Tuning軟件中所要求的掃氣壓力數(shù)值時(shí)，說(shuō)明這臺(tái)主機(jī)與增壓器掃氣壓力匹配成功。

2.2 增壓器效率ηT/C

2.2.1 對(duì)增壓器效率η的要求

增壓器與柴油機(jī)匹配過(guò)程中，增壓器的效率是衡量柴油機(jī)工作的重要參數(shù)之一，但增壓器效率并非越高越好，只有當(dāng)增壓器效率滿足在要求范圍內(nèi)，才能符合柴油機(jī)最佳運(yùn)行需要。根據(jù)每一種機(jī)型設(shè)計(jì)的平均有效壓力、進(jìn)氣口高度和調(diào)校模式，計(jì)算出在不同調(diào)校模式下增壓器效率的要求，在柴油機(jī)與增壓器匹配試驗(yàn)過(guò)程中，須滿足增壓器效率范圍的要求值。

2.2.2 增壓器效率誤差范圍

每臺(tái)增壓器零部件的結(jié)構(gòu)都會(huì)對(duì)柴油機(jī)部分載荷下的性能產(chǎn)生影響，所以對(duì)部分載荷下增壓器效率給出了一個(gè)誤差范圍，負(fù)荷在50%到100%CMCR之間時(shí)，增壓器效率誤差應(yīng)不超過(guò)要求值的+/-1%，低于50%時(shí)增壓器效率值應(yīng)不低于要求值的1%，同時(shí)要求增壓器不得犧牲部分載荷的效率來(lái)達(dá)到CMCR點(diǎn)的高效率。

3 渦輪增壓器的喘振

渦輪增壓器在排氣能量的推動(dòng)下，帶動(dòng)壓氣機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣的增壓。在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)壓氣機(jī)的流量減小到一定值時(shí)，氣體進(jìn)入工作葉輪和擴(kuò)壓器的方向偏離設(shè)計(jì)工況，造成氣流從葉片或擴(kuò)壓器上強(qiáng)烈分流，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動(dòng)，并有氣體倒流，導(dǎo)致壓氣機(jī)振動(dòng)，并發(fā)出沉重喘息聲和吼叫聲，這種現(xiàn)象稱為壓氣機(jī)的喘振。

柴油機(jī)喘振通常發(fā)生在增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高以及氣體流量較低時(shí)，主機(jī)偏離正常運(yùn)行工況時(shí)會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)喘振線或主機(jī)運(yùn)行線的偏移。為避免增壓器喘振，應(yīng)確保主機(jī)在所有工況下喘振裕度都能達(dá)到15%。

3.1 增壓器喘振裕度

喘振是一種典型的渦輪增壓器現(xiàn)象，當(dāng)離心式壓氣機(jī)作為增壓器的增壓元件和柴油機(jī)配合工作時(shí)，壓氣機(jī)必須滿足柴油機(jī)對(duì)它提出的空氣量和壓力的要求。根據(jù)WinGD 5RT-flex50-D柴油機(jī)在各種負(fù)荷下對(duì)壓氣機(jī)所要求的空氣量和壓縮比的變化，繪制5RT-flex50-D柴油機(jī)與增壓器壓氣機(jī)工作特性曲線（圖1），圖中operating line為柴油機(jī)和增壓器的設(shè)計(jì)配合工作線，壓氣機(jī)只有在黑色曲線周圍區(qū)域工作，才能滿足柴油機(jī)的要求。因此在柴油機(jī)和增壓器配合工作時(shí)，要注意不要使壓氣機(jī)的工作狀況落在黑色區(qū)域內(nèi)，也不要與喘振線靠得太近，以保證增壓器和柴油機(jī)能安全可靠地運(yùn)行。試驗(yàn)表明，在大多數(shù)情況下，改變?nèi)~片擴(kuò)壓器的喉口面積和葉片進(jìn)口角度能使壓氣機(jī)特性曲線左右移動(dòng)。

3.2 喘振裕度穩(wěn)定性試驗(yàn)

當(dāng)完成主機(jī)磨合與調(diào)試程序后，增壓器應(yīng)核實(shí)喘振裕度以確保運(yùn)行的可靠性，因此需進(jìn)行增壓器穩(wěn)定性試驗(yàn)，該試驗(yàn)分為如下三個(gè)步驟：

（1）當(dāng)柴油機(jī)在額定功率轉(zhuǎn)速點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行后，記錄增壓器各位置點(diǎn)性能參數(shù)；

（2）主機(jī)在CMCR點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，增壓器喘振的數(shù)據(jù)，應(yīng)按照?qǐng)D2中“S”線逐步增加排氣背壓；

（3）在“S”線下運(yùn)行增壓器未產(chǎn)生喘振，說(shuō)明增壓器喘振裕度足夠，增壓器喘振穩(wěn)定試驗(yàn)成功；如果產(chǎn)生喘振，則需要根據(jù)增壓器廠商建議更改增壓器擴(kuò)壓環(huán)設(shè)計(jì)。

喘振是壓氣機(jī)的固有特性，是沒(méi)有辦法避免的，特別是低速及燃燒重渣油的船用二沖程柴油機(jī)。由于船用低速柴油機(jī)增壓系統(tǒng)中氣體需要經(jīng)過(guò)以下十大環(huán)節(jié)：空氣濾網(wǎng)、壓氣機(jī)、空冷器、中冷器、掃氣箱、進(jìn)氣口、排氣管、廢氣渦輪、煙囪，只要其中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障或者阻塞就可能引起增壓器喘振。因此，為避免增壓器的喘振，不僅要加強(qiáng)增壓器的檢測(cè)與保養(yǎng)，還要對(duì)柴油機(jī)的工作狀況及時(shí)檢測(cè)。

4 柴油機(jī)與增壓器匹配成功的特性

當(dāng)柴油機(jī)與廢氣渦輪增壓器各項(xiàng)參數(shù)匹配完成后，柴油機(jī)與增壓器配合的使用性能應(yīng)滿足以下三方面的要求：

（1）在額定功率轉(zhuǎn)速點(diǎn)，必須達(dá)到預(yù)定的掃氣壓力及空氣流量，并有足夠的過(guò)量空氣系數(shù)，使燃燒完全、油耗率低；

（2）在低功率（低速、低負(fù)荷）時(shí)，也必須有一定的空氣量，以滿足燃燒及降低熱負(fù)荷的要求；

（3）在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，不發(fā)生增壓器喘振與堵塞現(xiàn)象。

5 結(jié)論

（1）柴油機(jī)與增壓器匹配試驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)際的環(huán)境工況應(yīng)轉(zhuǎn)化為ISO工況進(jìn)行計(jì)算，以得到柴油機(jī)所需的掃氣壓力值。

（2）柴油機(jī)與增壓器匹配試驗(yàn)中，增壓器運(yùn)行效率并非越高越好，應(yīng)根據(jù)增壓器的類型和柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況等綜合因素進(jìn)行考慮，以得出所要求的增壓器運(yùn)行效率值。

（3）當(dāng)柴油機(jī)與增壓器型號(hào)選定后，增壓器的匹配主要通過(guò)調(diào)節(jié)增壓器的噴嘴環(huán)和擴(kuò)壓器的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（4）柴油機(jī)與增壓器的匹配，實(shí)際上就是柴油機(jī)掃氣壓力、增壓器效率、喘振裕度綜合性能的一種平衡。

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