低速船用柴油機與渦輪增壓器的匹配

廢氣渦輪增壓技術是提高船用柴油機功率、降低燃油消耗率和減少排放的一項重要措施。船用柴油機廢氣渦輪增壓器是在某一確定的靜態(tài)條件下設計的，當投入營運時隨著環(huán)境條件的變化，必然會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、壓氣機出現(xiàn)喘振、廢氣渦輪出現(xiàn)阻塞、柴油機排氣溫度過高等現(xiàn)象，導致柴油機達不到預期的增壓效果。因此，柴油機與增壓器的匹配是否良好，對柴油機的運行起著十分重要的作用。一、WinGD低速柴油機與渦輪增壓器的性能匹配所謂柴油機與增壓器的匹配，嚴格來說應該是柴油機與增壓系統(tǒng)的匹配,即柴油機和增壓器的空氣壓力、流量等參數(shù)的合理匹配，使柴油機的性能（油耗率、排氣溫度、排放物等）達到最優(yōu)。WinGD公司要求所有不同額定功率轉速點的柴油機都要進行增壓器匹配試驗，同時該匹配試驗需在額定轉速功率點進行。5RT-flex50-D柴油機是WinGD公司推出的新型二沖程、單作用、可逆轉、廢氣渦輪增壓器、低速超長沖程船用低速柴油機，該柴油機與渦輪增壓器性能匹配主要目的是使柴油機在不同工況下運行均能達到所需的掃氣壓力、增壓器效率、工作在喘振裕度范圍內，以確保船舶的安全運行。1、增壓器性能參數(shù)的換算（1）參考條件WinGD船用柴油機設計工況及參數(shù)計算是根據ISO3046標準確定的，進行增壓器性能匹配所測的數(shù)據均須轉換為ISO工況條件后再進行參數(shù)對比調節(jié)。ISO標準工況參數(shù)如下:空氣進口溫度:T1≈25℃淡水冷卻劑:t1≈35℃淡水冷卻的掃氣溫度:T2=29℃海水冷卻劑:t2≈35℃海水冷卻的掃氣溫度:T3=25℃CMCR工況排氣背壓:P1=300mmWG≈300Pa（2）ISO工況下掃氣壓力p值根據5RT-flex50-D型柴油機調試指南要求，調整好爆壓和NOX排放，然后再調節(jié)掃氣壓力。額定掃氣壓力取決于柴油機額定功率點平均有效壓力，各額定功率轉速點ISO工況要求的額定掃氣壓力值參照WinGDR-Tuning軟件中數(shù)值，R-Tuning軟件標定了WinGD5RT-flex5O-D柴油機在ISO工況下所有功率轉速點所要求的各項性能參數(shù)值。通過在軟件中輸入機型、額定功率、額定轉速、調校方式等柴油機基本信息參數(shù)，即可計算出該柴油機在ISO狀況下所需的掃氣壓力等信息。玉柴船舶動力股份有限公司生產的5RT-flex50-D主機在額定功率點、ISO工況下運行時，主機所要求達到的掃氣壓力值為0.34Mpa。當主機穩(wěn)定運行在額定功率點時，通過讀取安裝在主機掃氣箱上面的壓力表，讀取掃氣壓力和當前環(huán)境工況等參數(shù)值輸入WinGDR-Tuning軟件，通過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行比較，根據兩者數(shù)值的差異進行增壓器噴嘴環(huán)和排氣節(jié)流孔板大小的調節(jié)。如此循環(huán)調節(jié)，直至換算后的掃氣壓力值與R-Tuning軟件中ISO標準狀況所須掃氣壓力值相符。當主機完成在額定功率點與增壓器掃氣壓力匹配調節(jié)后，為了驗證主機在其它功率點掃氣壓力是否同樣滿足ISO標準狀況下掃氣壓力，WinGDR-Tuning軟件提供了主機在50%額定功率點、ISO工況下運行時所要求的掃氣壓力值。通過同樣的換算方法進行掃氣壓力對比后，調節(jié)噴嘴環(huán)和排氣節(jié)流孔板大小。當主機在100%額定功率點和50%額定功率點運行時，主機實際掃氣壓力換算成ISO狀況下掃氣壓力均能滿足WinGDR-Tuning軟件中所要求的掃氣壓力數(shù)值時，說明這臺主機與增壓器掃氣壓力匹配成功。2、增壓器效率nT/C（1）對增壓器效率n的要求增壓器與柴油機匹配過程中，增壓器的效率是衡量柴油機工作的重要參數(shù)之一，但增壓器效率并非越高越好，只有當增壓器效率滿足在要求范圍內，才能符合柴油機最佳運行需要。根據每―種機型設計的平均有效壓力、進氣口高度和調校模式，計算出在不同調校模式下增壓器效率的要求，在柴油機與增壓器匹配試驗過程中，須滿足增壓器效率范圍的要求值。（2）增壓器效率誤差范圍每臺增壓器零部件的結構都會對柴油機部分載荷下的性能產生影響，所以對部分載荷下增壓器效率給出了一個誤差范圍，負荷在50%到100%CMCR之間時，增壓器效率誤差應不超過要求值的+/-1%，低于50%時增壓器效率值應不低于要求值的1%，同時要求增壓器不得犧牲部分載荷的效率來達到CMCR點的高效率。三、渦輪增壓器的喘振渦輪增壓器在排氣能量的推動下，帶動壓氣機工作，實現(xiàn)進氣的增壓。在運轉過程中，當壓氣機的流量減小到一定值時，氣體進入工作葉輪和擴壓器的方向偏離設計工況，造成氣流從葉片或擴壓器上強烈分流，同時產生強烈脈動，并有氣體倒流，導致壓氣機振動，并發(fā)出沉重喘息聲和吼叫聲，這種現(xiàn)象稱為壓氣機的喘振。柴油機喘振通常發(fā)生在增壓器轉子轉速較高以及氣體流量較低時，主機偏離正常運行工況時會導致壓縮機喘振線或主機運行線的偏移。為避免增壓器喘振，應確保主機在所有工況下喘振裕度都能達到15%。1、增壓器喘振裕度喘振是一種典型的渦輪增壓器現(xiàn)象，當離心式壓氣機作為增壓器的增壓元件和柴油機配合工作時，壓氣機必須滿足柴油機對它提出的空氣量和壓力的要求。根據WinGD5RT-flex50-D柴油機在各種負荷下對壓氣機所要求的空氣量和壓縮比的變化，繪制5RT-flex50-D柴油機與增壓器壓氣機工作特性曲線（圖1)，圖中operatingline為柴油機和增壓器的設計配合工作線，壓氣機只有在黑色曲線周圍區(qū)域工作，才能滿足柴油機的要求。因此在柴油機和增壓器配合工作時，要注意不要使壓氣機的工作狀況落在黑色區(qū)域內，也不要與喘振線靠得太近，以保證增壓器和柴油機能安全可靠地運行。試驗表明，在大多數(shù)情況下，改變葉片擴壓器的喉口面積和葉片進口角度能使壓氣機特性曲線左右移動。2、喘振裕度穩(wěn)定性試驗當完成主機磨合與調試程序后，增壓器應核實喘振裕度以確保運行的可靠性，因此需進行增壓器穩(wěn)定性試驗，該試驗分為如下三個步驟:(1)當柴油機在額定功率轉速點穩(wěn)定運行后，記錄增壓器各位置點性能參數(shù);(2）主機在CMCR點運行時，增壓器喘振的數(shù)據，應按照圖2中“S”線逐步增加排氣背壓;(3）在“S”線下運行增壓器未產生喘振，說明增壓器喘振裕度足夠，增壓器喘振穩(wěn)定試驗成功;如果產生喘振，則需要根據增壓器廠商建議更改增壓器擴壓環(huán)設計。喘振是壓氣機的固有特性，是沒有辦法避免的，特別是低速及燃燒重渣油的船用二沖程柴油機。由于船用低速柴油機增壓系統(tǒng)中氣體需要經過以下十大環(huán)節(jié):空氣濾網、壓氣機、空冷器、中冷器、掃氣箱、進氣口、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，不僅要加強增壓器的檢測與保養(yǎng)，還要對柴油機的工作狀況及時檢測。四、柴油機與增壓器匹配成功的特性當柴油機與廢氣渦輪增壓器各項參數(shù)匹配完成后，柴油機與增壓器配合的使用性能應滿足以下三方面的要求:(1）在額定功率轉速點，必須達到預定的掃氣壓力及空氣流量，并有足夠的過量空氣系數(shù)，使燃燒完全、油耗率低;(2）在低功率（低速、低負荷)時，也必須有一定的空氣量，以滿足燃燒及降低熱負荷的要求;(3)在整個運轉范圍內，不發(fā)生增壓器喘振與堵塞現(xiàn)象。五、結論(1）柴油機與增壓器匹配試驗過程中，實際的環(huán)境工況應轉化為ISO工況進行計算，以得到柴油機所需的掃氣壓力值。(2）柴油機與增壓器匹