（轮机工程专业论文）环境条件对船舶主机涡轮增压器特性的影响研究.pdf

摘要 了解环境温度对涡轮增压器的影响，采取何种措施保证柴油机安全可靠地运 行，同时又满足使用要求，这是柴油机制造者及用户历来关心的问题。 本论文对船用柴油机及其涡轮增压器特性参数随环境温度的变化进行了较深 入的研究。 首先，本文介绍了船用柴油机涡轮增压器特性及其数值计算，并对空冷器进 行了数学建模。 然后，用图解法对涡轮增压器特性参数随环境温度的变化进行了理论分析， 得出了其主要参数随环境温度变化的变化趋势。又以淄博柴油机厂生产的 6 2 1 0 z 。c 一3 型船用主柴油机( 配v t r 2 0 1 2 n 型废气涡轮增压器) 为例，用g t s u i t e 中的g t p o w e r 软件模拟计算环境条件的变化对船用柴油机及其涡轮增压器特性的 影响。 最后，文章分别计算了低温条件下采用增压空气旁通装置和提高扫气温度两 种方法来降低柴油机爆压的效果。对比分析后认为采用增压空气旁通装置简便易 行，效果较好，进而提出了对增压空气旁通装置的改进设想。 所获结论有助于轮机管理人员对不同环境温度下涡轮增压柴油机的工作性能 正确地认识和理解，以采取相应的管理措施。 关键词：船用涡轮增压柴油机；涡轮增压器：环境温度 s t u d yo n t h ei n f l u e n c eo fa m b i e n tc o n d i t i o no nt u r b o c h a r g e ro f m a r i n ed i e s e le n g i n e a b s t r a c l ： m a r i n ed i e s e lm a n u f a c t u r e r sa n du s e r sa l w a y sc o n c e r nt h em a t t e ro ft h ei n f l u e n c e o fa m b i e n tt e m p e r a t u r eo nt u r b o c h a r g e r a n dw h a tm e a s u r e st h e ys h o u l dt a k et oe n s u r e t h ed i e s e lw o r ks a f e l ya n dr e l i a b l y , t os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f o p e r a t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec o m p r e s s o r sp a r a m e t e r s ，w h i c hv a r yw i t ht h ec h a n g eo f a m b i e n tt e m p e r a t u r e a tf i r s t ，i ti n t r o d u c e st h ep e r f o r m a n c ea n da r i t h m e t i ca n a l y s i so ft h et u r b o c h a r g e r o fm a r i n ed i e s e le n g i n e ，t h e nb u i l d sm a t h e m a t i cm o d e lf o rt h ea i rc o o l e r s e c o n d l y , t h ep a p e rs t u d i e s t h er e l a t i o nb e t w e e nt h e c h a n g eo fc o m p r e s s o r s w o r k i n gp o i n ta n dt h ec h a n g eo fs u r r o u n d i n gt e m p e r a t u r eb yc h a r t s ，p o i n t so u tt h e c h a n g et r e n do fi t sp a r a m e t e r s t h e n ，t a k e s6 2 1 0 z l c 一3m a r i n ed i e s e le l l g i n e ( m a t c h e d w i t hv t r 2 0 1 2 nt u r b o c h a r g e r ) m a n u f a c t u r e db yz i b od i e s e le n g i n ef a c t o r y f o r e x a m p l e t oc a l c u l a t et h ei n f l u e n c eo fa m b i e n tc o n d i t i o nv a r i a t i o no nt h e p e r f o r m a n c eo fm a r i n ed i e s e le n g i n ea n di t st u r b o c h a r g e rw i t hg t - p o w e r a tl a s t ，t h ee f f e c to fd e c r e a s i n gt h em a x i m u mp r e s s u r eb yt h ew a y so fa d o p t i n g s c a v e n g ea i rb y p a s ss y s t e ma n di n c r e a s i n gs c a v e n g ea i rt e m p e r a t u r ei ss i m u l a t e d i t t u r n so u ta d o p t i n gs c a v e n g ea i rb y p a s ss y s t e mi sm o r ep r e f e r a b l eb yc o m p a r i s o n b e t w e e nt h e s et w om e t h o d s a n dw h a t sm o r e ，p u t sf o r w a r dt h em o d i f i c a t i o n i m a g i n a t i o no fs c a v e n g ea i rb y p a s sa p p l i c a t i o n t h eo b t a i n e dc o n c l u s i o n sa r eu s e f u lf o re n g i n e e r st ou n d e r s t a n dc o r f e c t l yt h e p e r f o r m a n c eo ft h et u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n er u n n i n ga t d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ， t h e r e f o r et a k ep r o p e rm e a s u r e s k e yw o r d s ：t u r b o c h a r g e d m a r i n ed i e s e l e n g i n e ；t u r b o c h a r g e r ；a m b i e n t t e m p e r a t u r e l i 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 ：! 巫撞釜佳型监盟圭扭遇殓埴压墨挂：眭的显蛔班宜：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己 经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：赵勇 ? 一绰? 月2 j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密一( 请在以上方框内打“，) 论文作者签名：懋勇 日期： 导师签名：纨 沙年3 月拥 第1 章绪论 柴油机由于在各种动力机械中热效率最高，功率范围宽广，起动迅速，维修 方便，运行可靠，使用寿命长，因而得到了广泛应用，特别是在运输船舶上，柴 油机作为主机和副机更是占有统治地位。与此同时，现代远洋运输船舶不断向快 速化、大型化发展。为了增加功率，改善热效率，提高经济性，柴油机的增压程 度不断提高。相同条件下，与非增压柴油机相比采用废气涡轮增压的柴油机其功 率成倍增长，油耗率降低1 0 1 5 ，有害物排放减少1 0 以上【1 ) o 但是由于涡轮增压柴油机在不同的环境状况下，其工作性能有较大的差别。在 船用条件下，一般来说，大气压力变化较小，大气参数中变化大的是温度。远洋船舶 航行于世界各海域，柴油机时常在差别悬殊的环境温度下工作，内河船舶虽不像远 洋船舶常年往来于各气候带之间，但随着四季的更替，内河船舶柴油机环境温度的 变化最大也有5 0 6 0 c 。从陆用条件看，我国国土广袤，气候条件相差甚远，寒冷的 北方生产的柴油机常在南方使用，而南方制造的柴油机又常在北国运行。因此了 解涡轮增压系统在不同环境条件下的工作性能，如何采取适当的措施使涡轮增压 系统适应大气状态的变化、如何满足柴油机功率的要求以及怎样合理使用柴油机 等问题显得十分重要。 1 1 增压的目的和作用 增压就是使进入柴油机气缸中的空气密度比大气密度大，使可能燃烧的燃料 的比率增大，因而增加输出功率。尽管效率能有所改善，但增压的主要目的是增 加输出功率而不是提高效率。 由于现代各种动力装置对动力性能的要求越来越高，这就要求柴油机不断提 高其强化程度。说明柴油机的主要动力指标是柴油机功率p ，可用下式表示： p 。型 ( 1 1 ) r 其中，p 平均有效压力； n 柴油机额定转速，“s ； f 柴油机冲程系数。 在一定的冲程系数百时，柴油机功率可用两种方式提高，即提高平均有效压力 p 或提高额定转速n 。 提高转速n 的幅度是不大的，因它受到燃烧恶化、容积效率和机械效率的急剧 降低、使用可靠性降低、工作寿命减短以及柴油机振动和噪声加大等原因的限制。 一般高速柴油机的转速不超过3 0 0 0 r m i n ，相应的活塞平均速度为1 2 1 3 m s 。 提高柴油机功率的第二个途径就是提高平均有效压力p 。p 。提高时柴油机机 械负荷及热负荷并不成比例增加，因此允许p ，作大幅度提高，较之非增压柴油机 增加了4 5 倍【“。平均有效压力可表示如下： 胪知m 以砌 其中，h 。一燃料低热值 ( 1 2 ) a 过量空气系数； 厶一燃烧l k g 燃料所需理论空气量： 聃一柴油机指示效率： 叩m 一柴油机机械效率； ，7 。一柴油机容积效率： p ，一气缸中的充气密度。 其中，燃料低热值h 。及工。均是常数，故上式又可表示为 p 丑卵一竹，p ( 1 3 一) c 2 玎m ，7 v p ， lj “ 以上三个效率的提高是很有限的。非增压柴油机的强化主要是靠减小口来实现 的。但过分减小口会导致柴油机热应力提高，燃烧过程恶化，冷却系统带走的热 量增加，还会使柴油机的指示效率下降。一般认为口减小的最低极限是1 1 。可见， 唯一能大幅度提高| p 。的办法是通过增压提高在气缸中的充气密度p 。 增压后柴油机的功率的增长程度常以增压度 表示，即增压后的柴油机功率与 非增压时柴油机功率之比，也即增压后平均有效压力与非增压平均有效压力之比： a ；旦：丝 p p 0p o ( 1 4 ) 增压程度通常以增压压力来划分 低增压p 。 o 3 5 m p a ( p 。= 0 ，8 1 o m p a ) ( 见= o 9 1 5 m p a ) ( p 。：1 4 - 2 2 m p a ) ( 几2 o m p a ) 。 由式( 1 4 ) 可以看出，增压度的大小取决于充气密度的提高程度，而 p ；= p ，r l ，故充气密度的提高，除了提高进气压力以外，也可采用降低进气温 度的办法。一般地，现代船用柴油机均采用增压中冷的高增压系统，其增压压力 一般在0 3 m p a 左右。 就输出功来说，增压的意义可以从气缸的压力容积( p v ) 曲线图看出。理论 上自然吸气的混合燃烧循环如图1 1 所示。 上止点下止点 1 - 2 压缩过程2 - 4 燃烧过程4 - 5 膨胀过程 图1 1 自然吸气柴油机理论燃烧循环 点1 表示当活塞在下止点时压缩冲程开始，1 2 过程是压缩冲程，2 3 是在 定容( 上止点) 时出现的( 瞬时地) 燃烧过程。3 4 是活塞沿气缸运动时发生的 燃烧过程的延续。4 5 是继续膨胀过程，随之燃烧结束。在点5 排气阀打开，紧 接着从气缸里排出一部分气体，同时压力降到大气压( 图中没有表明吸、排气过 程) 。在过程3 4 5 作用于活塞上的压力，使活塞产生运动而得到有用功，这就 是做功冲程。相反，在过程1 2 由于要压缩气缸中的气体，必须消耗功。所做的 功w 可以表示为 w ；f p d v ( 1 5 ) 由曲线1 - - 2 - - 3 - - 4 - - 5 - - 1 所包围的面积即为净输出功。对于四冲程柴油机， 输出功率等于曲线包围的面积乘以曲轴转速的一半：对于二冲程柴油机，输出功 率等于曲线包围的面积乘以曲轴转速。 3习 三 2 t 1 环境 v ，。卜v s w 叫v 力 力 上止点 下止点 i 一2 3 4 5 1 自然吸气1 一2 一3 一4 一5 一1 增压 图i 2 具有相同压缩比的增压与自然燃烧循环的比较 图1 2 对自然吸气和增压的理想循环进行了比较。增压循环在较高的压力和密 度点1 开始，在27 4 因有较多的空气( 体积相同但密度较高) ，故能燃烧更 多的燃料。可以看出，在相同条件下，增压柴油机比非增压柴油机输出功率大， 最高燃烧压力高。 1 2 柴油机废气涡轮增压 涡轮增压技术始于1 9 世纪未，在2 0 世纪初得到初步应用。随着材料科学及 制造技术的进步，柴油机的涡轮增压技术在2 0 世纪中期开始走向大规模商业应用。 4 曰前，船用大功率柴油机的绝大部分均采用了增压技术。由于涡轮增压利用排气 能量来增加充气量以提高功率，不仅工作过程得到改善、油耗率下降、排放也得 到改善。由此可见，采用涡轮增压技术后，柴油机的陛能得到了全面的、大幅度 的提高。 根据驱动增压器所用的能量，增压可以分为三种形式： 1 机械增压，即增压器直接由柴油机驱动。这种增压形式消耗柴油机的有效 功率。随着增压压力的提高，柴油机所消耗的功率随之增大。因此机械增压只适 于增压压力小于0 1 5 o 1 7 m p a 的低增压柴油机； 2 废气涡轮增压，即利用柴油机排出的废气吹动涡轮机，由涡轮机带动增压 器。这种增压形式可以从废气中回收部分能量，不仅提高了柴油机的功率，还提 高了动力装置的经济性，因而获得广泛应用； 3 复合增压，这种增压形式既采用涡轮增压，又采用机械增压。 近年来，涡轮增压器的效率有较大的提高。目前大型轴流式涡轮增压器的效 率高达7 0 7 5 【3 1 。高效率的增压器使用部分废气就可以保证柴油机所需的增压 压力和空气流量，其余部分废气可在单设的动力涡轮中膨胀做功，并经减速机构 传给曲轴，组成动力涡轮系统( t c s ) 。 涡轮增压利用柴油机排气能量驱动压气机。用户不是白白地得到能量，而是 利用了通常被浪费掉的能量。然而有一点是很清楚的，即不必再从柴油机的指示 功率中去支取压气机所需要的功率。因此，涡轮增压优于机械增压。当排气温度 及涡轮增压器的效率足够高时，亦无必要采用复合增压。 根据废气能量利用方式的不同，废气涡轮增压系统可以分为脉冲涡轮增压系 统和定压涡轮增压系统。随着增压压力的提高，脉冲增压在废气能量利用方面的 优势不存在了，而结构、管理、涡轮效率等方面的问题上升为第一位。因此，定 五增压是目前增压系统的发展方向。如s u l z e r 公司r n d 型、m a nb & w 公司m c 型柴 油机，均采用定压涡轮增压。 1 2 1 定压涡轮增压 定压增压即把各缸的排气管都连接到一个共用的大总管上，总管通到增压器 的单个涡轮上。由于排气管容积足够大，各缸排出的废气进入其中后迅速膨胀、 扩散并很快稳定下来，只引起微小的压力波动。这样，废气以基本不变的速度和 压力进入涡轮，所以这种增压方式涡轮工作稳定、效率高。 定压增压只利用了废气能量中的定压能，而没有利用废气中的脉冲动能。脉 冲动能在排气流动中由于排气阀的严重节流和在排气管中膨胀涡旋，大部分被损 失掉，只有小部分脉冲动能转换为热能，使排气管中的废气温度略有升高。 现代大型低速二冲程柴油机采用气口一气阀的直流扫气形式，而涡轮增压系统 均采用定压涡轮增压系统，其原因是由于涡轮增压器总效率己提高到5 0 以上，可 以满足扫气的要求，另外因低速柴油机有5 、7 缸等系列产品，定压系统都能通用， 在性能上差别不大。但是为了满足启动及低负荷工况运行，只用“纯”涡轮增压 系统是不能满足扫气要求的，因此并联一个电动鼓j ) ( 哺l ，在柴油机转速低于3 0 标定转速时开启运行。由于平均有效压力不断提高( 目前p 。己达1 9 2 0 m p a ， 空冷器散热量达燃油总热量的1 2 以上) ，涡轮增压器总效率叩，。也要不断提高，目 前卵。己高达7 0 7 5 1 3 】，所以对二冲程柴油机来说，涡轮增压系统基本上采用 定压增压一种，没有选择问题，这方面也使当前世界上低速二冲程柴油机的型 式趋于统一。 h = p 8 1 2 压气机3 4 涡轮 幽1 3 定压涡轮增压 图1 3 给出了定压涡轮增压过程的比焓一比熵( h s ) 图。可以计算出涡轮 增压器能否作为一个独立装置来运行，并在定压系统下产生特定的增压压力，只 要在涡轮功率( 过程3 4 ，图1 3 ) 及压气机功率( 过程l 一2 ，图1 3 ) 问进行 能量1 卜衡就行。 采用涡轮增压时，在进气管和排气管间期望获得一个小的币压差( p 2 一n ， 图1 3 ) 或一个大于l 的压比p ：p ，。图1 4 表明，为了得到这样的压比，要求涡 轮增压器具有适当高的效率和涡轮进口温度( 例如，当压气机端压比为2 ：1 时，若 要使进气管和排气管间的压差为正，则涡轮增压器的效率应高于4 5 ；涡轮进口温 度应高于5 0 0 ) 。 ；。5 琶0 0 。j3 j7 7 j 。j 1 j 4 图1 4 压比为2 时，涡轮增压器总效率对进、排气管间压著的影响 1 2 2 脉冲涡轮增压 定压系统的缺点是没有充分利用燃气离开排气阀时的高动能。当气缸中的燃 气以相当高的压力流过排气阀部分打开的狭小面积时，排出的速度是很高的，高 速燃气进入在缓冲器中的具有相当大容积的低速燃气中。由于混合过程中所固有 的摩擦损耗，不能使全部速度转化为压力升高。 脉冲系统的特点是使排气管中的压力造成尽可能大的压力波动。为此，把涡轮 增乐器尽量靠近气缸，把排气管做得短而细，并且将排气管制成分歧形式，即几 个气缸( 通常是2 缸或3 缸) 连一根排气管。这样，刚离开气缸的燃气能保留部 分动能，并在突然膨胀时不会消失。在每一根排气管中就形成几个连续又互不干 扰的排气脉冲波( 排气压力波) 把排气中的部分动能传递给涡轮。 为了避免排气干扰，在理论上最好是向同一根排气管中排气的两个气缸，其排 气间隔角应等于或稍大于排气持续角，即在前一缸的排气阀关闭后，下一缸再向 7 l i 1 ， i 0 吼 n m轧、n氐 能量平衡就行。 采用涡轮增压时，在进气管和排气管问期望获得一个小的正压差( p 2 一p 3 ， 图1 3 ) 或一个大于1 的压比p ：p ，。图1 4 表明，为了得到这样的压比，要求涡 轮增压器具有适当高的效率和涡轮进口温度( 例如，当压气机端压比为2 ：1 时，若 要使进气管和排气管间的压差为正，则涡轮增压器的效率应高于4 5 ；涡轮进口温 度应高于5 0 0 c ) 。 ”q ；：i n l f 7 j j b”j1j 4 圈14 压比为2 时，涡轮增压器总效牢埘进、排气管间压差的影响 1 2 2 脉冲涡轮增压 定压系统的缺点是没有充分利用燃气离开排气阀时的高动能。当气缸中的燃 气以相“高的压力流过排气阀部分打开的狭小面积时，排出的速度是很高的，高 速燃气进入在缓冲器中的具有相当大容积的低速燃气中。由于混合过程中所固有 的摩擦损耗，不能使全部速度转化为压力升高。 脉冲系统的特点是使排气管中的压力造成尽可能大的压力波动。为此把涡轮 增压器尽量靠近气缸，把排气管做得短而细，并且将排气管制成分歧形式。即几 个气缸( 通常是2 缸或3 缸) 连一根排气管。这样，刚离开气缸的燃气能保留部 分动能，并在突然膨胀时不会消失。在每一根排气管中就形成几个连续又互不干 扰的排气脉冲波( 排气压力波) 把排气中的部分动能传递给涡轮。 为了避免排气干扰，在理论上最好是向同一根排气管中排气的两个气缸，其排 气间隔角应等于或稍大于排气持续角，即在前一缸的排气阀关闭后，下一缸再向 气间隔角应等于或稍大于排气持续角，即在前一缸的排气阀关闭后，下一缸再向 l l 1 1 1 0 0 0 1 轧 此管排气。但是，由于排气间隔角( 四冲程机中：7 2 0 。i ；二冲程机巾= 3 6 0 。i ) 随着气缸数目i 的增加而减小，在多缸机上会使排气管数目增多而使结构复杂化。 另一方面，如果排气管内排气发生间断时，涡轮效率会降低。 比较理想的情况是六缸机，对于四冲程柴油机，一般排气持续角约为2 4 0 。( 二 冲程机约为1 2 0 。) 。假设其发火顺序为l 一5 3 6 2 4 ，此时将排气管分成两 组，分别与l 、2 、3 ；4 、5 、6 缸相连( 如图1 5 ) ，这样排气管内排气压力波既连 续又互不干扰。 遴气警 图l5 脉冲增压系统布置 以上讨论的是一根排气管连接三个气缸，这种方案称为三脉冲方案，可用于 缸数是三的倍数的柴油机，它在脉冲系统中性能最好。 当缸数不是三的倍数的时候，则会出现其他组合方式。如四缸机、八缸机可 采用对称的双脉冲系统，即每根排气管连接两个气缸，同一支管中相邻气缸的发 火间隔角为3 6 0 。( 四冲程机) 。在双脉冲系统中排气间隔角大于排气持续角，出 现了涡轮间断进气的现象，导致能量损失增大，涡轮效率降低，压气机压比越高 损失越大，且涡轮叶片承受脉动气流的冲击也越大。因此，当压比超过2 5 时不 宜采用双脉冲系统。 1 3 环境条件对涡轮增压器的影响 增压技术是柴油机发展的一次质的飞跃，成为柴油机发展的重要标志。为提 高平均有效压力，改善低负荷工况性能，确保可靠性，各种形式的增压系统不断 涌现，涡轮增压器设计、加工、匹配技术日益完善。 但是，无论是船用还是车用柴油机涡轮增压器都是在某一确定的静态条件下设 计的，当投入营运时，环境条件会发生变化，这必然引起涡轮增压器性能的改变。 了解环境大气状况对其工作的影响以及应采取何种措施来保证柴油机运行的安全 可靠性，同时满足使用要求，这是柴油机研制者及用户历来关心的问题。涡轮增 压器是靠柴油机排出的废气驱动涡轮，使其带动同轴压气机吸入外界空气并压缩 后送至柴油机进气管，以向柴油机提供高密度空气，提高功率输出，降低燃油消 耗率的一种叶轮机械。它是柴油机与环境之间的中介体，它的性能好坏直接影响 着柴油机的性能。而涡轮增压器性能受到包括环境参数在内的使用条件变化的影 响。根据柴油机的不同使用条件、场合，从环境大气压力、环境大气温度、空冷 器进口水温、相对湿度等四个不同的角度进行研究( 即，将它们视作独立参数分 别研究其对涡轮增压器性能的影响) 。 1 大气压力对涡轮增压器性能的影响 大气压力随着海拔高度的提高而降低，即使是在海平面上，大气压力也存在 一定幅度的波动。柴油机的负荷不变时，大气压力降低使增压器的涡轮膨胀比随 之增加，增压器转速升高，见图1 6 1 4 】，从而使空气流量增加。 襄 一 鐾 莨 嚣、 瑚 卿 冀 9 ql l ln 大气压力k p a 剀1 6 人气压力对增压器转速的影响 因此，即使对于船用柴油机增压器，在柴油机负荷一定，吸气温度一定的情 况下，增压器转速也会随大气压力的变化而略有改变。有数据表明【5 l 【4 ”，当环境压 力降低l o m b a r 时，废气温度将降低0 1 ，空气流量将增加0 3 9 6 。由于环境压力 降低，雷诺数减小，导致压气机特性曲线沿等转速和喘振线上各点的增压比和绝 热效率均下降。k z i n n e r 提出，当涡轮增压四冲程中冷柴油机在大气温度不变， 海拔每上升1 0 0 0 m 涡轮增压器转速上升6 8 ，涡轮进气温度一t - 升1 5 2 0 c 6 1 。 虽然增压器压气机增压比随着增压器转速的升高而提高，但就一般情况看， 在较低大气压力条件下建立的增压压力( 总压) 会略低于在较高的大气压力条件 下建立的增压压力。 用于高原地区铁路机车的增压器必须考虑到上述因素，当增压器转速升高将 要突破最高允许转速时，柴油机必须降低功率以防增压器超速。当然也可以采用 打开燃气泄放阀一类的辅助方法来防止增压器超速i7 1 。 2 空气吸入温度对涡轮增压器性能的影响 寒带地区的环境温度可能低于一5 0 ，由于压气机端吸入空气的温度更接近于 环境大气温度，因此主机就需要在一个很大的环境空气温度范围工作，跨度在寒 带工况和热带( 设计) 工况( 4 5 ) 之间。 一般地，如果增压器空气进口温度降到5 0 c 以下，空气密度的增加会使气缸最 高燃烧压力超过允许值。为解决这一问题，可以采用如下增压空气旁通装置( 如 图1 7 吲所示) 。此装置可有三个旁通阀安装在扫气箱上，如果增压器的空气进口 温度低于5 0 ，第一个旁通阀打丌。如果需要，第二个旁通阀也会自动开启。旁通 阀开启，降低了扫气压力，从而使密度减小，相当于提高了吸 z i 空气温度。这就 避免了使用昂贵的空气预热器。此外，由于吸气温度降低时压气机的工作点移向 喘振线，因此压气机的工作稳定性要差一些。所以，在寒冷地区作业的船舶通常 避免外界空气进入机舱时f 对着增压器的吸气入口，使外界空气在机舱内适当停 滞而使吸气温度略为上升。 ：二一_ = 二二二二二二二二二- 。二_ = ：= = = 二二二三一 图1 7 州于寒带j 况的增压空气旁通装置 增压器压缩空气所需要的能量与增压器吸气温度成丁| 三比，因此在增压器转速 一定时，随着吸气温度的升高，压气机增压比降低。假设船由气候温暖的地区进 入热带地区，吸气温度由2 5 。c 变化到4 5 c ，绝对压力约减少6 4 1 。实验表明，环 境温度每升高i o 。c ，废气温度将升高1 6 。c ，空气流量将减少4 1 。在柴油机负荷 一定时，环境温度升高使卒气通过量减少、空气一燃油比值降低、排温升高。 压气机进口温度偏高会使增压器转速上升，但压气机的折合转速却降低，因 此压气机的增压比是下降的，增压压力也将降低。实验表明，进口温度升高1 0 ， 可使增压压力下降2 4 视柴油机的具体情况而变。 如果机舱温度太高，应加强通风。增压器的空气进口靠近热源时应改变布置 或采取隔热措施。如果大气温度升高，通常无法改变，这时增压压力的下降是不 可避免的。 3 空气湿度对涡轮增压器性能的影响 一般来说，空气湿度对涡轮增压器的性能不会产生影响，但是由于空气湿度 会使增压空气带着相当一部分水，而当它通过空冷器时就会冷凝在空冷器的空气 箱中，这会使空气流过宁冷器时压力损失增大，对这种情况通常采用的对策是在 空冷器空气箱中设置一排泄口，使冷凝水定期或连续地排泄掉。 4 空冷器冷却水温度刈增压器性能的影响 对于废气涡轮增压四冲程柴油机来说，增压空气的温度对柴油机空气通过量 有相当大的影响。比如 4 1 ：在i s o 条件下，增压空气温度是5 0 ，由于冷却水温 升高，使增压空气温度由5 09 c 上升为6 0 。c 。此时空气流量将减少3 ，同时它使在 压气机性能图上反映的压气机工作点移向喘振线，从而引起增压器喘振。增压空气 冷却液温度升高i o 。c ，废气温度将升高1 o 。c ，空气流量将增加1 9 。 1 4 本论文的研究内容和意义 本课题主要研究海上环境条件变化( 主要是环境温度t 。和海水温度t 的变化) 对船舶主机涡轮增压器工作的影响，并根据所得到的结论，提出操作管理以及性能 改进方面的合理化建议。 首先，结合前人得出的船用主机涡轮增压器对环境条件适应性的结论，就环境 条件变化对涡轮增压器特性的影响做出定性的理论分析。 然后，对船用柴油机、涡轮增压器及空冷器建模，借助g t s u i t e 模拟软件对环 境条件变化时柴油机工作参数进行模拟计算，并对计算结果进行后处理，得出环境 条件变化对柴油机及涡轮增压器的工作性能参数的影响。进而对寒带工况下采用 旁通部分增压空气和提高扫气温度两种方法降低爆压的效果进行模拟计算。 最后，根据模拟计算得到的结果，对环境条件变化时船用柴油机的操作与管理 以及性能改进提出合理化建议。 早在七十年代我国高校和研究所就已经进行了内燃机工作过程的数值模拟研 究，八十年代以来出版了数本有关教材和专著，同时引进消化了国际内燃机学会 ( c i m a c ) 推荐的计算程序，但以往应用于一般设计参数的选择和优化较多，应用数 值模拟计算来分析实际使用中性能的变化的文章还较少，由于对船用柴油机进行 环境条件变化时的实验较为困难，且试验费用较高，用软件模拟环境条件变化对柴 油机运行的影响相比而言更经济，也更方便。因此，可以借助于现有的计算软件 g t - s u i t e 对船用柴油机在不同环境下的工作过程进行计算机模拟计算，以求得环 境条件变化时时柴油机的工作性能参数，然后根据得到的结果对在不同环境条件 下工作的船舶柴油机及涡轮增压器的运行管理提出合理化建议。所以，本课题的 研究是可行的，也比较实用。 第2 章废气涡轮增压系统特性 2 1 涡轮增压器中的能量传递 h 丁n ，瓦一大气压力和大气遘蔗；尹，一压气枫出口压力和出口温度i p r 耳一涡轮前压力和温蓬；，0 。一 蹴出口压力和温度； ”。一涡轮增压嚣转速； k ，一压气枫中空气绝热指数； k 一涡轮中燃气筢热指数。 图2 1 废气涡轮增压器计算简图 涡轮增压器在稳定运行过程中必须满足涡轮与压气机能量平衡、流量平衡及 转速相等三个条件，这三个条件在涡轮增压器子系统数值计算中用三个基本方程 表达： 1 涡轮与压气机的能量平衡 孵r r r 。= 峨 ( 2 1 ) 2 通过涡轮与压气机的流量平衡 m r 一卅k + m 口 ( 2 2 ) 其中，m ，一涡轮流量： m 。一压气机流量： m 。一相应的燃油流量。 燃油流量一般为空气流量的2 3 。粗略计算时，可近似认为：肌，；m 。 9 1 0 3 涡轮与压气机的转速相等 胛r 蛊栉k = 栉取 ( 2 3 ) 2 2 压气机特性参数计算 废气涡轮增压器通常采用单级离心式压气机。压气机中空气流经径向工作叶 轮( 包括导风轮) 、扩压器、出气蜗壳，此时空气由进口压力p o 压缩至出口压力p 。 图2 ，2 压气机特性曲线【1 0 1 1 1 】 2 2 1 压气机主要参数 压气机j ，：作参数包括：压气机空气流量m 。，压气机转速n 。，压气机进口总 压疵( 或称滞止压力) ，压气机进口总温巧( 或称滞止温度) 。压气机性能和工作 状况随这四个独立参数而变化。表征压气机特性的参数为增压比玎。和压气机效率 ( 或称等熵效率) r 。 一增压, t t x k 石x 一丝 ( 2 4 ) p o 离心式压气机在不考虑气流流动损失的情况下，压气机耗功等于等熵压缩功。 此时压比可按下式计算： 1 4 警+ 月瓦i j ( 2 5 ) 若按压气机的实际情况，即计及气流流动的摩擦损失及撞击损失时，石。可按 下式计算： 玎置昌 坠：翌墅：坠+ 1 尺兀西k 戎 ( 2 6 ) - 流量m 通常换算到标准海平面的大气条件：p 。= o 1 0 1 3 2 5 m p a ，瓦= 2 8 8 1 5 k ，此时 折合流量m 。为 ：。jo 1 0 1 3 3 叫x p 0 = 2 ；5 8 藤 v1 ) _ 转速n 每分钟转速，l k ( r r a i n ) 折合转速n ，- n 2 8 瓦8 1 5 ( r m i n ) 。 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 一压气机效率饥 压气机效率( 等熵效率) r 。是指空气由p 。压缩至p 。的等熵压缩功与压气机 实际消耗的总功之比，即 盟 一等；警掣 2 2 2 等熵压缩功和压气机出口空气温度 压气机等熵压缩功彬。为： 击。月瓦。- 1 1 ) ，t ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 压气机实际消耗功h 名可用下式计算： ：监( 2 1 1 ) q d 空气经压气机压缩后，温度由t o 升高至k ，出口温度又为： 丝1 又= 瓦+ 瓦缸0 1 ) l ( 2 1 2 ) ，7 k f 其中，r 一考虑向外散热的冷却系数，f = 1 0 4 1 1 。 2 ，2 3 压气机特性线图的数值表示 为了能用程序计算出环境条件变化对涡轮增压器的影响，需要将实验得到的 压气机特性曲线用数值表示。压气机特性曲线通常用网格法或分析计算法表示， 但是网格法存在数据存储量和计算精度之间的矛盾；而分析计算法需要先拟合出 压气机特性曲线对应的函数再对拟合函数求解，计算繁琐。因此，本文采用 o r i g i n p r 0 7 5 直接拾点离散压气机特性曲线，与网格离散法相比，可以在不增加 数据存储量的条件下保证精度。 2 3 涡轮特性计算 恶 三l 豢 率0 s 0 6 o 。4 0 2 0 相对濂量 膨胀比 倒2 3 轴流涡轮特性曲线i 1 2 l 废气涡轮增压器中的涡轮计算，主要是算出涡轮输出功。一般采用简化计 算法计算涡轮输出功w 0 。即将实际涡轮视为一个等效喷嘴，其有效通流截面积为 k 。如图2 4 【1 0 】所示，在o 一0 截面处的喷嘴面积为以，、压力p r 。、温度马。、绝 膨胀比 热指数k 办 墨 岛 幽24 等效喷嘴示意图 2 3 1 轴流涡轮简化计算主要参数 - 等效通流截面积f 。 若假定等效喷嘴中的绝热焓降等于实际涡轮中喷嘴及工作轮的绝热焓降之 和，并假定流体是不可压缩流体，用等效喷嘴来模拟实际涡轮的通流特性，可以 推出等效喷嘴的等效流通截面积为 屹； f 瑶瑶 1 丽 ：鱼：鱼( 2 1 3 ) 晓+ f 去 其中，只，一涡轮喷嘴环通流面积； 一工作轮通流面积。 _ 通过等效喷嘴的质量流量m ， 若假定流体通过等效喷嘴为准稳定流动，即在微小的出时l l 扫j 内( 或驴) 流动 是稳定的，则a t 时间内的质量流量a m ，为： m r = p r f ，廿2 p r p r 妒a t ( 2 1 4 ) 由于r ：鲤，上式亦可表示为微小曲轴转角( a ) 内的流量： 6 n 二，嘶k 而告 ( 2 1 5 ) 1 7 为 其中，p ，一涡轮流量系数； 只。一涡轮等效通流截面积； p ，一涡轮前压力； p ，一涡轮前气体密度； n 一柴油机转速，r m i n 。 当流体流过等效喷嘴属于亚临界流动时，即压力p ，。) p 。，此时系数妒表达式 t 厶= 属于超临界流动时，即p ，。sp ，此时系数妒为 廿岂 临界压力p 。为： 胪p r ( 者厂 _ 涡轮输出功 r 。音卟州 其中，珊一涡轮效率； 肼一涡轮前压力； p r o 一涡轮后压力( 背压) 。 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) j 厂互眄 ；睇 7 2 0 ( 3 6 0 ) _ 涡轮流量系数肛， ( 2 2 0 ) 涡轮流量系数肛，的大小主要与涡轮膨胀比? ( 一p7 p r 。) 有关。对于v t r i 系 列增压器涡轮可由以下经验公式计算： 肛r = 0 4 9 + 0 4 6 ，r r o 0 8 z ； ( 2 2 1 ) - 涡轮效率蜥 珊的大小与关系不大，主要与速比“c 。有关，即珊；，( “c 。) 。对于轴流 式涡轮，u 为工作叶轮平均直径d 上的圆周速度，对于径流式涡轮“为工作叶轮外 径处的圆周速度。“可由涡轮增压器转速掉。及相应的直径算出。c 。为气流的理论 速度，可由涡轮进出口总焓降h 算出，c 。= 4 2 日。 对于v t r i 系列增压器涡轮可由以下经验公式计算： 羔= - 0 2 1 2 4 + 4 , 5 6 0 1 ( 苦) _ 4 9 4 1 4 ( 芑0 + 1 1 7 7 9 ( 寺) 3 2 2 叩z 帕x l o l l o 2 3 2 径流涡轮简化计算主要参数 _ 径流涡轮效率特性 径流涡轮效率是速比u c 。的函数，叩，= f ( u i c 。) 。可根据以下经验公式计 算： 羔一0 1 0 5 + 2 6 8 5 c 盯6 印2 也1 7 印 旺 其中，r ，一涡轮最高效率，视涡轮的性能情况选定 u 一工作叶轮外径处的圆周速度； c 。一由p ，绝热膨胀至p ，。的总焓降算得的理论流速。 _ 径流涡轮的流量系数 径流涡轮的流量系数可以用修f 涡轮膨胀比的方法计算，具体过程如下： 按下式定义修正涡轮膨胀比z 。： 1 9 。地；”，( 1 一与 。p o r op o t ( 2 2 4 ) 其中，嘞一涡轮实际膨胀比( j l ! - t 。卫呸) ： p o r o p 。r 一涡轮进口总压； p 一涡轮出口总压； 卸一考虑涡轮转速影响( 即旋转速度头影响) 的压力修正值。 望a h r ( 2 2 5 ) | 口口h 0 7 其中，埘，一涡轮绝热焓降； h 。，一涡轮进口焓。 将本式带入前一公式，整理后得 ( 2 2 6 ) 其中，u ，一工作叶轮外径处( 进口处) 轮周速度。经过上述处理后 蜥一f ( u c o ，玎r ) 转化为r = ，m ) 。 径流涡轮的流量系数就可以用以下经验公式计算： ”，s 7 一瓦1 6 0 可7 4 + 等 亿z ， - 径流涡轮流量特性 径流涡轮质量流量m ，可用下式计算： 蠢嘞。k 焘 其中，肛，一流量系数； f ，。一等效喷嘴通流截面积 ( 2 2 8 ) 一弓 一沁 f t e q 一修正涡轮膨胀比。 。篆 面告卟 ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 涡轮增压柴油机热力过程计算中增压器计算时，先假定增压压力p 。、增压温 度k 、压气机效率的初值，然后进行迭代计算，最后算出增压压力p 。及增压 器转速矗。具体步骤如下： ( 1 ) 预先假定p 。、瓦、的迭代初值。由柴油机气缸内热力过程计算出气缸 的空气流量，即为压气机流量m 。、由排气管内热力过程计算出废气涡轮功。 ( 2 )将步骤( 1 ) 算得的m k 、孵值及有关迭代初值代入式 玎k = 坠：墼：坠+ 1 尺瓦击t 中算出增压器压比z 。 ( 3 )由本次算得的，利用拉格朗同二元3 x 3 点插值，算出压气机特性线图中 对应的值。 ( 4 ) 由本次算得的及原来的m x 、利用上式算出一个新的丌。a 用这一新 石。即可算出一个新的增压压力p ：值：p ：；p o 。石x 。 ( 5 ) 将新算出的疋与原来的p 。值比较，是否满足计算精度要求，即 1 p 二一p 。1s ( 计算精度) 。若满足计算精度要求则p ：值即为增压压力值。否则， 应用弦截法修正p ：，并将修正后的p ：值进行新一轮迭代计算，直至收敛，最后 算得满足计算精度的增压压力p 。 计算涡轮效率珊时需要计算口t 轮圆周速度u ，计算u 要已知增压器转速月。 通常做法是在计算出p 。的同时，根据m x 、玎。值调用拉格朗目二元3 3 点插值 旦：皿：上堕：f 堕1 ( 2 3 1 ) 几p 1 瓦撙n 吲 度，那么空气密度就分别增加2 5 、3 5 、4 5 。可见采用进气中冷是很有利的。当 增压比为2 5 、增压器的效率从6 0 提高到8 0 时，空气密度就增加6 ，见图2 5 f 堋。 表2 1 不同压比下空气密度比及温度变化情况 压比 密度比 温度比空气出口温度 p 2 p l p 2 p l t ：t t 。( ) 1 01 0 0 01 0 0 02 0 i 5l _ 3 3 61 1 2 33 5 2 o1 6 4 l】2 1 98 4 2 51 9 2 4l2 9 91 ( ) 8 3 ，0 2 1 9 213 6 91 2 9 3 52 4 4 71 4 3 01 4 6 p 刺 争 营 茁 嚣 鬻 f。f夕i 、 r 报彝掌 1 | 。l f易 p 儇 ， 域譬 ， ! “c ，蚋雎瞎盎 删。 【砖帮辨9 f 烈 ， 夕。蕊o ， l i 惑怒渊 垒 c 蠢塞壤女茸9 萨i 图进气温度对增压后空气温度和密度的影响 2 降低柴油机的循环平均温度，提高其可靠性和使用寿命。 资料【l 表明，当进气温度降低，柴油机的循环平均温度将