燃气轮机与涡轮增压技术（选修）.ppt

燃气轮机与发动机涡轮增压技术主讲 成晓北 课程教学大纲一 课程编号二 学时和学分32学时 2 0学分三 先修课程工程热力学 流体力学 动力机械基础 内燃机原理等四 课程教学目标本课程属于热能与动力工程专业动力机械专业方向的专业选修课程 本门课程的教学目标 旨在使学生获得燃气轮机与涡轮增压器工作原理 涡轮增压系统及增压系统设计应用技术方面的必备知识 培养学生综合所学知识进行发动机性能设计与研究的能力 五 课程内容课内讲授 32学时 第一章燃气轮机及其热力循环 4学时 第二章涡轮增压技术及涡轮增压器基本结构 3学时 第三章离心式压气机 3学时 第四章轴流式压气机 3学时 第五章涡轮机 3学时 第六章排气能量的利用 4学时 第七章现代涡轮增压系统 4学时 第八章柴油机与涡轮增压器的匹配 4学时 第九章涡轮增压系统设计 4学时 六 参考教材 1 燃气轮机与废气涡轮增压技术 林建生 谭旭光主编 天津大学出版社 2005年第1版 2 柴油机涡轮增压技术 陆家祥主编 机械工业出版社 2004年第1版 3 汽轮机与燃气轮机原理及应用 黄庆宏编著 东南大学出版社 2005年第1版 4 内燃机原理 刘永长主编 华中科技大学出版社 2002年 第一章燃气轮机及其热力循环一概况燃气轮机是靠内部燃料燃烧释放出的热量直接加热空气 并通过形成的燃气将热能转换成机械功的一种热力机械 同样是内燃机 主要由叶轮式空气压缩机 燃气发生器 燃烧室 和燃气涡轮三个基本部分组成 还有燃料 润滑 冷却 启动 调节和安全等辅助系统 各种内燃机的理论工作循环 a 活塞式内燃机的等容循环 b 活塞式内燃机的混合循环 c 燃气轮机循环 燃气轮机与活塞式内燃机理论循环的比较 陆用双轴燃气轮机进气道2 离心式压气机3 燃油喷嘴4 燃烧室5 第一级涡轮6 拖动涡轮7 排气管8 减速箱 二 结构与类型 离心式压气机 轴流式涡轮 某一舰用燃气轮机示意图 轴流式压气机 轴流式涡轮 航空燃气轮机1 进气道2 压气机3 燃烧室4 涡轮5 加力燃烧室6 排气道喷嘴 活塞式内燃机与燃气轮机结构对比示意图 与活塞式内燃机结构形式的比较 三 两种内燃机优缺点比较及它们的复合形式功率大 重量轻 体积小是燃气轮机的优势燃气轮机气体流通率高 单位时间内可以燃烧更多的燃料 发出更大的功率 燃气轮机与活塞式内燃机热效率的比较相对而言 燃气轮机的热效率较低 主要原因 1 压缩方式不同 叶轮式压气机效率较低 2 能量转换方式不同 3 最高燃气温度不同 燃烧温度 瞬间温度 叶片材料耐热能力 4 定压燃烧过程热效率低 定压加热循环与定容加热循环的比较 3 两种内燃机复合形式的典型 废气涡轮增压内燃机把活塞式内燃机与燃气轮机结合 扬长补短 组合成性能更为优越的热力发动机 复合式内燃机 废气涡轮增压柴油机相对而言 燃气轮机实际是涡轮增压柴油机的一部分而已 增压技术是一种提高发动机进气能力的方法 它通过采用专门的压气机 预先对进入气缸的气体进行压缩 提高进入气缸的气体密度 增大进气量 更好地满足燃料的燃烧需要 从而达到提高发动机功率的目的 发动机的增压方法主要有三类 机械增压 废气涡轮增压和复合增压 废气涡轮增压早先运用于柴油车 国内轿车 年开始在排量 的奥迪 上运用 以后又有奥迪 的 即 涡轮增压 直至最新的帕萨特 涡轮增压的优点是显而易见的 在不增加发动机排量的基础上 可大幅度提高功率和扭矩 其输出的最大功率大约可增加 如 车大约与 升排量的车动力相当 另外 发动机在采用了增压技术后 还能提高燃油经济性和降低尾气排放 四 燃气轮机的现状与趋势燃气轮机的现状与水平 1 机组功率和效率单机最大功率为334MW 简单循环机组的效率最高已达42 5 联合循环的效率最高已达58 2 环保性能燃气轮机污染排放相对较低 燃烧天然气时 Sox排放趋于零 采取措施后NOx CO等降至很低水平 3 可靠性 4 应用现状航空领域 主要有涡轮喷气 涡轮风扇 涡轮螺浆 涡轮轴发动机 其中涡轮风扇发动机推进效率高 油耗率低 应用最广泛 航机的发展领先于地面燃气轮机 它的先进技术常移植到地面燃气轮机设计中 电站发电用途 在一些工业发达国家 燃气轮机和联合循环发电之和超过了蒸汽轮机 成为电力工业的主力军 舰用燃气轮机被广泛应用 2 燃气轮机的发展趋势 1 进一步提高性能 提高燃气初温 采用涡轮机叶片冷却技术 研制高温材料叶片 燃气初温达到1700度的涡轮机研制工作已在进行 同时要兼顾可靠性和使用寿命 2 大力发展联合循环把燃气轮机与其他热力循环或系统联合起来 取长补短 形成新的循环与系统 燃气 蒸汽联合循环就是典型的例子 系统中能源从高品位到中低品位逐级利用 形成能源的梯级利用 大大提高了能源的利用率 燃气 蒸汽组合形式不同 有余热锅炉型 排气补燃型 增压燃烧型 加热锅炉给水型 锅炉并联型 3 研究发展新型热力循环目的是提高效率或达到高效率的同时降低机组造价 4 扩大应用主要是燃用天然气和液化天然气的机组 拓展商船和汽车等应用领域 五 燃气轮机的热力循环1 理想简单循环在燃气轮机热力循环中 常用比功 热效率指标分析比较各种循环 简单开式循环的T S图 理想简单循环四个工作过程的计算公式 等熵压缩1 2 等压加热2 3 等熵膨胀3 4 等压放热4 1 理想简单循环的比功 理想简单循环的热效率 2 实际简单循环在燃气轮机热力循环中 常用比功 热效率指标分析比较各种循环简单循环比功图 简单循环热效率图温比对实际循环的性能影响很大 尤其是对效率影响 目前 压气机和涡轮机效率的范围一般为 轴流式压气机 c 0 85 0 9 轴流式涡轮机 T 0 85 0 92 离心式压气机 c 0 75 0 85 向心式涡流机 T 0 75 0 88 3 回热循环燃气轮机的排温很高 一般为400 550 如能回收这一高温气体 就可提高燃气轮机效率 如果采用高温排气加热从压气机出口的空气 提高进入燃烧室的温度 可使燃烧室中加入的燃料量减少 从而提高了热效率 在燃气轮机中加装回热器R 就可实现上述工作过程 这就是回热循环 4 间冷循环在压缩过程中间 把工质引至冷却器冷却后 再回到压气机中继续压缩以完成压缩过程 此即间冷循环 其中IC是中间冷却器 它的应用使压气机分为低压LC和高压HC两个部分 在理想的情况下 从间冷器出口的工质温度已冷却到与进入燃气轮机时的T 1温度相同 5 再热循环在膨胀过程中间 把工质引出再热燃烧室中加热后 再回到涡轮机中继续膨胀以完成膨胀过程 此即再热循环 其中B2是再热燃烧室 它使涡轮机分为高压HT和低压LT两部分 为使再热后比功增加得再多些 再热后工质的温度T 5应尽量高当T 5 T 3时燃料完全燃烧 且无压力损失 6 间冷再热循环同时具有间冷和再热循环 其热力循环图形比上述两种循环面积进一步增大 即比功增加较多 实际的间冷再热循环燃气轮机一般是双轴甚至是三轴的 第二章废气涡轮增压技术一涡轮增压基本概念提高内燃机功率的主要途径 1 结构方面 2 工作过程方面 3 提高机械效率方面 4 运行方面上述诸因素之间的相互关联和制约 发动机增压的功用 增压 将空气预先压缩后供入气缸 以提高空气密度 增加进气量 功用 进气量增加 可增加循环供油量 从而可增加发动机功率 可以改善燃油经济性 可以得到良好的加速性 发动机增压类型 机械增压 涡轮增压 气波增压 与发动机容易匹配 结构紧凑 但燃油效率高 经济性好 排放少 噪声低 但顺态响应和低速加速性差 低速转矩特性好 但体积大 噪声高 复合增压 可以兼顾高 低速转矩特性好 但体积大 结构复杂 涡轮增压 涡轮增压器 涡轮机 排气管 压气机 进气管 利用废气涡轮机 带动与其同轴安装的压气机叶轮工作 新鲜空气在压气机内增压后进入气缸 当然 发动机在采用废气涡轮增压技术后 工作中产生的最高爆发压力和平均温度将大幅度提高 从而使发动机的机械性能 润滑性能都会受到影响 这就是至今为止 增压技术在汽油机上得不到广泛应用的主要原因 机械增压 机械增压器 1 齿轮增速器驱动 2 传动带及电磁离合器驱动 齿轮增速器 增压器 空气 增压器 电磁离合器 气波增压 气波增压器 进气管 转动带 排气管 气波增压器转子 由曲轴经传动带驱动气波增压器转子 利用排气压力波使空气受到压缩 以提高进气压力 复合增压 机械增压与涡轮增压适当结合 串联复合增压 并联复合增压 空气先涡轮增压 中冷器降温 再机械增压 主要用于高增压发动机上 由机械增压和涡轮增压同时供给增压空气 低速主要靠机械增压 而在高速主要靠涡轮增压 二 涡轮增压技术的发展与现状增压技术向高压比 大功率柴油机领域发展提高涡轮增压器效率 拓宽涡轮增压器工作的流量范围 也向小功率 高转速柴油机方向发展 带放气阀 可变涡轮截面技术 EGR等技术的广泛应用 匹配技术提高 增压模拟计算技术与能力的提高 提高涡轮增压器的工作可靠性 增加使用寿命 降低成本 第三章离心式压气机工作原理一 离心式压气机的结构叶轮式压气机有离心式和轴流式两种基本类型 轴流式压气机流道的特点适于组织多级压缩 比较容易获得较高的增压比 用于航空和大型燃气轮机 离心式压气机结构简单 外形较短 重量较轻 及具有在较宽的流量范围内保持较好的效率 多用于小型燃气轮机和活塞式内燃机中 涡轮增压器 离心式压气机径流式涡轮机中间体 压气机 增压器轴 涡轮机 离心式压气机简图 多级轴流式压气机剖面图1 导向器2 轮盘3 工作叶片4 机壳5 整流叶片6 转子轴 1 进气道将外界空气导入压气机叶轮2 压气机叶轮压气机中唯一对空气作功的部件 导风轮和叶轮 压气机叶轮进口的速度三角形 压气机叶轮结构形式 1 开式叶轮 流动损失大 叶轮效率最低 叶片刚性较差 易振动 因而在燃气轮机和涡轮增压器中已较少采用了 2 半开式叶轮 叶轮无轮盖 叶片一侧与壳体间存在轴向间隙 叶轮内的流动损失较封闭式叶轮大 但结构简单 强度和刚度较好 适用于高压比 高转速压气机 是目前应用最广泛的一种叶轮类型 3 封闭式叶轮 组成封闭通道 流动损失小 效率较高 但圆周速度高 叶轮承受的应力较大 不宜在高转速下工作 且结构复杂 在燃气轮机和涡轮增压器中也已较少采用了 3 扩压器作用 将压气机叶轮出口高速空气的动能转变为压力能 分为有叶扩压器和无叶扩压器两种结构 燃气轮机中一般采用无叶扩压器和有叶扩压器串联 效率区别 适用范围 4 压气机涡壳收集从扩压器出来的空气 将其引导到发动机的进气管 涡壳有一定的扩压作用 进一步将动能转化为压力能 分为变截面涡壳和等截面涡壳 5 轴承与润滑增压器的寿命很大程度上取决于轴承的寿命6 密封与冷却 二 离心式压气机的工作原理1 压气机中的空气状态与变化趋势图 离心式压气机简图 2 压气机的焓熵图 2 压气机的主要性能参数 1 增压比 2 空气流量 3 压气机的定熵效率 b 4 压气机转速nb 三 离心式压气机中的空气流动1 空气在叶轮中的流动 压气机叶轮的进 出口速度三角形 惯性旋流对叶片通道内气流运动的影响由于叶轮上的叶片数目有限 在空气的惯性作用下叶片通道内存在着与叶轮转向相反的气流转动 称为惯性漩流 可以由速度叠加方法来解释 叶片通道内速度的叠加环流速度 b 径向速度 c 叠加速度 d 气体压力 离心式压气机叶轮内的气流模型 气流压力在叶片内通道内不均匀分布 使得同一叶片两边的气流压力不同 这种压力差使半开式叶轮与壳体的轴向间隙中产生自高压区 工作面 向低压区流动 高压区以 表示 低压区则以 表示 2 压气机叶轮中的流动损失 1 导风轮中的损失 主要是气流的摩擦损失及出现超声速时的波阻损失 2 气流在叶轮中由轴向转为径向流动所产生的损失 3 叶轮径向流道部分的摩擦损失与分离损失 3 压气机叶轮中的摩擦损失 轮盘损失 1 摩擦损失 工作轮盘表面与壳体间气体相互摩擦引起的损失 2 鼓风损失 3 潜流损失 叶轮中的鼓风环流 4 空气在无叶扩压器中的流动 1 流动迹线在无叶扩压器中气流的速度是随所处的位置的直径的增加而降低 c的下降意味着静压力的提高 因此 无叶扩压器进 出口速度之比标志着它的扩压能力 称为扩压器速度比 c1 c3 D1 D2 1 由此无叶扩压器主要靠增大直径来提高空气的静压力能 空气在无叶扩压器中的流动 2 无叶扩压器的优缺点 无叶扩压器具有结构简单 制造容易而且使压气机的流量范围较宽等优点 但在同样减速比条件下 无叶扩压器的尺寸较大 因此气流的运动路程较长 摩擦损失大 以及受叶轮出口速度分布不均匀的影响 无叶扩压进口的气流速度及方向亦不均匀 导致较大的气流混合损失等 2 叶片扩压器中的空气流动叶片扩压器的结构 空气在叶片扩压器中的流动 比较无叶扩压器与有叶扩压器的减速比 在同样直径密度之比时 叶片扩压器的减速比小于无叶扩压器的 即叶片扩压器的扩压能力较大 如果要求同样的扩压能力 则叶片扩压器的尺寸小于无叶扩压器尺寸 叶片扩压器的效率较高 主要原因是安装叶片后 一方面有整流作用 使气流趋于均匀 减少了混合损失 另一方面缩短了空气在扩压器中的行程 减少了摩擦阻力损失 5 离心式压气机的流量特性线 1 离心式压气机的流量特性线 如图所示 k f1 mk nk k f2 mk nk 上述特性曲线一般用试验求出 计算机模拟还达不到要求 由图可以看出如下特点 当nk一定时 随着mk k 达到某一值时 k k 达到某一值时 k 当nk一定时 mk减至某一值时 出现喘振 当nk变化时 nk mk k 在某个nk下 mk随着 k 而增加 当 k将至某一值后 mk达到最大值 气流马赫数为1 此时继续降低 k mk也不会增加 压气机出现堵塞 压气机的通用特性线 2 离心压气机的通用特性因环境条件发生变化 压气机特性线会发生变化 为使压气机特性线适用不同地点和环境 可根据气体流动相似原理 用相似的参数来绘制压气机特性线 这样的压气机特性线称通用特性线 压气机的相似参数是马赫数和式中 Ca 压气机的轴向流速 u1 叶轮进口外径处圆周速度 凡与Mca和Mu成比例的参数也是相似参数 图7 21就是用折合参数绘制的通用特性曲线 折合流量为 折合转速为 当试验时的大气条件p0 0 1013MPa T0 288K时 折合参数就和实际参数相同 即 mcv mk ncv nk 压气机特性曲线形状的成因 喘振的原因 当nk一定时 mk显著小于设计流量时 叶片扩压器和叶轮进口处气流分离现象随mk下降而上升 当流量小到某一最小值时 气流分离现象会扩展至整个叶片扩压器和叶轮通道内 压气机内的压力低于后面管道内的压力 发生气流由管道向压气机倒灌 随之而发生相反现象 如此反复 使气流产生剧烈的振荡 叶片振动 噪声加剧 管道内压力大幅波动 从而出现喘振现象 五 轴流式压气机空气在轴流式压气机中的流动方向大致平行于工作轮轴 流动特点是结构上容易组织多极压缩 以每一级都较低的增压压力比获得较高的总增压压力比 一般每级压力比在1 15 1 35之间 空气流经每级叶片通道时无需急剧改变方向 减少了流动损失 因而压气机效率较高 特别是大流量时轴流式压气机较离心式压气机更容易获得较高的效率 一般轴流式压气机效率87 以上 而离心式压气机最高84 85 一般轴流式压气机效率87 以上 而离心式压气机最高84 85 因此 多极轴流式压气机具有流量大 高效率 小迎风面积等优点 在现代航空用燃气涡轮发动机中多采用轴流式压气机 多级轴流式压气机剖面图1 导向器2 轮盘3 工作叶片4 机壳5 整流叶片6 转子轴 轴流式压气机通过工作轮叶片对空气做功 提高气力的压力势能和动能 然后再通过整流器叶片通道的扩压作用 使气体所具有的动能进一步转化为压力能 达到压缩空气的作用 多极轴流式压气机具有每级中流动情况相似 工作原理相同的特点 所以针对一个级进行研究 轴流式压气机的级示意图a 工作轮b 整流器 1 环形叶栅和平面叶栅 通道面积 进出叶栅的相对速度 气流在平面叶栅中的流动 流道内某半径处的环形叶栅工作轮叶栅2 整流器叶栅 2 基元级速度三角形 基元级中气流速度的变化气体流过压气机工作轮与整流器后 压力和密度相应增加 由定常流连续方程可知 当整个压气机级的叶片高度相同时 进出口绝对速度的轴向分速ca就会逐渐降低 反之 若保持进出口轴向分速不变 则压气机级的叶片高度就应随之逐渐降低 在实际轴流式压气机级的设计中多采用两者都变化的设计 即叶片高度由级的进口向出口递减 且轴向分速沿进口往出口方向而略有降低 基元级的速度三角形 时 b 时 3 压气机级对气流作功 气流所以能从压气机的进口沿压力递增的方向流动 是由于外界通过工作轮叶片对气流加入了机械功 由气流流经基元级工作叶轮叶栅的受力情况可说明叶片对气流做功 工作叶片与气流间的作用力 a 叶腹与叶背上的压力分布 b 工作叶片与气流间的作用力t 叶距 栅距 叶栅的一个间距宽度 4 压气机基元级的焓熵图 气流流过基元级的定熵过程1 2I 3I 实际的气体压缩过程为1 2 3 基元级的焓熵图 5 气体在轴流式压气机中的流动与损失气流流过叶片时在其前缘分为两段 叶背和叶腹 由于叶背和叶腹型线不同所以两股气流的速度也不同 叶背气流速度高 局部可达超声速 叶腹气流速度低 平面叶栅中的叶型损失 a 叶型腹面与背面附面层情况 b 叶栅通道的激波 气流流过叶片时除平面叶栅的损失外 还有以下损失 1 摩擦损失 2 机械功损失 3 二次流损失 叶片通道内流动损失情况示意图 a 径向间隙中的流动情况 b 端部的二次流情况 6 轴流式压气机的特性曲线 单级轴流式压气机特性曲线 多级轴流式压气机特性曲线 压气机相对转速 压气机相随转速 压气机设计状态的转速 多级轴流式压气机的特性曲线的特点 随空气流量增加 增压压力比与效率比单极下降得更剧烈 特别是在高转速下 特性曲线尤为陡峭 即多级轴流式压气机的工作范围较单级的工作范围都狭窄 因此 多级轴流式压气机不能适应在转速不变而空气流量变化较大的情况下工作 轴流式压气机在转速不变时 流量变化对速度三角形的影响 a 设计工况时 b 流量增加时 c 流量减小时 轴流式压气机的通用特性曲线 第五章涡轮机的工作原理工作过程与压气机相反 它是把发动机排出的废气能量转化为机械功来驱动压气机叶轮的一种原动机 涡轮增压器的性能在很大程度上取决于涡轮的性能 一 涡轮的分类1 轴流式涡轮 体积大 流量范围宽 大流量范围内具有较高的效率 2 径流式向心涡轮 紧凑 体积小 小流量范围内具有较高的效率 3 混流式涡轮 按燃气在涡轮中焓降的分类冲动式涡轮 反动式涡轮二 涡轮的结构进气壳 即蜗壳 把废气以尽量少的流动损失和尽量均匀的分布引导到涡轮喷嘴环入口 喷嘴环 导向器 流通截面呈渐缩形 作用是使具有一定压力和温度的燃气膨胀加速并按规定方向进入工作叶轮 工作叶轮 唯一承受气体做功的元件 把气体动能转化为机械功响压气机输出 排气壳 收集废气并排入大气 三 涡轮的工作原理1 轴流式涡轮的速度三角形 径流式涡轮的速度三角形 2 涡轮工作过程的焓熵图 3 涡轮的主要工作参数 1 反动度 T 叶轮中实际焓降与涡轮机膨胀至出口压力的总焓降之比 对反动度的分析 对径向叶片 T处于0 45 0 52之间 T过大和过小 2 定熵效率 表征级的总定熵焓降转变为转子功的程度 轮周效率 燃气在轮周上做的功与燃气理论上的滞止定熵焓降之比 有效效率 考虑了各种机械摩擦损失功 3 膨胀比 代表气体在涡轮中具有的做功能力的重要参数 4 流量 在涡轮增压发动机中 无泄漏和放气时 通过涡轮的燃气流量等于压气机流量与发动机燃烧的燃料量之和 5 叶片速比u1 cI cI为燃气从进口状态h0定熵膨胀到涡轮出口状态h2I 能达到的最高理想速度 是一个假想速度 u1是工作轮入口处的叶轮线速度 在对涡轮和压气机进行匹配计算时需要该参数 6 涡轮转速 涡轮增压器联合工作过程的焓熵图 定压过程和膨胀过程 压气机和涡轮的效率计算 5 涡轮的特性曲线 1 流量特性曲线 转速一定时 径流式向心涡轮膨胀比 T随流量变化的关系 在不同转速下随流量的增大 膨胀比 T增加 但膨胀比增加的越大 流量变化越不明显 当膨胀比不变而转速增加 由于离心力的增加使叶轮进口处的压力增大 因而反动度增加 即涡轮喷嘴中的焓降减小 喷嘴环出口处气流速度下降 径流式涡流的流量特性 2 效率特性曲线 涡轮膨胀比一定时 涡轮效率随速比u1 cI的变化关系 径流式涡轮在最佳速比下效率最高 离开这一速比越远 效率越低 径流式涡轮的最高效率范围较窄 当超过一定数值后涡轮效率急剧下降 3 通用特性曲线相似参数绘制的涡轮机特性曲线 3 通用特性曲线相似参数绘制的涡轮机特性曲线 径流式涡流的通用特性曲线 6 涡轮增压器的支撑与轴承 7 径流式涡轮与轴流式涡轮优缺点的比较与轴流式涡轮相比 径流式涡轮具有以下优点 1 正如离心式压气机具有较高的增压比一样 径流式涡轮具有较高的膨胀比 可高达4 1 因而径流式涡轮具有体积小 重量轻结构紧凑优点 2 在小功率范围内它的效率较高 3 径流式涡轮对通流部分几何形状的偏差不太敏感 4 结构简单 工作轮可以整体铸造 工作应力小 在同样的工作轮应力下 径流式涡轮的许用圆周速度较轴流式高 允许轮周速度高达400m s 可在一级中实现较大的焓降 与轴流式涡轮相比 径流式涡轮具有以下缺点 1 涡轮壳体直径较大 难以建造多级结构 因而难以建造大功率的径流式涡轮 2 很高的转速降低了径流式涡轮轴承的工作可靠性 3 整个叶轮暴露在高温气流中 轮盘温差大 热应力较大 第六章内燃机的排气能量的利用6 1排气可用能在内燃机中 一般燃料总能量的25 以上被排气所带走 利用这部分排气能量驱动涡轮增压器 是提高内燃机热效率的重要途径之一 排气最大可用能系指缸内排气无损失地流到涡轮出口背压 背压即涡轮出口的环境压力 所具有的作功能力 它包括三部分能量 燃气由排气门 口 开启始点压力等熵膨胀到涡轮出口背压所作之功 活塞推挤排气所作之功 扫气过量空气自扫气压力等熵膨胀至涡轮出口背压所作之功 排气可用能约占排气最大可用能的60 四冲程内燃机的排气最大可用能 一 四冲程内燃机的排气最大可用能Wz四冲程内燃机的排气最大可用能Wz包括三部分 定压涡轮增压四冲程柴油机的理想示功图 1 燃气的可用能Wg气缸内每循环燃气mrg从排气始点 点b 状态等熵膨胀至涡轮出口背压p0 点f 所具有的可用能量Wg 相应于图上面积bf1b所表示的功 即 2 活塞推挤排气的能量WL活塞推挤排气所作之功WL 相当于图上面积a123a所表示的功 即WL ps p0 Vs3 扫气过量空气的可用能Ws扫气过量空气的体积为 V3 V3 质量为 s 1 mrg 自扫气空气压力ps等熵膨胀至涡轮出口背压p0 所作的功 相应于图上对应面积32j3 3 为四冲程内燃机排气最大可用能为 Wz Wg WL Ws 二冲程内燃机排气的最大可用能如图6 36所示 它与四冲程内燃机不同之处在于扫气过程的能量Ws几乎占排气最大可用能Wz的一半 而活塞对排气所作之功WL却很小 排气门 口 在点b开启而在点a关闭 排气的最大可用能Wz包括三部分能量 即 Wz Wg WL WsWz相当于示功图面积bfj3 3b所表示的功 二 二冲程内燃机排气的最大可用能Wz 1 燃气的可用能Wg气缸内每循环燃气mrg自排气始点 点b 状态等熵膨胀至涡轮出口背压p0 点f 所拥有的可用能 Wg相当于示功图面积bf1a3b所表示的功 2 活塞推挤排气的能量WLWL ps p0 Va V3 WL相当于示功图面积a123a所表示的功 3 扫气过量空气的可用能WsWs相当于示功图面积32j3 3所表示的功 三 能量传递效率和涡轮进口排气可用能WT排气的能量传递效率定义为涡轮进口排气可用能WT与排气最大可用能Wz之比 即 E的高低标志能量在排气系统传递过程中流动损失的大小 E是一个统观的平均数量 总能量损失为 E Ev Ec ED EM EF Eh 若深入分析排气过程的各个阶段就可知 Ev是能量传递中的主要损失 约占总损失的60 70 排气可用能的损失主要发生在自由排气阶段 此时节流损失很大 E将最低 在以后的强制排气阶段 由于排气门开启已很大 主要是燃气流动的摩擦损失和局部阻力损失 其值一般较小 故此时 E较高 排气过程中 E的变化情况 由于涡轮进口排气可用能WT与涡轮前压力波的形态相关 而该压力波主要受到排气道形状 排气门开启规律 排气管形状 尺寸和分支情况 以及涡轮流通截面大小的影响 因此WT或 E的大小代表了从内燃机排气门至涡轮这一段排气系统设计的良好程度 换言之 良好设计的排气系统 能获得较理想的压力波形态 从而获得较高的 E 理想的压力波一般应具备如下形态 排气管内压力在气缸开始排气时应迅速上升 以减少排气门处的节流损失 在排气行程 活塞上行推挤燃气时 排气管压力应迅速降低 以减小泵气损失 在进 排气门重叠期内 排气压力波应出现波谷 增大进 排气之间的压差 以利清扫缸内残余燃气 如果能确定WT 则可按式求得 E 为了计算WT 对于脉冲涡轮增压系统 必须有涡轮前压力波pT f 和温度波TT f 曲线 一般可用试验方法测录压力波和温度波曲线 或用数学模拟计算得到 第七章现代涡轮增压系统一 涡轮增压系统的基本型式按利用排气能量的基本方式分为定压涡轮增压系统和脉冲涡轮增压系统 以及由此而演变和发展的其他多种涡轮增压系统 1 定压涡轮增压系统涡轮增压系统示意图 a 定压式 b 脉冲式 1 气缸 2 排气管 3 涡轮 4 压气机 5 进气总管 1 定压涡轮增压系统特点此系统的特点是涡轮前的燃气压力pT基本上保持一定 为此 柴油机的各缸排气都接到一根容积足够大 能起稳定压力作用的排气总管上 然后和涡轮进口相连接 涡轮是单进气口的 1 定压系统中排气能被利用的情况 气缸排气所具有的可用能Wg为 bf1b b5eb Wg1 ef15e Wg2 定压系统中只能用ef15e 活塞对排气所作的功WL 45124 扫气空气所具有的功Ws ig24i 脉冲能量转化为热能 使废气温度升高而获得附加功 ee f fe 定压涡轮增压四冲程柴油机的理想示功图 2 定压涡轮增压系统的优点 在定压条件下 全周进气 效率较高 排气管系统简单成本低 增压器布置较自由 不会由于压力波的干扰而使发动机的转速上限受到限制 3 主要缺点 脉冲能量利用率低 发动机低速扭矩特性和加速性能差 2 脉冲涡轮增压系统为了更好地利用内燃机排气的脉冲能量E1 可采用脉冲涡轮增压系统 图所示 1 特点 把柴油机各缸的排气支管做得短而细 通常是2 3缸连接一根排气管 每一根排气管均和涡轮一个进气口相连接 整个排气管系的容积较小 排气管内的压力波动大 脉冲增压系统中排气管内压力波动情况如图所示 a理想情况下排气无损失 排气管被瞬时充满 压力瞬时升高 缸内压力p等于管内压力pr b实际上气门不可能瞬时开启 排气管内也不可能瞬时充满 气门喉口处存在节流损失 所以排气门打开后 要经过一段时间t后 排气管内压力pr才能接近p c由于该系统排气管容积设计的较小 通常可利用排气脉冲能量的30 50 在小容积的排气管中 管内气体通过涡轮的排空也快 压力迅速下降 产生的压力波谷可促进气缸扫气 并减少活塞推挤排气所作的泵气功 3 脉冲式和定压式涡轮增压系统的比较 1 排气能量利用的效果 排气能量传递效率 E 在增压度较低时 脉冲涡轮增压的 E较高 当随着增压度的增加 脉冲与定压逐渐接近 涡轮效率 T定压增压系统 在涡轮中的能量转换过程是稳定的 而脉冲增压系统能量变化很大 T定压 T脉冲 涡轮增压系统的有效性指标 排气总效率 KE KE定义为压气机的等熵压缩功Wks与气缸排气最大可用能Wz的比值 也是排气能量传递效率 E和涡轮增压器效率 Tk的乘积 当pk0 25MPa时 采用定压增压系统 对排气能量的利用较为有利 这时KE较高 2 对柴油机性能的影响 柴油机的加速性脉冲系统的响应较快 加速性能比定压系统好 柴油机的低速扭矩特性由于脉冲增压系统对排气能量的节流损失相对较小 可以较好地利用脉冲能量 因此 脉冲增压柴油机的低速扭矩特性比定压涡轮增压柴油机的好 柴油机的油耗率脉冲增压系统在pk较低并处于部分负荷时 具有较好的油耗率ge 采用定压增压系统时 在高增压满负荷时才有较好的油耗率 柴油机扫气质量脉冲增压系统可利用排气压力波的波谷加强气缸扫气 定压增压系统在高增压满负荷时有较好的扫气质量 但在低负荷时扫气效果较差 3 增压系统的结构定压增压系统的排气管结构较简单 布置比较方便 脉冲增压系统的排气管结构较为复杂 3 2影响脉冲能量利用的因素 1 排气门开启定时 2 排气门开启规律 3 排气门流通面积 4 排气管流通面积 5 排气管长度 6 涡轮流通面积 3 3排气管分支在多缸机中 应避免相邻气缸排气的互相干扰 需要对排气管进行分支 分支的原则是 一根排气管所连各缸的排气相位必须互不重叠 或者重叠很小 由于一般四冲程柴油机排气门开启持续时间约240 A 280 A 二冲程柴油机约120 A 因此 一根排气管所连接的气缸数目一般 3 同时这3缸的排气相位必须相互均匀错开 如发火顺序为1 5 3 6 2 4的直列6缸四冲程柴油机 可将1 2 3缸排气支管连接在一根排气管上 而4 5 6缸排气支管连接在另一根排气管上 对发火顺序为1 3 4 2的直列4缸柴油机 则应将1 4缸和2 3缸各连接一根排气管 6缸柴油机排气压力波示意图 a 6缸共一根排气管 b 3缸共一根排气管 3 4脉冲转换器脉冲转换器结构简图各缸排气通过较长的支管与脉冲转换器相连接 脉冲转换器再和涡轮进口连接 脉冲转换器的基本原理是 来自各缸的废气在收缩段加速 其压力能先转化为动能 然后在高速低压下在混合管中混合 较快的气流加速较慢的气流 实现气流速度平衡 在混合管中会产生膨胀波 传到先期排气 即速度较慢 的支管时 会产生一个较大的压力降而产生引射作用 从而避免了相邻2个气缸的排气过程有一部分重叠 而造成先排气的气缸的扫气干扰 在扩压段中气流的动能转化为压力能 然后进入涡轮 由于脉冲转换器要有一个容积较大的稳压 且要进行两次能量转换 压力能 动能 动能 压力能 伴随很大的流动损失 基于此 将脉冲转换器简化为一个Y形管 省去稳压室 缩减混合管 使结构大大简化 这种简单的脉冲转换器可使4缸 8缸和16缸柴油机获得与3脉冲增压系统大致相当的效果 3 5模件式脉冲转换器MPC系统MPC增压系统是由法国热机研究所提出的 已成功地应用在PC PA系列柴油机上 MPC系统实际上是多脉冲系统的发展 目的在于兼顾多脉冲系统和定压系统的优点而克服多脉冲变换系统中存在的压力波的反射以及定压系统中燃气动能损失的缺点 MPC系统结构是一种串接式排气管系统 每个气缸在其出口处接一个模件 如图所示 各个气缸的MPC模件彼此相连 其圆柱部分就组成了排气总管 一端封闭 另一端通向涡轮进口 向涡轮定压供气 与相应的气缸排气口连接是MPC的引射器 以角度 与圆柱部分相交 MPC模件 MPC增压系统 MPC系统的工作原理是 当气缸排气门打开后 废气即流入引射器 并在其中被加速 以较高的气流速度流向总管 压力明显下降 减少了总管中的压力波动 引射器喷嘴出口的气流速度能传递给总管内具有一定速度的气体 再一起流向涡轮进口 由于引射器本体的容积非常小 喷嘴对排气总管与引射器本体之间起了动力隔离作用 一方面使气缸排气初期的脉冲压力不会直接传到排气总管 干扰其他缸的扫气 另一方面 可使引射器内的压力能迅速跟上气缸内压力的变化 减少气流在排气门处的节流损失 还可消除多脉冲增压时遇到的压力波反射问题 MPC系统的能量传递效率与脉冲系统的相当 MPC系统中对性能影响较大的主要结构参数为 引射器的有效截面积F2及其形状引射器喷嘴出口截面积F2和进口截面积F1之比 即F2 F1 称为收缩系数f 一般可选取f 0 4 0 8 总管内径dd比定压增压系统的要小 其目的是为了保存速度能 引射器与总管的交角 一般 角在30 左右 较小的 角 可对其上游的气体起到较好的引射作用 有利于上游气缸的扫气 但 角过小 将引起引射器流道加长 甚至引起气流产生分离 流动损失 4 增压对柴油机工作过程主要参数的影响 1 对机械应力有关参数的影响 2 对热应力有关参数的影响 3 对动力性的影响 4 对扫气系数的影响 5 对充量系数的影响 6 对过量空气系数的影响 7 对机械效率的影响 5 增压系统热力参数的确定 主要的增压参数有 增压比 k或增压压力pk MPa 空气流量mk kg s 或容积流量V m3 s 涡轮前燃气平均温度TT K 确定增压参数的合理顺序应该是 先从考虑柴油机可靠性和寿命 热负荷 出发 定下涡轮前的排气温度TT 根据定出空气流量mk 再根据柴油机的通流特性确定增压压力pk 然后根据涡轮增压器的总效率确定涡轮前的平均排气压力 并初步确定涡轮的通流面积 1 空气流量mk涡轮增压柴油机所需的空气流量mL可按下列公式计算 5 1 压气机的空气流量 mk mL Z kg s 式中 Z 一台柴油机所用的增压器台数 s是总过量空气系数 一般通过能量平衡方程式来估算 2 增压压力pkpk ps pzk 5 2 式中 pzk 中冷器内压降 一般 pzk不超过5 6kPa 通过柴油机的空气流量还可以按下式计算 5 3 式 5 1 和式 5 3 应相等 故可得柴油机进气管内压力 5 4 pk与pe有关 一般 四冲程高速柴油机的pk pe 0 145 0 170 二冲程柴油机的pk pe 0 18 0 21 3 增压空气温度Tk 5 5 柴油机进气温度TsTs Tk Tzk 5 6 一般中冷器后的空气温度Ts比中冷器进水温度高10 25K 当Ts 273 70 K时 一般可不设中冷器 4 涡轮的流量mT一台柴油机匹配一个涡轮增压器时 mT mk gf式中 gf 每秒与一个增压器连接的气缸燃油消耗量 也可用下式估算得出 5 7 若取 1 8 L 0 14 3 s 1 15 则 在估算时 可取mT 1 1 03 mk 5 涡轮进口排气压力pT对于定压增压系统 涡轮前燃气压力pT可根据涡轮和压气机的功率平衡求出 即 NT Nk 5 8 式中 m 涡轮增压器机械效率 p 0 涡轮排气压力 涡轮增压器综合效率 Tk T k m 根据式 5 8 可确定满足功率平衡条件的pT值 为了保证柴油机扫气 pT应低于ps值 即低于pk值 为了分析pT和pk值的关系 将式 5 8 进行变换 令及则 5 9 若取k 1 4 kT 1 33 RT 29 3 R 29 27 则k1 1 15 其他参数均已知 故可确定PT值 有了排气流量mT 涡轮前排气平均压力pT和温度TT就可以估算涡轮流通面积 涡轮流通面积是由喷嘴环出口面积FN和涡轮轮动叶出口面积FB组成 首先有涡轮当量喷嘴面积F T 采用几何当量喷嘴面积F T 乘以总流量系数 T作为有效涡轮当量喷嘴面积FT 再根据涡轮通流特性计算出有效涡轮当量通流面积 TFT 其中 T随膨胀比 T的关系式或曲线一般由涡轮增压器厂提供 第八章涡轮增压器与内燃机的配合特性为内燃机匹配涡轮增压器一般应满足下列要求 1 满足内燃机所需的增压压力和空气流量 2 稳定工作 不发生喘振或堵塞 3 联合运行线传过压气机高效区 相平行 4 涡轮增压器可靠工作 不超速 不超温 8 1内燃机与涡轮 压气机的匹配内燃机与涡轮增压器的匹配包含三个方面 即内燃机与压气机的匹配 内燃机与涡轮的匹配 以及压气机与涡轮的匹配 1 内燃机与压气机的匹配压气机要达到预定的增压比及空气流量 涡轮前排气温度不超过设定值 增压压力也不宜过高 涡轮增压器转速不超过设计许可值 而且要具有足够高的效率 k 不同用途的内燃机对压气机特性的要求是不同的 对于发电用的固定式内燃机和按螺旋桨特性工作的船用内燃机 一般的压气机特性均能满足要求 而车用内燃机的转速范围宽广 要求相相应的压气机应具有宽广的流量范围和较宽的高效区 但压气机在高压比下要得到宽广的流量范围和高的效率是相当困难的 内燃机与压气机匹配时 要有压气机流量特性和内燃机的流通特性 将两种特性线相叠合就可看出其匹配情况 良好的匹配应是内燃机特性线穿过压气机的高效区 且最好使内燃机运行线与压气机等效线相平行 应防止内燃机耗气特性线处于压气机的低效区或过于接近喘振线 甚至穿过喘振线 一般要求内燃机低转速时的耗气特性线离开喘振线的距离 即喘振裕度 约为10 的喘振流量 2 内燃机与涡轮的匹配内燃机与涡轮匹配是否良好主要看涡轮流通能力的选择是否合适 其方法是在涡轮流通特性线上标上内燃机的工作特性线 如果内燃机工作线偏离该型号涡轮的流通特性线 就应选择较大型号或较小型号的涡轮 如果内燃机和涡轮二者流通特性相差不大 也可变换涡轮喷嘴环面积来改变涡轮的流通能力 以达到良好匹配 8 2涡轮增压器与柴油机配合运行点的确定涡轮增压器平衡运行的条件 功率平衡NT Nk 转速平衡nT nk 流量平衡mT mk mf 涡轮增压器的平衡工作点应落在柴油机相应工况的运行线上 根据功率平衡 得 式中 脉冲涡轮功率放大系数 KEK 对于定压涡轮 1 令 最后 得 根据流量平衡 通过涡轮的流量为 式中 T 脉冲系统流量缩小系数 对于定压涡轮增压系统 T 1 Tm 涡轮前平均燃气密度 T 通流函数 上述二式是确定涡轮增压器平衡运行点的基本方程 按照这两个方程绘成 能方便地确定平衡运行点 若已知 mTm TFT TTm pT0 T k m等值 则可从第三象限开始按图中虚线顺序找到压气机所能达到的 k值 如果所查到的 k值不能满足要求 则可从第二象限以所要求的 k值开始 按上述相反方向 找出相应的当量喷嘴面积FT作为进一步调整的依据 8 3涡轮增压器与柴油机配合特性的分析涡轮增压器与柴油机的配合特性曲线指的是二者联合运行的工作线 分析匹配情况的主要方法是将柴油机的流量特性线叠合到离心式压气机特性线上去 根据两组特性线的相对位置来进行分析研究 涡轮增压器与柴油机的配合特性线1 柴油机标定转速运转的等转速线 2 柴油机最低转速运行线 3 柴油机外特性线 4 柴油机按螺旋桨特性工作的运行线 曲线1是柴油机以标定转速运转的等转速线 柴油机在这个标定转速下 随着负荷的增大 废气能量增加 nTk k pz 柴油机在标定转速时的pemax受到nTkmax pz和TTmax的限制 曲线2是柴油机最低转速运行线 这时废气能量很小 所以 k和mk都较小 Pe受到排气冒烟极限的限制 而且pe 运行线愈接近喘振线 此时应防止其穿过喘振线而落入不稳定工作区 曲线3是柴油机外特性线 这时保持喷油量为最大值 随着n mT k pk 但这时循环供油量仍保持最大值 故排温TT较高 nTk和pk下降相对地较缓慢 故n mk 此时运行线易穿过喘振线 曲线4是按螺旋桨特性工作的运行线 它处于外特性运行线3和等转速运行线1之间 根据上述限制因素 可绘制出涡轮增压柴油机的运行范围 如下图 希望在图中伞形区域内工作 且尽量靠近喘振线与喘振线平行工作 这里 k较高 但尚需留有一定的余地 涡轮增压柴油机的运行范围 8 4涡轮增压器与柴油机配合特性线的调整 1 压气机喘振的调整联合运行线太靠近甚至穿过喘振线时 柴油机容易落入不稳定工作区 当柴油机只安装一台涡轮增压器时 引起压气机喘振的原因和消除的方法如下 增压器和柴油机的流量不匹配 增压器的流量偏大 这时可选小一点型号的涡轮增压器 使运行线脱离喘振线 压气机和涡轮匹配不当 压气机通流能力过大或涡轮通流能力过小 使涡轮不能通过压气机在正常工作状态下所提供的空气流量 致使压气机的运行点进入喘振区 消除喘振的措施 a 加大涡轮喷嘴环喉口面积或动叶喉口面积 涡轮的通流能力 运行线向大流量方向移动 如下图所示 运行线B的涡轮喷嘴喉口面积比运行线A的要大 b 减小压气机喘振流量 喘振线向小流量方向移动 涡轮喷嘴面积对联合运行线的影响 柴油机方面的原因引起压气机喘振 如扫气箱容积过小 其中压力波动过大 压气机输气管 中冷器 柴油机通流部分或涡轮进气管的阻力过大等等 都可能引起运行线穿越喘振线 如果是在使用一段时间后出现喘振 则可能是由于污染而引起的 导致运行线穿越喘振线 这时应清洗污垢 减小流通阻力 在涡轮增压柴油机中 往往情况较复杂 需要根据所测参数值进行综合分析判断 用箭头符号表示比正常值偏高 或偏低 a nTk pk pT pT0 TT值均正常 如发生喘振 可能是压气机和涡轮匹配不当 即压气机喘振流量太大或涡轮的通流能力太小 测取mk值 利用压气机特性线即可区分是压气机还是涡轮方面的原因造成喘振 b pk ps pT TT 喘振可能是压气机污染 结垢后 流动阻力 等引起的 c ps pT pT TT 发生喘振的原因可能是柴油机通流部分阻力过大或有漏泄 d pk ps pT TT 喘振可能是中冷器阻力过大引起的 e TT pT 或正常 TT TT0 正常 喘振可能是涡轮受污染等引起 t 造成的 f pT0 TT pT正常 发生喘振原因可能是涡轮排气受阻 背压太高 g nTk pT TT 发生喘振的原因可能是增压器轴承磨损 机械效率 m下降 2 涡轮增压器转速和增压压力的调整pk nTk 因此 nk和pk的调整方法是一致的 最常用的方法是 增大涡轮喷嘴环面积 使涡轮前燃气能量在涡轮中的焓降减小 nk pk 反之亦然 加大涡轮工作轮与机壳间的径向间隙 使涡轮效率 t下降 WT nTk pk 这种方法会造成各种工况下 t 没有积极意义 当柴油机按最大扭矩点选配涡轮增压器时 为防止标定工况时出现增压器超速 通常可采取 在涡轮前安置一个放气阀 mg 在压气机出口旁通一部分 mL 但前者浪费废气能量 后者浪费了涡轮功 两者均使经济性降低 3 涡轮前燃气温度的调整TT涡轮前的燃气温度TT是废气能量大小的重要标志 若TT过低 则能量不足 若TT过高 会烧坏涡轮叶片 两者都不行 TT应合适才行 涡轮前燃气温度的调整 提高TT措施 减小涡轮喷嘴环截面积 减少扫气重叠角 如果增加气门重叠角可增强扫气效果 v TT ge 但在定压系统中 受到低负荷时气体倒流的限制 因此低负荷时pk Tk 可能出现pT pk的情况 引起倒流 增加循环供油量 延长供油持续时间 减小供油提前角都可能后燃 TT 喷油压力不足 雾化不良 油气混合不好 均使燃烧恶化 TT 在脉冲系统中 在低负荷时 仍可利用波谷扫气 可取较大重叠角 柴油机进气温度对排气温度影响较大 若Ts Ta Tmax TT 一般Ts升高1K 则TT可能会升高2 3K 在未装中冷器的情况下 使运行线落在高效区 可装中冷器降低Tk 从而控制TT 8 5增压柴油机的热负荷及解决途径 1 增压柴油机的热负荷问题压缩始温的增加 必然造成柴油机工作循环各特征点温度相应提高 循环供油量增加后 虽然用于转变有用功的热量增加 但损失的热量也相应增加 导致排温升高 缸盖 鼻梁 区开裂 活塞环烧结 卡死 活塞热裂 涡轮转子热负荷过大损坏等 2 影响热负荷大小的主要因素a 扫气系数 气门重叠角 b 压气机出口温度 c 工作过程的合理组织 3 降低热负荷的主要措施a 适当增大进 排气门重叠角b 增大叠开期内的进 排气压差 进气管设计 c 增大进 排门的时间 截面 合理设计配气凸轮 扩大进排气门面积 增加摇臂比d 增压中