某型柴油机涡轮增压器换型配机方案分析

黄家田，张 楠

（1.海军青岛地区装备修理监修室，青岛 266001；2.上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

某船安装了两台6E390DZC型柴油主机，单机功率2207kW(3000PS)。其左主机原有的两台50ZP-Ⅲ型涡轮增压器中，1#增压器转子部件严重损坏而报废，导致主机长期降负荷使用，影响该船动力性能的正常发挥。因原型增压器已被淘汰，又无配件可修复，因而采取了换型配机的方案，用VTR320型取代50ZP-Ⅲ型。但出于节省费用等方面的考虑，只更换了一台增压器，由此而出现了两台不同型号的涡轮增压器同机运行的特殊事例。文章对这种特殊的换型配机方案的可行性作了分析，在此基础上进行了配机试验，实验证明取得了良好效果。

1 柴油机串联增压系统的组成

6E390 DZC型柴油机的增压系统由两组涡轮增压器与罗茨风机串联组成。涡轮采取脉冲增压，每台涡轮与三个缸的排气管连接。一级增压空气经中冷后，再经罗茨风机增压，进入柴油机的共用扫气箱。

2 涡轮增压器的选型和主要技术参数

50ZP-Ⅲ型涡轮增压器是国内70年代的改型产品，专为6E390DZC柴油机配机所用，已被淘汰。该型增压器与目前应用的VTR系列增压器相比，性能指标相对落后，以下是两种涡轮增压器的压气机特性图（图1，图2）和主要技术参数（表1）。

3 涡轮增压器与柴油机的配合估算

采用带有罗茨风机串联增压系统的船用主机，当主机低负荷运行时，可由罗茨风机提供其所需的空气量。当主机高负荷运行时，可由涡轮增压器提供其所需的空气量。此时罗茨风机基本处于卸荷状态。因此，当更换涡轮增压器时，应以主机高负荷时各个运行点所需的空气流量与压力进行估算。

涡轮增压器与船用主机的配合，按推进特性选取100%，90%，80%，70%四个运行点，各运行点所需的空气流量与压力参照以下公式估算。

图1 50ZP-Ш型涡轮增压器压气机特性曲线图

表1 50ZP-Ⅲ型涡轮增压器参数

其中：Gk为流量，kg/s；Ne为柴油机功率，Ps；qa为柴油机耗气率。

其中：πk为压比，Pk为增压压力（kg/s），Po为进口压力（kg/cm2）。

其中：Pe为平均有效压力，kg/cm2；Ne为柴油机功率，3000Ps；n为转速，500r/min；i为冲程数，二冲程；D为缸径，390mm；Z为缸数，6缸；S为活塞行程，450mm。

3.1 经估算各工作点所需的空气流量与压力值

表2计算得出柴油机各运行点所需的空气流量与压力值，分别标在50ZP-Ⅲ型以及VTR320型涡轮压气机特性曲线图上，得出柴油机和涡轮增压器的联合工作运行线（图1，图2）。

图2 VTR320型涡轮增压器压气机特性曲线图

表2 各工作点所需的空气流量与压力值

4 涡轮增压器与柴油机换型配合的可行性分析

4.1 两型涡轮增压器同机运行的配合情况

1）50ZP—Ⅲ型涡轮增压器

图1所示，联合运行线通过压气机的高效区，且与喘振线基本平行，喘振裕度在10%～15%的范围内，但当柴油机在100%负荷时，工作点越过高效区。以上情况表明，该型增压器与柴油机的配合，能提供所需的空气量，能平稳联合工作。但由于其效率较低，当柴油机在100%负荷工作时，油耗和排温可能增大。

2）VTR320型涡轮增压器

图2所示，联合运行线通过75%～78%的效率区，距喘振线较远，喘振裕度偏大。以上情况表明，由于该型增压器效率较高，联合运行线未通过其高效区，未能充分发挥增压器的效率，但运行线所处区域仍可满足柴油机高负荷时空气量的需要，能平稳联合工作。

4.2 两型涡轮增压器在串联增压系统中的配合情况

在涡轮增压器与罗茨风机组成的串联增压系统中，两台效率不同的涡轮增压器同机运行，由于流量和压力存在一定的差异，尤其在高负荷情况下，能否对柴油机的正常工作产生不良影响，是这次换型配机方案主要考虑的问题，以下是对可能出现的情况所做的分析。

1）涡轮增压器与罗茨风机在串联增压系统中的配合特性

在串联增压系统中，容积式压气机的负荷随着柴油机流量的变化而变化。当柴油机低负荷时，涡轮增压器压气机不能提供柴油机所需的空气量，而罗茨风机可以满足柴油机的空气量。当柴油机高负荷时，涡轮增压器压气机中压力升高，能满足柴油机空气量需要时，罗茨风机可以大部分或全部卸荷。

图3为带有罗茨风机串联系统中二冲程柴油机增压压力Pk与容积流量Vo的特性图。图中曲线1表示柴油机流量特性，曲线2表示柴油机在空载时罗茨风机的压力流量特性，曲线3表示柴油机部分负荷时罗茨风机的压力流量特性。a点为罗茨风机在柴油机空载时，从大气状态吸入空气，ac线表示当柴油机由空载到全负荷时，罗茨风机逐渐卸荷的情况。

2）两型涡轮增压器高负荷工作时的影响情况

由图3可知，当柴油机空载或低负荷时，废气能量小，涡轮增压器不能满足柴油机所需的空气量，而罗茨风机可提供柴油机所需的空气量，因此，两台涡轮增压器参数虽有一定差异，但在低负荷时同机运行不会对柴油机产生不良影响。

当柴油机负荷越高时，废气能量越大，此时，两台涡轮增压器由于效率不同，产生的压力和流量也不同，效率高的增压器的压力和流量将高于效率低的增压器。经两组涡轮增压的空气进入共用扫气箱后，扫气箱内的平均压力将高于效率低的增压器的出口压力，对效率低的增压器形成背压。由于柴油机采用串联增压方式，罗茨风机是机械传动的，而罗茨风机的转子可以有效的阻止扫气箱内的气体倒流，所以，扫气箱内虽有背压，对效率低的增压器也不会造成干扰。扫气箱内压力的升高将使柴油机的燃烧工况得到改善。因而，采用罗茨风机的串联增压系统，为涡轮增压器换型配机的工作平稳提供了可靠保障。

图3 带有罗茨风机的二冲程柴油机串联增压系统压力流量特性

表3 排烟温度参数表

5 换型配机后的效果

左主机涡轮增压器换型配机后，经过航行试验，在其它参数正常情况下，排烟温度参数如表3所示。

从排烟温度可以看出，增压器换型配机后，柴油机的排烟温度与标准还留有较大余地，排烟烟色正常，表明柴油机与增压器的配合良好。主机转速由原400r/min增加至480r/min，因航速已满足使用，没有再增加转速。

6 结束语

采用两台不同效率的涡轮增压器的配机方案，是根据该型柴油机所采用的容积式串联增压系统的特点而定的。主要利用机械驱动的容积式压气机的结构特点，避免了两台不同效率的涡轮增压器在高负荷时可能出现的干扰现象。换型配机方案的成功实施，解决了一项长期未决的问题，不仅节省了一台增压器，同时解决了该船长期以来主机降负荷的问题，恢复了其动力性能。

[1]刘颖.船用柴油机设计手册[M].北京:国防工业出版社, 1979.

[2]顾宏中.船舶柴油机原理[M].北京:国防工业出版社,1960.

[3]陆家祥.柴油机涡轮增压技术[M].北京:机械工业出版社, 2004.

[4]胡以怀.船用柴油机推进系统[M].上海:交通大学出版社, 2012.

[5]李磊.船用大功率柴油机涡轮增压器设计优化[M].北京:科学出版社, 2011.