增压器、电调与8300ZLD 气体机的匹配试验研究

2015-11-28刘文奇

山西电子技术 2015年1期

刘文奇

(太原理工大学车辆工程系，山西太原 030024)

废气涡轮增压气体机性能的好坏，不仅要看气体机及增压器自身的性能，还取决于两者间的匹配是否合理。即使压气机和涡轮的设计点效率都很高，但压气机或涡轮的运行点不在它们的高效率区，则增压器在实际运行中的效率还是不可能高。因此，增压气体机要获得良好的性能指标，关键在于解决好增压器与气体机的匹配问题。虽然当代科学技术的发展已使我们有可能根据发动机的设计参数，应用电子计算机进行理论计算，选取比较合适的增压匹配方案，但是还是有必要通过试验验证所选方案是否合理，有必要通过试验调整和修改增压器的某些结构参数，以使发动机在各种工况下的耗气特性曲线处于压气机特性曲线的高效区，且偏离喘振线。在8300ZLD 增压型气体机的研制过程中，通过大量的匹配调整试验，较好地确定了GH210 增压器与发动机匹配的主要结构参数，使8300ZLD 增压型气体机达到了较好的性能指标。

在增压匹配试验的同时，电子调速器的匹配同样影响着增压气体机的性能。

1 气体机、增压器及电子调速器主要技术参数

8300ZLD 增压型气体机和GH210 增压器的主要技术参数见表1。

表1 发动机及增压器的主要技术参数

在整体布置上，涡轮增压器位于飞轮上方，压气机出口通过弯管与中冷器连接，再串连着阻燃阀和节流蝶阀。发动机排气管与增压器涡轮箱通过一个膨胀节连接，不需要过渡弯管，保证了气流的顺畅。这样不仅结构简单，也有利于提高增压效率。

电子调速器由控制器和转角电机组成，控制器型号为TOP4210(图1)，转角电机型号为TOP4330(图2)。转角电机通过联杆机构控制着进气管的节流蝶阀(图3)。

图1 控制器

图2 转角电机

图3 转角电机连接

2 匹配点参数的估算

天然气机与增压器匹配的算法很多，最终目的是计算出标定点处增压的压力和空气流量参数。用来选型增压器并大致确定涡轮机和压气机的规格。本试验中，按照有关文献介绍的计算方法［1］，根据8300ZLD 气体机的技术参数，对一些参与运算的参数作出经验估计，求出要求数值。经过计算，获得的增压器流量为1.711 kg/s，增压压力1.754 bar，压比1.818。据此选型增压器为GH210，并确定了压气机和涡轮机方案。对涡轮机和压气机进行组合，形成三个GH210整机试验方案。见表2 GH210 试验整机方案。

表2 GH210 试验整机方案

3 增压匹配试验

由于8300ZLD 型气体机主要用作发电机组的动力，因此增压匹配试验均按负荷特性进行性能的相对比较，比较的重点是缸温和气耗指标。

3.1 方案一的试验

方案一的压气机进口当量面积为148 cm2，并配置圆弧形叶片扩压器。涡轮机当量流通面积为61.2 cm2。

试验结果是:发动机功率拉到了标定点，但标定点处的阀后温度和涡前温度都是较高，前者＞650 ℃，后者＞700 ℃。过高的热负荷对于发动机及增压器是不能承受的，必然降低发动机的可靠性。燃气热耗率也高达到11.8 MJ/kwh，可见气耗偏高，超过了设计目标。

3.2 方案二的试验

针对方案一温度高的问题，采取的措施是:维持压气机不变，将涡轮机的当量流通面积减小约15%，即由原来61.2 cm2减小至50.6 cm2。按照增压匹配的理论和经验来讲，减小涡轮机的当量流通面积，将提高增压器转速并提升增压压力，进而降低缸温和涡前温度。这是因为增加了过量空气和扫气量，且提高了扫气压力比。但过分减小涡轮流通面积，将会使涡前压力升高过多，涡轮过早阻塞。这些理论在柴油机试验中得到了多次验证，但在大缸径的气体机上试验的并不多。方案二试验结果表明，较小通流面积的涡轮机提升了压气机后压力，当然中冷后的压力也增加了，在标定点处增加了12 kPa。缸温、涡前温和气耗率均略有下降。但是，方案二的温度和气耗指标仍较高。

3.3 方案三的试验

方案三的压气机叶轮进口当量面积做了放大处理，由上面方案的148 cm2，增加到158 cm2。为拓宽大流量范围，配置了无叶扩压器。在理论上，这样的压气机更适合气体机所要求的大流量低压比的特点。涡轮机恢复了方案一的状态。这是因为方案二的效果不比方案一好很多，从前两方案的分析可见，压气机是造成前两方案不理想的主要原因。方案三的试验数据见表3。