低速船用柴油机与涡轮增压器的匹配

2016-05-04马帅吴亚飞邓健星

广东造船 2016年2期

马帅+吴亚飞+邓健星

摘要：通过玉柴船舶动力股份有限公司生产的WinGD 5RT-flex50-D低速船用柴油机与ABB增压器的匹配试验，研究涡轮增压器与柴油机的良好配合，以使柴油机获得预期的增压效果并使增压器能在各种负荷下高效稳定地运转。试验结果表明，影响低速船用柴油机与增压器匹配的主要因素有柴油机扫气压力值、增压器效率和柴油机喘振裕度值。同时试验说明，柴油机与涡轮增压器的匹配试验是一个综合平衡整机各项性能的一个重要过程。

关键词：柴油机；增压器；扫气压力

中图分类号：U664.121 文献标识码：A

Abstract：This paper researches the good coordination of turbocharger and diesel engine by the matching test of the low-speed marine diesel engine WinGD 5RT-flex50-D produced by Yuchai Marine Power Co.， Ltd. and ABB turbocharger to get the expected supercharging effect and ensures the effective and stable operation of supercharger under various loads. The test results show that the main factors influencing the matching of low-speed Marine diesel engine and supercharger include diesel engine scavenging pressure value， the efficiency of supercharger and the diesel engine surge margin value. The test shows at the same time， diesel engine and turbocharger matching test is an important process of comprehensive balance for the whole machine performance.

Keywords：Diesel engine；Turbocharger；Scavenging pressure

1 前言

废气涡轮增压技术是提高船用柴油机功率、降低燃油消耗率和减少排放的一项重要措施。

船用柴油机废气涡轮增压器是在某一确定的静态条件下设计的，当投入营运时随着环境条件的变化，必然会引起涡轮增压器性能的改变，出现诸如增压器工作不稳定、压气机出现喘振、废气涡轮出现阻塞、柴油机排气温度过高等现象，导致柴油机达不到预期的增压效果。因此，柴油机与增压器的匹配是否良好，对柴油机的运行起着十分重要的作用。

2 WinGD低速柴油机与涡轮增压器的性能匹配

所谓柴油机与增压器的匹配，严格来说应该是柴油机与增压系统的匹配，即柴油机和增压器的空气压力、流量等参数的合理匹配，使柴油机的性能（油耗率、排气温度、排放物等）达到最优。WinGD公司要求所有不同额定功率转速点的柴油机都要进行增压器匹配试验，同时该匹配试验需在额定转速功率点进行。

5RT-flex50-D柴油机是WinGD公司推出的新型二冲程、单作用、可逆转、废气涡轮增压器、低速超长冲程船用低速柴油机，该柴油机与涡轮增压器性能匹配主要目的是使柴油机在不同工况下运行均能达到所需的扫气压力、增压器效率、工作在喘振裕度范围内，以确保船舶的安全运行。

2.1 增压器性能参数的换算

2.1.1 参考条件

WinGD船用柴油机设计工况及参数计算是根据ISO3046标准确定的，进行增压器性能匹配所测的数据均须转换为ISO工况条件后再进行参数对比调节。

ISO标准工况参数如下：

空气进口温度： T1 = 25 °C

淡水冷却剂： t1≈35 °C

淡水冷却的扫气温度： T2 = 29 °C

海水冷却剂： t2≈35 °C

海水冷却的扫气温度： T3 = 25 °C

CMCR工况排气背压： P1= 300 mm WG≈300 Pa

2.1.2 ISO工况下扫气压力p值

根据5RT‐flex50-D型柴油机调试指南要求，调整好爆压和NOX排放，然后再调节扫气压力。额定扫气压力取决于柴油机额定功率点平均有效压力，各额定功率转速点ISO工况要求的额定扫气压力值参照WinGD R-Tuning软件中数值，R-Tuning软件标定了WinGD 5RT-flex50-D柴油机在ISO工况下所有功率转速点所要求的各项性能参数值。通过在软件中输入机型、额定功率、额定转速、调校方式等柴油机基本信息参数，即可计算出该柴油机在ISO状况下所需的扫气压力等信息。

玉柴船舶动力股份有限公司生产的5RT-flex50-D主机在额定功率点、ISO工况下运行时，主机所要求达到的扫气压力值为0.34 Mpa。

当主机稳定运行在额定功率点时，通过读取安装在主机扫气箱上面的压力表，读取扫气压力和当前环境工况等参数值输入WinGD R-Tuning软件，通过软件中的换算公式换算成ISO状况下扫气压力数值，将换算后的扫气压力数值与R-Tuning软件中要求的扫气压力值进行比较，根据两者数值的差异进行增压器喷嘴环和排气节流孔板大小的调节。如此循环调节，直至换算后的扫气压力值与R-Tuning软件中ISO标准状况所须扫气压力值相符。endprint

当主机完成在额定功率点与增压器扫气压力匹配调节后，为了验证主机在其它功率点扫气压力是否同样满足ISO标准状况下扫气压力，WinGD R-Tuning软件提供了主机在50%额定功率点、ISO工况下运行时所要求的扫气压力值。通过同样的换算方法进行扫气压力对比后，调节喷嘴环和排气节流孔板大小。

当主机在100%额定功率点和50%额定功率点运行时，主机实际扫气压力换算成ISO状况下扫气压力均能满足WinGD R-Tuning软件中所要求的扫气压力数值时，说明这台主机与增压器扫气压力匹配成功。

2.2 增压器效率ηT/C

2.2.1 对增压器效率η的要求

增压器与柴油机匹配过程中，增压器的效率是衡量柴油机工作的重要参数之一，但增压器效率并非越高越好，只有当增压器效率满足在要求范围内，才能符合柴油机最佳运行需要。根据每一种机型设计的平均有效压力、进气口高度和调校模式，计算出在不同调校模式下增压器效率的要求，在柴油机与增压器匹配试验过程中，须满足增压器效率范围的要求值。

2.2.2 增压器效率误差范围

每台增压器零部件的结构都会对柴油机部分载荷下的性能产生影响，所以对部分载荷下增压器效率给出了一个误差范围，负荷在50%到100%CMCR之间时，增压器效率误差应不超过要求值的+/-1%，低于50%时增压器效率值应不低于要求值的1%，同时要求增压器不得牺牲部分载荷的效率来达到CMCR点的高效率。

3 涡轮增压器的喘振

涡轮增压器在排气能量的推动下，带动压气机工作，实现进气的增压。在运转过程中，当压气机的流量减小到一定值时，气体进入工作叶轮和扩压器的方向偏离设计工况，造成气流从叶片或扩压器上强烈分流，同时产生强烈脉动，并有气体倒流，导致压气机振动，并发出沉重喘息声和吼叫声，这种现象称为压气机的喘振。

柴油机喘振通常发生在增压器转子转速较高以及气体流量较低时，主机偏离正常运行工况时会导致压缩机喘振线或主机运行线的偏移。为避免增压器喘振，应确保主机在所有工况下喘振裕度都能达到15%。

3.1 增压器喘振裕度

喘振是一种典型的涡轮增压器现象，当离心式压气机作为增压器的增压元件和柴油机配合工作时，压气机必须满足柴油机对它提出的空气量和压力的要求。根据WinGD 5RT-flex50-D柴油机在各种负荷下对压气机所要求的空气量和压缩比的变化，绘制5RT-flex50-D柴油机与增压器压气机工作特性曲线（图1），图中operating line为柴油机和增压器的设计配合工作线，压气机只有在黑色曲线周围区域工作，才能满足柴油机的要求。因此在柴油机和增压器配合工作时，要注意不要使压气机的工作状况落在黑色区域内，也不要与喘振线靠得太近，以保证增压器和柴油机能安全可靠地运行。试验表明，在大多数情况下，改变叶片扩压器的喉口面积和叶片进口角度能使压气机特性曲线左右移动。

3.2 喘振裕度稳定性试验

当完成主机磨合与调试程序后，增压器应核实喘振裕度以确保运行的可靠性，因此需进行增压器稳定性试验，该试验分为如下三个步骤：

（1）当柴油机在额定功率转速点稳定运行后，记录增压器各位置点性能参数；

（2）主机在CMCR点运行时，增压器喘振的数据，应按照图2中“S”线逐步增加排气背压；

（3）在“S”线下运行增压器未产生喘振，说明增压器喘振裕度足够，增压器喘振稳定试验成功；如果产生喘振，则需要根据增压器厂商建议更改增压器扩压环设计。

喘振是压气机的固有特性，是没有办法避免的，特别是低速及燃烧重渣油的船用二冲程柴油机。由于船用低速柴油机增压系统中气体需要经过以下十大环节：空气滤网、压气机、空冷器、中冷器、扫气箱、进气口、排气管、废气涡轮、烟囱，只要其中某一环节出现故障或者阻塞就可能引起增压器喘振。因此，为避免增压器的喘振，不仅要加强增压器的检测与保养，还要对柴油机的工作状况及时检测。

4 柴油机与增压器匹配成功的特性

当柴油机与废气涡轮增压器各项参数匹配完成后，柴油机与增压器配合的使用性能应满足以下三方面的要求：

（1）在额定功率转速点，必须达到预定的扫气压力及空气流量，并有足够的过量空气系数，使燃烧完全、油耗率低；

（2）在低功率（低速、低负荷）时，也必须有一定的空气量，以满足燃烧及降低热负荷的要求；

（3）在整个运转范围内，不发生增压器喘振与堵塞现象。

5 结论

（1）柴油机与增压器匹配试验过程中，实际的环境工况应转化为ISO工况进行计算，以得到柴油机所需的扫气压力值。

（2）柴油机与增压器匹配试验中，增压器运行效率并非越高越好，应根据增压器的类型和柴油机实际运行工况等综合因素进行考虑，以得出所要求的增压器运行效率值。

（3）当柴油机与增压器型号选定后，增压器的匹配主要通过调节增压器的喷嘴环和扩压器的大小进行调节。

（4）柴油机与增压器的匹配，实际上就是柴油机扫气压力、增压器效率、喘振裕度综合性能的一种平衡。

参考文献

[1] 周明顺.船舶柴油机[M].大连海事学院出版社，2014.