低速船用柴油机与涡轮增压器的匹配

1、低速船用柴油机与涡轮增压器的匹配 ：This paper researches the good coordination of turbocharger and diesel engine by the matching test of the low-speed marine diesel engine WinGD5RT-flex50-D produced by Yuchai Marine Power Co. ， Ltd. and ABB turbocharger to get the expected supercharging effect and ensures the effect

2、ive 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 va

3、lue. 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

4、 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

5、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： 淡水冷却剂：t135 C 淡水冷却的扫气温度： T2 = 2

6、9 C 海水冷却剂：t235 C 海水冷却的扫气温度： T3 = 25 C CMC工况排气背压： P1= 300 mm W3 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非放，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、

7、 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XX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

8、， 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。 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， WinGDR-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 Win GDR-Tu ning 软件中所要求的扫气压力数值时， 说明这台主机与增

9、压器扫气压 力匹配成功。 2.2增压器效率n T/C 221对增压器效率n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喘U 100%CMC之

10、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CMC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

11、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

12、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CMC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

13、 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