黃家田，張 楠

（1.海軍青島地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，青島 266001；2.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

某船安裝了兩臺6E390DZC型柴油主機(jī)，單機(jī)功率2207kW(3000PS)。其左主機(jī)原有的兩臺50ZP-Ⅲ型渦輪增壓器中，1#增壓器轉(zhuǎn)子部件嚴(yán)重?fù)p壞而報(bào)廢，導(dǎo)致主機(jī)長期降負(fù)荷使用，影響該船動力性能的正常發(fā)揮。因原型增壓器已被淘汰，又無配件可修復(fù)，因而采取了換型配機(jī)的方案，用VTR320型取代50ZP-Ⅲ型。但出于節(jié)省費(fèi)用等方面的考慮，只更換了一臺增壓器，由此而出現(xiàn)了兩臺不同型號的渦輪增壓器同機(jī)運(yùn)行的特殊事例。文章對這種特殊的換型配機(jī)方案的可行性作了分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了配機(jī)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明取得了良好效果。

1 柴油機(jī)串聯(lián)增壓系統(tǒng)的組成

6E390 DZC型柴油機(jī)的增壓系統(tǒng)由兩組渦輪增壓器與羅茨風(fēng)機(jī)串聯(lián)組成。渦輪采取脈沖增壓，每臺渦輪與三個缸的排氣管連接。一級增壓空氣經(jīng)中冷后，再經(jīng)羅茨風(fēng)機(jī)增壓，進(jìn)入柴油機(jī)的共用掃氣箱。

2 渦輪增壓器的選型和主要技術(shù)參數(shù)

50ZP-Ⅲ型渦輪增壓器是國內(nèi)70年代的改型產(chǎn)品，專為6E390DZC柴油機(jī)配機(jī)所用，已被淘汰。該型增壓器與目前應(yīng)用的VTR系列增壓器相比，性能指標(biāo)相對落后，以下是兩種渦輪增壓器的壓氣機(jī)特性圖（圖1，圖2）和主要技術(shù)參數(shù)（表1）。

3 渦輪增壓器與柴油機(jī)的配合估算

采用帶有羅茨風(fēng)機(jī)串聯(lián)增壓系統(tǒng)的船用主機(jī)，當(dāng)主機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時，可由羅茨風(fēng)機(jī)提供其所需的空氣量。當(dāng)主機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行時，可由渦輪增壓器提供其所需的空氣量。此時羅茨風(fēng)機(jī)基本處于卸荷狀態(tài)。因此，當(dāng)更換渦輪增壓器時，應(yīng)以主機(jī)高負(fù)荷時各個運(yùn)行點(diǎn)所需的空氣流量與壓力進(jìn)行估算。

渦輪增壓器與船用主機(jī)的配合，按推進(jìn)特性選取100%，90%，80%，70%四個運(yùn)行點(diǎn)，各運(yùn)行點(diǎn)所需的空氣流量與壓力參照以下公式估算。

圖1 50ZP-Ш型渦輪增壓器壓氣機(jī)特性曲線圖

表1 50ZP-Ⅲ型渦輪增壓器參數(shù)

其中：Gk為流量，kg/s；Ne為柴油機(jī)功率，Ps；qa為柴油機(jī)耗氣率。

其中：πk為壓比，Pk為增壓壓力（kg/s），Po為進(jìn)口壓力（kg/cm2）。

其中：Pe為平均有效壓力，kg/cm2；Ne為柴油機(jī)功率，3000Ps；n為轉(zhuǎn)速，500r/min；i為沖程數(shù)，二沖程；D為缸徑，390mm；Z為缸數(shù)，6缸；S為活塞行程，450mm。

3.1 經(jīng)估算各工作點(diǎn)所需的空氣流量與壓力值

表2計(jì)算得出柴油機(jī)各運(yùn)行點(diǎn)所需的空氣流量與壓力值，分別標(biāo)在50ZP-Ⅲ型以及VTR320型渦輪壓氣機(jī)特性曲線圖上，得出柴油機(jī)和渦輪增壓器的聯(lián)合工作運(yùn)行線（圖1，圖2）。

圖2 VTR320型渦輪增壓器壓氣機(jī)特性曲線圖

表2 各工作點(diǎn)所需的空氣流量與壓力值

4 渦輪增壓器與柴油機(jī)換型配合的可行性分析

4.1 兩型渦輪增壓器同機(jī)運(yùn)行的配合情況

1）50ZP—Ⅲ型渦輪增壓器

圖1所示，聯(lián)合運(yùn)行線通過壓氣機(jī)的高效區(qū)，且與喘振線基本平行，喘振裕度在10%～15%的范圍內(nèi)，但當(dāng)柴油機(jī)在100%負(fù)荷時，工作點(diǎn)越過高效區(qū)。以上情況表明，該型增壓器與柴油機(jī)的配合，能提供所需的空氣量，能平穩(wěn)聯(lián)合工作。但由于其效率較低，當(dāng)柴油機(jī)在100%負(fù)荷工作時，油耗和排溫可能增大。

2）VTR320型渦輪增壓器

圖2所示，聯(lián)合運(yùn)行線通過75%～78%的效率區(qū)，距喘振線較遠(yuǎn)，喘振裕度偏大。以上情況表明，由于該型增壓器效率較高，聯(lián)合運(yùn)行線未通過其高效區(qū)，未能充分發(fā)揮增壓器的效率，但運(yùn)行線所處區(qū)域仍可滿足柴油機(jī)高負(fù)荷時空氣量的需要，能平穩(wěn)聯(lián)合工作。

4.2 兩型渦輪增壓器在串聯(lián)增壓系統(tǒng)中的配合情況

在渦輪增壓器與羅茨風(fēng)機(jī)組成的串聯(lián)增壓系統(tǒng)中，兩臺效率不同的渦輪增壓器同機(jī)運(yùn)行，由于流量和壓力存在一定的差異，尤其在高負(fù)荷情況下，能否對柴油機(jī)的正常工作產(chǎn)生不良影響，是這次換型配機(jī)方案主要考慮的問題，以下是對可能出現(xiàn)的情況所做的分析。

1）渦輪增壓器與羅茨風(fēng)機(jī)在串聯(lián)增壓系統(tǒng)中的配合特性

在串聯(lián)增壓系統(tǒng)中，容積式壓氣機(jī)的負(fù)荷隨著柴油機(jī)流量的變化而變化。當(dāng)柴油機(jī)低負(fù)荷時，渦輪增壓器壓氣機(jī)不能提供柴油機(jī)所需的空氣量，而羅茨風(fēng)機(jī)可以滿足柴油機(jī)的空氣量。當(dāng)柴油機(jī)高負(fù)荷時，渦輪增壓器壓氣機(jī)中壓力升高，能滿足柴油機(jī)空氣量需要時，羅茨風(fēng)機(jī)可以大部分或全部卸荷。

圖3為帶有羅茨風(fēng)機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)中二沖程柴油機(jī)增壓壓力Pk與容積流量Vo的特性圖。圖中曲線1表示柴油機(jī)流量特性，曲線2表示柴油機(jī)在空載時羅茨風(fēng)機(jī)的壓力流量特性，曲線3表示柴油機(jī)部分負(fù)荷時羅茨風(fēng)機(jī)的壓力流量特性。a點(diǎn)為羅茨風(fēng)機(jī)在柴油機(jī)空載時，從大氣狀態(tài)吸入空氣，ac線表示當(dāng)柴油機(jī)由空載到全負(fù)荷時，羅茨風(fēng)機(jī)逐漸卸荷的情況。

2）兩型渦輪增壓器高負(fù)荷工作時的影響情況

由圖3可知，當(dāng)柴油機(jī)空載或低負(fù)荷時，廢氣能量小，渦輪增壓器不能滿足柴油機(jī)所需的空氣量，而羅茨風(fēng)機(jī)可提供柴油機(jī)所需的空氣量，因此，兩臺渦輪增壓器參數(shù)雖有一定差異，但在低負(fù)荷時同機(jī)運(yùn)行不會對柴油機(jī)產(chǎn)生不良影響。

當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷越高時，廢氣能量越大，此時，兩臺渦輪增壓器由于效率不同，產(chǎn)生的壓力和流量也不同，效率高的增壓器的壓力和流量將高于效率低的增壓器。經(jīng)兩組渦輪增壓的空氣進(jìn)入共用掃氣箱后，掃氣箱內(nèi)的平均壓力將高于效率低的增壓器的出口壓力，對效率低的增壓器形成背壓。由于柴油機(jī)采用串聯(lián)增壓方式，羅茨風(fēng)機(jī)是機(jī)械傳動的，而羅茨風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子可以有效的阻止掃氣箱內(nèi)的氣體倒流，所以，掃氣箱內(nèi)雖有背壓，對效率低的增壓器也不會造成干擾。掃氣箱內(nèi)壓力的升高將使柴油機(jī)的燃燒工況得到改善。因而，采用羅茨風(fēng)機(jī)的串聯(lián)增壓系統(tǒng)，為渦輪增壓器換型配機(jī)的工作平穩(wěn)提供了可靠保障。

圖3 帶有羅茨風(fēng)機(jī)的二沖程柴油機(jī)串聯(lián)增壓系統(tǒng)壓力流量特性

表3 排煙溫度參數(shù)表

5 換型配機(jī)后的效果

左主機(jī)渦輪增壓器換型配機(jī)后，經(jīng)過航行試驗(yàn)，在其它參數(shù)正常情況下，排煙溫度參數(shù)如表3所示。

從排煙溫度可以看出，增壓器換型配機(jī)后，柴油機(jī)的排煙溫度與標(biāo)準(zhǔn)還留有較大余地，排煙煙色正常，表明柴油機(jī)與增壓器的配合良好。主機(jī)轉(zhuǎn)速由原400r/min增加至480r/min，因航速已滿足使用，沒有再增加轉(zhuǎn)速。

6 結(jié)束語

采用兩臺不同效率的渦輪增壓器的配機(jī)方案，是根據(jù)該型柴油機(jī)所采用的容積式串聯(lián)增壓系統(tǒng)的特點(diǎn)而定的。主要利用機(jī)械驅(qū)動的容積式壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，避免了兩臺不同效率的渦輪增壓器在高負(fù)荷時可能出現(xiàn)的干擾現(xiàn)象。換型配機(jī)方案的成功實(shí)施，解決了一項(xiàng)長期未決的問題，不僅節(jié)省了一臺增壓器，同時解決了該船長期以來主機(jī)降負(fù)荷的問題，恢復(fù)了其動力性能。

[1]劉穎.船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社, 1979.

[2]顧宏中.船舶柴油機(jī)原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,1960.

[3]陸家祥.柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[4]胡以懷.船用柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)[M].上海:交通大學(xué)出版社, 2012.

[5]李磊.船用大功率柴油機(jī)渦輪增壓器設(shè)計(jì)優(yōu)化[M].北京:科學(xué)出版社, 2011.