劉文奇
(太原理工大學(xué)車(chē)輛工程系,山西 太原 030024)
廢氣渦輪增壓氣體機(jī)性能的好壞,不僅要看氣體機(jī)及增壓器自身的性能,還取決于兩者間的匹配是否合理。即使壓氣機(jī)和渦輪的設(shè)計(jì)點(diǎn)效率都很高,但壓氣機(jī)或渦輪的運(yùn)行點(diǎn)不在它們的高效率區(qū),則增壓器在實(shí)際運(yùn)行中的效率還是不可能高。因此,增壓氣體機(jī)要獲得良好的性能指標(biāo),關(guān)鍵在于解決好增壓器與氣體機(jī)的匹配問(wèn)題。雖然當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已使我們有可能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù),應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行理論計(jì)算,選取比較合適的增壓匹配方案,但是還是有必要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證所選方案是否合理,有必要通過(guò)試驗(yàn)調(diào)整和修改增壓器的某些結(jié)構(gòu)參數(shù),以使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下的耗氣特性曲線處于壓氣機(jī)特性曲線的高效區(qū),且偏離喘振線。在8300ZLD 增壓型氣體機(jī)的研制過(guò)程中,通過(guò)大量的匹配調(diào)整試驗(yàn),較好地確定了GH210 增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的主要結(jié)構(gòu)參數(shù),使8300ZLD 增壓型氣體機(jī)達(dá)到了較好的性能指標(biāo)。
在增壓匹配試驗(yàn)的同時(shí),電子調(diào)速器的匹配同樣影響著增壓氣體機(jī)的性能。
8300ZLD 增壓型氣體機(jī)和GH210 增壓器的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 發(fā)動(dòng)機(jī)及增壓器的主要技術(shù)參數(shù)
在整體布置上,渦輪增壓器位于飛輪上方,壓氣機(jī)出口通過(guò)彎管與中冷器連接,再串連著阻燃閥和節(jié)流蝶閥。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管與增壓器渦輪箱通過(guò)一個(gè)膨脹節(jié)連接,不需要過(guò)渡彎管,保證了氣流的順暢。這樣不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,也有利于提高增壓效率。
電子調(diào)速器由控制器和轉(zhuǎn)角電機(jī)組成,控制器型號(hào)為T(mén)OP4210(圖1),轉(zhuǎn)角電機(jī)型號(hào)為T(mén)OP4330(圖2)。轉(zhuǎn)角電機(jī)通過(guò)聯(lián)桿機(jī)構(gòu)控制著進(jìn)氣管的節(jié)流蝶閥(圖3)。
圖1 控制器
圖2 轉(zhuǎn)角電機(jī)
圖3 轉(zhuǎn)角電機(jī)連接
天然氣機(jī)與增壓器匹配的算法很多,最終目的是計(jì)算出標(biāo)定點(diǎn)處增壓的壓力和空氣流量參數(shù)。用來(lái)選型增壓器并大致確定渦輪機(jī)和壓氣機(jī)的規(guī)格。本試驗(yàn)中,按照有關(guān)文獻(xiàn)介紹的計(jì)算方法[1],根據(jù)8300ZLD 氣體機(jī)的技術(shù)參數(shù),對(duì)一些參與運(yùn)算的參數(shù)作出經(jīng)驗(yàn)估計(jì),求出要求數(shù)值。經(jīng)過(guò)計(jì)算,獲得的增壓器流量為1.711 kg/s,增壓壓力1.754 bar,壓比1.818。據(jù)此選型增壓器為GH210,并確定了壓氣機(jī)和渦輪機(jī)方案。對(duì)渦輪機(jī)和壓氣機(jī)進(jìn)行組合,形成三個(gè)GH210整機(jī)試驗(yàn)方案。見(jiàn)表2 GH210 試驗(yàn)整機(jī)方案。
表2 GH210 試驗(yàn)整機(jī)方案
由于8300ZLD 型氣體機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力,因此增壓匹配試驗(yàn)均按負(fù)荷特性進(jìn)行性能的相對(duì)比較,比較的重點(diǎn)是缸溫和氣耗指標(biāo)。
方案一的壓氣機(jī)進(jìn)口當(dāng)量面積為148 cm2,并配置圓弧形葉片擴(kuò)壓器。渦輪機(jī)當(dāng)量流通面積為61.2 cm2。
試驗(yàn)結(jié)果是:發(fā)動(dòng)機(jī)功率拉到了標(biāo)定點(diǎn),但標(biāo)定點(diǎn)處的閥后溫度和渦前溫度都是較高,前者>650 ℃,后者>700 ℃。過(guò)高的熱負(fù)荷對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)及增壓器是不能承受的,必然降低發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。燃?xì)鉄岷穆室哺哌_(dá)到11.8 MJ/kwh,可見(jiàn)氣耗偏高,超過(guò)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。
針對(duì)方案一溫度高的問(wèn)題,采取的措施是:維持壓氣機(jī)不變,將渦輪機(jī)的當(dāng)量流通面積減小約15%,即由原來(lái)61.2 cm2減小至50.6 cm2。按照增壓匹配的理論和經(jīng)驗(yàn)來(lái)講,減小渦輪機(jī)的當(dāng)量流通面積,將提高增壓器轉(zhuǎn)速并提升增壓壓力,進(jìn)而降低缸溫和渦前溫度。這是因?yàn)樵黾恿诉^(guò)量空氣和掃氣量,且提高了掃氣壓力比。但過(guò)分減小渦輪流通面積,將會(huì)使渦前壓力升高過(guò)多,渦輪過(guò)早阻塞。這些理論在柴油機(jī)試驗(yàn)中得到了多次驗(yàn)證,但在大缸徑的氣體機(jī)上試驗(yàn)的并不多。方案二試驗(yàn)結(jié)果表明,較小通流面積的渦輪機(jī)提升了壓氣機(jī)后壓力,當(dāng)然中冷后的壓力也增加了,在標(biāo)定點(diǎn)處增加了12 kPa。缸溫、渦前溫和氣耗率均略有下降。但是,方案二的溫度和氣耗指標(biāo)仍較高。
方案三的壓氣機(jī)葉輪進(jìn)口當(dāng)量面積做了放大處理,由上面方案的148 cm2,增加到158 cm2。為拓寬大流量范圍,配置了無(wú)葉擴(kuò)壓器。在理論上,這樣的壓氣機(jī)更適合氣體機(jī)所要求的大流量低壓比的特點(diǎn)。渦輪機(jī)恢復(fù)了方案一的狀態(tài)。這是因?yàn)榉桨付男Ч槐确桨敢缓煤芏?,從前兩方案的分析可?jiàn),壓氣機(jī)是造成前兩方案不理想的主要原因。方案三的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。
表3 方案三的負(fù)荷特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)
對(duì)表3 中數(shù)據(jù)整理成圖,并同時(shí)與前兩方案進(jìn)行對(duì)比。見(jiàn)圖4 三個(gè)方案的性能對(duì)比。
圖4 三個(gè)方案性能對(duì)比
從圖4 可明顯看出,方案三較前兩個(gè)方案的匹配效果好。盡管增壓壓力沒(méi)有方案二的壓力高,但閥座后溫度、渦前溫度和氣耗都大幅下降。渦前溫度約等于660 ℃左右,降幅達(dá)5.42%;氣耗下降了17.9%。基本實(shí)現(xiàn)了匹配目標(biāo)。
由于8300ZLD 增壓機(jī)屬于新型產(chǎn)品,控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定,這時(shí)就得采用PID 控制技術(shù)。即將設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差值進(jìn)行比例(P)、積分(I)和微分(D)運(yùn)算后,再通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量,來(lái)調(diào)節(jié)蝶閥。
經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后,PID 參數(shù)確定下來(lái)。見(jiàn)圖5。
圖5 PID 參數(shù)
隨后進(jìn)行了轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性試驗(yàn)。即從400 轉(zhuǎn)開(kāi)始,以50轉(zhuǎn)間隔逐漸提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,試驗(yàn)表明8300ZLD 增壓機(jī)均能正常運(yùn)行,無(wú)游車(chē)現(xiàn)象,且轉(zhuǎn)速波動(dòng)率<0.25%,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性滿足發(fā)電GB2820-97 的調(diào)速要求。
增壓器的三個(gè)匹配方案的對(duì)比,說(shuō)明了大缸徑低平均有效壓力的氣體機(jī)的增壓匹配特點(diǎn)是:低壓比、大流量、高效率。這個(gè)要求與現(xiàn)代高強(qiáng)度的柴油機(jī)增壓匹配是不同的,后者強(qiáng)調(diào)高壓比、小流量、高效率??梢?jiàn),這兩類(lèi)增壓器的設(shè)計(jì)是不同的。同樣,在增壓器保證了增壓壓力的前提下,電子調(diào)速器須保證對(duì)節(jié)氣門(mén)的準(zhǔn)確控制。
[1]蘇展望,龐志偉,郭軍良,等.渦輪增壓器與燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的匹配及主要增壓參數(shù)的計(jì)算[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2008,6(108):15-17.
[2]席躍進(jìn),劉建華,張欣,等.WT615 型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)模擬計(jì)算及性能分析[J].內(nèi)燃機(jī),2006(1):39-41.