船用增压器喷嘴环优化技术实船应用研究_骆怀宏.pdf

年第期船用增压器喷嘴环优化技术实船应用研究骆怀宏，尹自斌，（泉州海洋职业学院，福建 泉州 ；集美大学 轮机工程学院，福建 厦门 ；福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 ）摘要：本文针对某散货船主机降速节能后对主机运行工况的负面影响，基于柴油机与涡轮增压器之间的匹配特性及其优化措施的分析，对主机 型涡轮增压喷嘴环进行优化再匹配，以改善柴油机性能，为航运企业营运船舶提供可操作和重应用的节能减排方案。通过主机运转试验，结果表明主机在同一常用运行转速下，涡轮增压器喷嘴环优化后主机各缸的排气温度均有不同程度下降，主机扫气压力提高了 ，较优化前提高，改善了柴油机因降速引起的扫气压力低，排气温度高的不良性能。关键词：节能；优化；应用；增压器；喷嘴环中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；作者简介：骆怀宏（），男，福建泉州，汉，中级工程师，硕士研究生，船舶节能。引言尽管船舶的主机减速可以降低船舶的油耗以提高经济性，但对于在主推进装置柴油机额定工况下匹配的涡轮增压器，当柴油机降低转速，将影响涡轮增压器的运行性能，主机长时间在低负载工况下运行，尤其是当主机长时间低于额定功率的 运转时，会导致柴油机燃烧不良、废气涡轮增压器的效率降低扫气压力将降低很多油耗率升高的不良状况：从技术角度看，当主机减功率降速，船舶以经济航速航行时，必须采取适当的技术措施以解决低速航行的船舶对主机工作状态的影响。其中，柴油机增压器效率的降低，过剩空气系数能否确保燃料完全燃烧，体现在主机的扫气压力是否合理，这是主机转速下降到到一定水平时需要解决的主要问题。因此有必要对主机降速节能后的增压器 性 能 进 行 优 化 再 匹 配。本 文 通 过 对 某 散 货 船 型增压器喷嘴环的优化匹配，以提高实船主机降速航行后的性能，主要包括：分析柴油机和增压器的匹配特性和措施、优化匹配实船 型涡轮增压器的喷嘴环、试验并分析匹配效果。柴油机与增压器匹配特性和优化措施分析 柴油机和增压器匹配特性分析当主机在降低运行功率的情况下航行后，长期的低负荷运行将导致柴油机工作状况的恶化，导致涡轮增压器的扫气压力降低，柴油机排气温度升高，燃料和润滑油消耗增加等一系列问题。优化柴油机和涡轮增压器的匹配实质上是合理匹配柴油机的扫气压力，涡轮增压器效率和喘振裕度这三个因素，以找到最佳的运行平衡点，从而获取保证柴油机正常运行所需的扫气压力值。所匹配的涡轮增压器的运行效率并非越高越好。在实际匹配过程中，应综合考虑柴油机的性能参数和涡轮增压器的工作形式，以选择符合实际工作条件的涡轮增压器设备的效率值。为了获得良好的性能，涡轮增压器和柴油发动机的匹配还应满足以下主要要求：当主推进装置柴油机处于稳定的工作点时，涡轮增压器可以确保有足够的空气含量来供应柴油机，从而使柴油机可以达到预定的扫气压力，并且柴油机可以保持预期的要求，例如良好的工作状况和正常的燃油DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.04.039内燃机与配件 消耗；涡轮增压器的整体效率达到最佳值；涡轮增压器的工作线最大穿过压气机的高效率区，并与喘振线保持一定距离。实践表明，船用四冲程增压柴油机随转速变化对空气流量的影响可以用经验公式估算，公式如下：（）式中：柴油机转速为时的空气流量（）；柴油机额定转速时的空气流量（）；计算转速（）；柴油机额定转速（）。柴油机换气和增压所需要的供气量为：（）式中：额定工况下增压器供气量（）；：额定工况下柴油机燃料消耗量（）；：单位供气量（）；：空燃比（）；：过量空气系数；：换气过量系数。涡轮增压型柴油机在降速运行或使用一段时间以后会导致过量空气系数相应变低，为了改善发动机降速后运行的工况，提高柴油机的经济性，参与气缸内燃烧的空气密度必须予以提高，使增压器在额定工况下的供气量达到理想的数值，在计算中，应使过量空气系数.，换气过量系数.。四冲程增压器柴油机的涡轮增压器供气量公式如下：（）（）（）其中参与柴油机的空气流量分为两个部分，公式（）中前面一项的空气量参与缸内燃烧，后面一项的空气量形成为扫气压力，冷却气缸和活塞并夹带残留的燃烧气体逸出，我们可以依据额定工况下流量和压比确定增压器的匹配运行线。增压器性能优化措施（）当柴油机和涡轮增压器整体不匹配时，从整体上更换效率更高的增压器。尽管整体上用效率更高的增压器代替原始低效率的增压器，柴油机性能的优化效果非常明显，但更换新的增压器还必须重新设计安装支架和连接增压器的结构管道系统，由于较高的更换成本和工程量，通常不被船东采用。（）在不改变原有涡轮增压器管路连接的前提下，通过更换涡轮增压器的通流组件，以适当增加增压压力和空气流量，从而提高涡轮增压器效率，达到一定的优化效果。经过大量旨在优化涡轮增压器性能的实验和研究，发现当需要对增压器的性能小范围的调节时，可以通过调节扩压器，喷嘴环和发动机参数达到优化的目的。因此，在确保柴油机运行可靠性的前提下，通过适当地更换涡轮增压器的流通部件：扩压器或喷嘴环，将柴油机的运行线调整到高效率区域，使得参与主机气缸内燃烧和扫气的压缩空气增加。这将改善燃料燃烧的质量同时降低柴油机的燃料消耗和排气温度。通过更换原始涡轮增压器的流通组件来优化柴油发动机，尽管优化效果受到原始涡轮增压器可达到的总效率的限制，但是该优化方法相对简单，见效快，优化成本低且具有较高的效益。型涡轮增压器喷嘴环优化设计与应用 喷嘴环优化原理更改喷嘴环的截面积，增压器压气机的流通特性曲线图喷嘴环优化原理图不会受到影响。通过调节喷嘴环的流通面积可以使工作曲线左右浮动以适应压力特性。喷嘴环优化原理如图所示，当喷嘴环的流通面积增加到 时，压缩机工作线向右移动，增 压 比 会 相 应 降 低。相反，当喷嘴环流通面积减小到 时，压缩机工作线向左移动，增压比相应增加。减小喷嘴环的截面积是增加增压器增压压力的最简单、最有效的方法。选择涡轮增压器喷嘴环出口的流通面积需要合理适度，这通常是柴油机高负荷和低负荷条件下燃油消耗率值之间的中间值。这种措施可以将柴油机的进气压力改变百分之几至十以上，对增压器的压力比影响较大，性能优化效果明显。实船 型涡轮增压器喷嘴环优化设计 系列增压器装配如图所示，其中喷嘴环（）由一排固定的叶片形成的一组渐缩形通道，叶片截面形状为机翼形或平板形。型涡轮增压器喷嘴环技术规格参照表所示。转子总成；压端轴承；涡端轴承；压端轴承油室盖板；涡端轴承油室盖板；燃气进气壳；喷嘴环；喷嘴罩防爆罩；燃排壳；底座；空排壳；空进气壳；叶轮罩壳；扩压器；消音器；吸气弯头图 系列增压器装配图表 型增压器喷嘴环技术规格 系列通流面积（）当量面积 （）柴油机进气的表压力可按如下公式进行估算：（）（）由公式（）可推出：年第期 （）式中：柴油机进气压力；：柴油机预期进气压力；：优化前喷嘴环当量面积；：优化后喷嘴环当量面积。在现有喷嘴环当量面积 和柴油机当前进气压力 和预期进气压力 确定的前提下，由公式（）可得到优化后喷嘴环的当量面积，最后通过喷嘴环规格参数表得到对应的喷嘴环通流面积参数，选定优化喷嘴环的型号。查主机日常运行工况表可得主机未采取降速节能措施前，在 负荷时所对应的柴油机转速 时的正常扫气压力为 ，增压器喷嘴环型号为 ，由表可查得对应喷嘴环通流面积 ，当量面积 。在对主机进行减速降功率节能应用后，主机运行转速下降至 左右，扫气压力相应下降至 ，故可确定.、.、，由公式（）可计算出优化后喷嘴环当量面积 （.）.。根据计算结果，查表可选定优化后喷嘴环型号为 ，其当量面积 为 、流通面积 ，优化前后参数对照如表所示。表 喷嘴环优化前后参数名称优化前优化后喷嘴环型号 喷嘴面积（）当量面积 （）试验与分析主机增压器喷嘴环在经过优化计算后，确定了主机在降速后喷 嘴 环 优 化 的 型 号 和 规 格，当 增 压 器 喷 嘴 环 从 减小到 时，由于改变了涡轮喷嘴环出口的流通面积，根据 喷嘴环流通面积特性曲线，如图所示，增压器运行线的位置也随之发生改变。当增压器效率和流量系数为定值时，压气比随着运行线的改变而升高。增压器喷嘴环优化改造前后主机运转工况参数变化如表所示。图 喷嘴环流通面积特性图表 喷嘴环优化前后主机工况变化名称优化前优化后主机缸号（）各缸排温（）各缸爆压（）主机转速（）扫气温度（）扫气压力（）增压器进口温度（）增压器出口温度（）由表可知，优化后使用的 型喷嘴环比优化前使用的 型喷嘴环在柴油机同一额定工况下主机各缸的排气温和增压器废气端进出口温度均匀有不同程度下降，主机扫气压力提高了 ，较优化前提高。结论本文基于某散货船主机降速运行后，对 型增压器喷嘴环进行优化设计和应用，通过喷嘴环优化前后主机工况数据变化情况，结果表明：主机降速节能运行后，在同一常用运行转速下，增压器喷嘴环优化后主机各缸的排气温度 均 匀 有 不 同 程 度 下 降，主 机 扫 气 压 力 提 高 了 ，较优化前提高，有效改善了柴油机因降速引起的扫气压力降低和排气温度升高的不良性能。参考文献：余宏生，王文达 型增压器喷嘴环的改进设计内燃机车，（）：孟庆泉，徐峰 船舶柴油机低负荷运转的问题与对策 世界海运，（）：周跃华，陈淼船舶增压器配机计算分析交通部上海船舶运输科学研究所学报，（）：程文祥 船用柴油机超低负荷运行及策略分析 内燃机与配件，（）：任自中 船用柴油机增压器技术的发展趋势 机电设备，（）：熊俊 船用废气涡轮增压器叶轮设计及结构优化重庆大学，刘晓梅 可变几何涡轮增压器与柴油机匹配技术研究哈尔滨工程大学，张莉莉 可变截面涡轮增压器与柴油机的匹配研究西安工程大学，杨伟 慢速船上柴油机和涡轮增压器配合影响因素与特性研究科技资讯，（）：王君萍，李梅，李泽胜，牛其绪喷嘴环对柴油机性能的影响 铁道机车车辆，（）：周继有 增压器喷嘴环不匹配引发的故障 航海技术，（）：