黄家田,张 楠
(1.海军青岛地区装备修理监修室,青岛 266001;2.上海船舶设备研究所,上海 200031)
某船安装了两台6E390DZC型柴油主机,单机功率2207kW(3000PS)。其左主机原有的两台50ZP-Ⅲ型涡轮增压器中,1#增压器转子部件严重损坏而报废,导致主机长期降负荷使用,影响该船动力性能的正常发挥。因原型增压器已被淘汰,又无配件可修复,因而采取了换型配机的方案,用VTR320型取代50ZP-Ⅲ型。但出于节省费用等方面的考虑,只更换了一台增压器,由此而出现了两台不同型号的涡轮增压器同机运行的特殊事例。文章对这种特殊的换型配机方案的可行性作了分析,在此基础上进行了配机试验,实验证明取得了良好效果。
6E390 DZC型柴油机的增压系统由两组涡轮增压器与罗茨风机串联组成。涡轮采取脉冲增压,每台涡轮与三个缸的排气管连接。一级增压空气经中冷后,再经罗茨风机增压,进入柴油机的共用扫气箱。
50ZP-Ⅲ型涡轮增压器是国内70年代的改型产品,专为6E390DZC柴油机配机所用,已被淘汰。该型增压器与目前应用的VTR系列增压器相比,性能指标相对落后,以下是两种涡轮增压器的压气机特性图(图1,图2)和主要技术参数(表1)。
采用带有罗茨风机串联增压系统的船用主机,当主机低负荷运行时,可由罗茨风机提供其所需的空气量。当主机高负荷运行时,可由涡轮增压器提供其所需的空气量。此时罗茨风机基本处于卸荷状态。因此,当更换涡轮增压器时,应以主机高负荷时各个运行点所需的空气流量与压力进行估算。
涡轮增压器与船用主机的配合,按推进特性选取100%,90%,80%,70%四个运行点,各运行点所需的空气流量与压力参照以下公式估算。
图1 50ZP-Ш型涡轮增压器压气机特性曲线图
表1 50ZP-Ⅲ型涡轮增压器参数
其中:Gk为流量,kg/s;Ne为柴油机功率,Ps;qa为柴油机耗气率。
其中:πk为压比,Pk为增压压力(kg/s),Po为进口压力(kg/cm2)。
其中:Pe为平均有效压力,kg/cm2;Ne为柴油机功率,3000Ps;n为转速,500r/min;i为冲程数,二冲程;D为缸径,390mm;Z为缸数,6缸;S为活塞行程,450mm。
表2计算得出柴油机各运行点所需的空气流量与压力值,分别标在50ZP-Ⅲ型以及VTR320型涡轮压气机特性曲线图上,得出柴油机和涡轮增压器的联合工作运行线(图1,图2)。
图2 VTR320型涡轮增压器压气机特性曲线图
表2 各工作点所需的空气流量与压力值
1)50ZP—Ⅲ型涡轮增压器
图1所示,联合运行线通过压气机的高效区,且与喘振线基本平行,喘振裕度在10%~15%的范围内,但当柴油机在100%负荷时,工作点越过高效区。以上情况表明,该型增压器与柴油机的配合,能提供所需的空气量,能平稳联合工作。但由于其效率较低,当柴油机在100%负荷工作时,油耗和排温可能增大。
2)VTR320型涡轮增压器
图2所示,联合运行线通过75%~78%的效率区,距喘振线较远,喘振裕度偏大。以上情况表明,由于该型增压器效率较高,联合运行线未通过其高效区,未能充分发挥增压器的效率,但运行线所处区域仍可满足柴油机高负荷时空气量的需要,能平稳联合工作。
在涡轮增压器与罗茨风机组成的串联增压系统中,两台效率不同的涡轮增压器同机运行,由于流量和压力存在一定的差异,尤其在高负荷情况下,能否对柴油机的正常工作产生不良影响,是这次换型配机方案主要考虑的问题,以下是对可能出现的情况所做的分析。
1)涡轮增压器与罗茨风机在串联增压系统中的配合特性
在串联增压系统中,容积式压气机的负荷随着柴油机流量的变化而变化。当柴油机低负荷时,涡轮增压器压气机不能提供柴油机所需的空气量,而罗茨风机可以满足柴油机的空气量。当柴油机高负荷时,涡轮增压器压气机中压力升高,能满足柴油机空气量需要时,罗茨风机可以大部分或全部卸荷。
图3为带有罗茨风机串联系统中二冲程柴油机增压压力Pk与容积流量Vo的特性图。图中曲线1表示柴油机流量特性,曲线2表示柴油机在空载时罗茨风机的压力流量特性,曲线3表示柴油机部分负荷时罗茨风机的压力流量特性。a点为罗茨风机在柴油机空载时,从大气状态吸入空气,ac线表示当柴油机由空载到全负荷时,罗茨风机逐渐卸荷的情况。
2)两型涡轮增压器高负荷工作时的影响情况
由图3可知,当柴油机空载或低负荷时,废气能量小,涡轮增压器不能满足柴油机所需的空气量,而罗茨风机可提供柴油机所需的空气量,因此,两台涡轮增压器参数虽有一定差异,但在低负荷时同机运行不会对柴油机产生不良影响。
当柴油机负荷越高时,废气能量越大,此时,两台涡轮增压器由于效率不同,产生的压力和流量也不同,效率高的增压器的压力和流量将高于效率低的增压器。经两组涡轮增压的空气进入共用扫气箱后,扫气箱内的平均压力将高于效率低的增压器的出口压力,对效率低的增压器形成背压。由于柴油机采用串联增压方式,罗茨风机是机械传动的,而罗茨风机的转子可以有效的阻止扫气箱内的气体倒流,所以,扫气箱内虽有背压,对效率低的增压器也不会造成干扰。扫气箱内压力的升高将使柴油机的燃烧工况得到改善。因而,采用罗茨风机的串联增压系统,为涡轮增压器换型配机的工作平稳提供了可靠保障。
图3 带有罗茨风机的二冲程柴油机串联增压系统压力流量特性
表3 排烟温度参数表
左主机涡轮增压器换型配机后,经过航行试验,在其它参数正常情况下,排烟温度参数如表3所示。
从排烟温度可以看出,增压器换型配机后,柴油机的排烟温度与标准还留有较大余地,排烟烟色正常,表明柴油机与增压器的配合良好。主机转速由原400r/min增加至480r/min,因航速已满足使用,没有再增加转速。
采用两台不同效率的涡轮增压器的配机方案,是根据该型柴油机所采用的容积式串联增压系统的特点而定的。主要利用机械驱动的容积式压气机的结构特点,避免了两台不同效率的涡轮增压器在高负荷时可能出现的干扰现象。换型配机方案的成功实施,解决了一项长期未决的问题,不仅节省了一台增压器,同时解决了该船长期以来主机降负荷的问题,恢复了其动力性能。
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