《課題10柴油機(jī) 增壓 船舶主機(jī)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《課題10柴油機(jī) 增壓 船舶主機(jī)（12頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、課題十 柴油機(jī)增壓 目的要求： 1．熟悉增壓的目的。 2．熟悉幾種增壓系統(tǒng)的工作原理及特點(diǎn)。 3．掌握廢氣渦輪增壓的工作原理。 4．了解兩種廢氣渦輪增壓特點(diǎn)。 5．掌握廢氣渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)。 6．掌握離心式壓氣機(jī)的通流特性和喘振機(jī)理。 7．掌握增壓器與柴油機(jī)的配合要求。 重點(diǎn)難點(diǎn)： 1．廢氣渦輪增壓的工作原理及結(jié)構(gòu)。 2．壓氣機(jī)的喘振機(jī)理。 3．增壓器與柴油機(jī)的配合要求。 教學(xué)時(shí)數(shù)：4學(xué)時(shí) 教學(xué)方法：多媒體講授 課外思考題： 1．柴油機(jī)增壓的目的是什么？ 2．柴油機(jī)增壓的方式有哪幾種？各有何特點(diǎn)？ 3．比較

2、兩種廢氣渦輪增壓方式。 4．VTR廢氣渦輪增壓器的構(gòu)造與特點(diǎn)。 5．喘振及發(fā)生的原因是什么？ 6．哪些運(yùn)轉(zhuǎn)工況易導(dǎo)致喘振的發(fā)生？ 課題十 柴油機(jī)增壓 第一節(jié) 柴油機(jī)增壓系統(tǒng) 一、柴油機(jī)增壓概述 根據(jù)有效功率的計(jì)算公式：，可知，提高柴油機(jī)的有效功率有下列途徑： （1）改變柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)i、D、S、m。增大這些參數(shù)可以提高柴油機(jī)的功率，但是提高的幅度受到多種因素的限制。 （2）提高柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加可以增大柴油機(jī)作功頻率，提高功率。但轉(zhuǎn)速增加會使磨損增加，柴油機(jī)的慣性力增加，使柴油機(jī)壽命縮短

3、，可靠性變差。對于船用主機(jī)還受到螺旋槳效率的限制，因而這種方法也是有限度的。目前新型船用低速柴油機(jī)大多降低轉(zhuǎn)速以獲得更高的經(jīng)濟(jì)性。 （3）提高平均有效壓力pe。提高平均有效壓力pe可以增加柴油機(jī)的功率。對pe影響最主要的因素是新氣的密度。提高進(jìn)氣密度，就可以增加氣缸充氣量，使更多的燃油完全燃燒，從而大幅度提高柴油機(jī)的功率。而空氣密度的增加對以通過提高進(jìn)氣壓力和降低進(jìn)氣溫度來實(shí)現(xiàn)。 所謂增壓，就是用提高氣缸進(jìn)氣壓力的方法，使進(jìn)入氣缸的空氣密度增加，從而可以增加噴入氣缸的燃油量，以提高柴油機(jī)的平均指示壓力pi和柴油機(jī)的平均有效壓力pe。柴油機(jī)的增壓程度一般以增壓度來表示，增壓度

4、是柴油機(jī)增壓后標(biāo)定功率與增壓前標(biāo)定功率之差值與增壓前標(biāo)定功率的比值。 由于空氣在增壓器中被壓縮時(shí)壓力和溫度是同時(shí)升高的，這就影響了空氣密度的增加和增壓的效果。因此，在增壓器后都設(shè)有中冷器以降低空氣溫度，提高空氣密度。通常中冷器都是以海水來冷卻的。中冷的另一個(gè)作用是降低柴油機(jī)的循環(huán)平均溫度。 二、柴油機(jī)增壓系統(tǒng) 1．機(jī)械增壓（圖10-1） 增壓器直接由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)。顯然這種增壓形式將消耗柴油機(jī)的有效功率。隨著增壓壓力的提高，柴油機(jī)所消耗的功率隨之增大。因此機(jī)械增壓只適于增壓壓力小于（0.15～0.17）MPa的低增壓柴油機(jī)。 2．廢氣渦輪增壓（圖10-2） 利用柴油機(jī)排出的廢氣吹動(dòng)渦輪

5、機(jī)，由渦輪機(jī)帶動(dòng)增壓器。顯然，這種增壓形式可以從廢氣中回收部分能量，不僅提高了柴油機(jī)的功率，還提高了動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性，因而獲得廣泛應(yīng)用。 3．復(fù)合增壓 這種增壓形式既采用渦輪增壓，又采用機(jī)械增壓。根據(jù)兩種增壓器的不同布置方案，可分為串聯(lián)增壓和并聯(lián)增壓。 圖10-l 機(jī)械增壓系統(tǒng)圖 圖10-2 廢氣渦輪增壓系統(tǒng) 1）串聯(lián)增壓系統(tǒng)（圖10-3） 串聯(lián)增壓系統(tǒng)是采用廢氣渦輪增壓器和主機(jī)帶動(dòng)的往復(fù)式掃氣泵串聯(lián)工作。在這種串聯(lián)增壓系統(tǒng)中，增壓空氣經(jīng)過兩級壓縮。渦輪增壓器為第

6、一級，壓氣機(jī)從大氣中吸入空氣進(jìn)入中間冷卻器進(jìn)行冷卻，然后進(jìn)入與增壓器串聯(lián)的往復(fù)壓氣機(jī)中進(jìn)行第二級壓縮，以達(dá)到規(guī)定的增壓壓力?？諝饨?jīng)第二級壓縮后，再送入第二級空氣冷卻器冷卻，最后送入柴油機(jī)掃氣箱。 采用串聯(lián)增壓系統(tǒng)使柴油機(jī)起動(dòng)容易，低負(fù)荷性能好。當(dāng)渦輪增壓器損壞時(shí)，依靠第二級往復(fù)式壓氣機(jī)仍可使柴油機(jī)達(dá)到70％～80％的標(biāo)定轉(zhuǎn)速，因此不須另設(shè)應(yīng)急鼓風(fēng)機(jī)。然而這種增壓系統(tǒng)使柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量增加。

7、 圖10-3 串連增壓系統(tǒng) 圖10-4 串聯(lián)旁通增壓系統(tǒng) 2）串聯(lián)旁通增壓系統(tǒng)（圖10-4） 串聯(lián)旁通增壓系統(tǒng)的特點(diǎn)是部分串聯(lián)增壓，在掃氣前期為串聯(lián)增壓，在換氣后期串聯(lián)失效，由渦輪增壓器單獨(dú)供氣。這種增壓系統(tǒng)利用柴油機(jī)活塞的下部空間作為輔助壓氣機(jī)，并與渦輪增壓器串聯(lián)作為第二級增壓泵，渦輪增壓器為第一級增壓泵。其掃氣箱分成內(nèi)外兩部分。外側(cè)空間各缸共用，與渦輪增壓器相通；

8、內(nèi)側(cè)空間各缸分開，并與活塞下部空間相連通組成單缸掃氣室。兩者之間以單向閥連接。 串聯(lián)旁通增壓系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是利用掃氣室中空氣的壓力變化防止廢氣倒沖，掃氣效果好。對于彎流掃氣柴油機(jī)可以減小排氣口高度?；钊虏康脑鰤罕每梢愿纳撇裼蜋C(jī)的低負(fù)荷性能，而且結(jié)構(gòu)比串聯(lián)增壓系統(tǒng)簡單。在采用定壓增壓時(shí)，由于在起動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)廢氣渦輪增壓器供氣不足，采用電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)與之串聯(lián)工作。 瑞士Sulzer RND…M型、RL和 RTA型柴油機(jī)采用這種串聯(lián)旁通增壓系統(tǒng)。 （3）并聯(lián)增壓系統(tǒng)（圖10-5） 并聯(lián)增壓系統(tǒng)就是使渦輪增壓器與活塞下部空間并聯(lián)工作。在這種增壓系統(tǒng)中，廢氣渦輪增壓器和活塞

9、下部輔助增壓泵分別從機(jī)艙吸入空氣并在其中壓縮，然后經(jīng)空氣冷卻器冷卻再共同送入掃氣箱。一般渦輪增壓器所供應(yīng)的空氣約為增壓空氣量的75％～80％，其余空氣量由活塞下部輔助增壓泵供給。由于輔助增壓泵只供給一小部分空氣，則只需將柴油機(jī)的部分氣缸下部作為輔助增壓泵。 并聯(lián)增壓系統(tǒng)在低負(fù)荷時(shí)因渦輪增壓器供氣顯著下降，而輔助增壓泵的供氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，故柴油機(jī)在低負(fù)荷時(shí)的工作性能差，增壓器在低負(fù)荷時(shí)易發(fā)生喘振。為了防止在低負(fù)荷時(shí)增壓器發(fā)生喘振和改善柴油機(jī)的性能，并聯(lián)增壓系統(tǒng)幾經(jīng)改進(jìn)，取消了活塞下部輔助增壓泵，變成了單獨(dú)增壓系統(tǒng)，并附設(shè)電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)與增壓器串聯(lián)供氣。 MAN公司生產(chǎn)的KZ型、KSZ型柴油

10、機(jī)采用并聯(lián)增壓系統(tǒng)。 圖10-5 并聯(lián)增壓系統(tǒng) 圖10-6 廢氣渦輪中廢氣能量的利用圖 第二節(jié) 兩種廢氣渦輪增壓系統(tǒng) 一、廢氣能量分析（圖10-6） 柴油機(jī)排出的廢氣具有一定的溫度和壓力。它所含的熱量約占燃油燃燒放出熱量的30％～37％，因此研究廢氣的能量及其有效利用是增壓技術(shù)中的重要問題。 在理論上所能作的功為面積b-1-f-b，也就是排氣開始時(shí)廢氣中的可用能。 在換氣過程中獲得的能量為面積4-g-i-1-4。這部分能量對四沖程柴油機(jī)包括強(qiáng)制排氣過程中的活塞推出功1-2-3-4-1和燃燒室掃氣

11、階段進(jìn)入排氣管的掃氣空氣所具有的能量2-i-g-3-2兩部分；而二沖程柴油機(jī)這部分能量為掃氣期間掃氣空氣所作的功。值得注意的是，二沖程柴油機(jī)在排氣開始后活塞繼續(xù)下行，獲得膨脹功為b-4-5-b所示的面積，使廢氣可用能減少；在換氣過程中沒有活塞推出功補(bǔ)充廢氣能量，并且廢氣中摻混有很多掃氣空氣，使渦輪前氣體溫度降低，因而廢氣中的能量較少。 根據(jù)在廢氣渦輪中能量的利用情況，通常把廢氣的能量分成兩部分：一部分是廢氣由壓力pb膨脹到pT膨脹能E1，稱之為脈沖能。它是一種脈動(dòng)的速度能，在排氣管中以壓力波的形式出現(xiàn)，在圖中為面積b-4-e-b。另一部分是廢氣由壓力pT膨脹到po的膨脹能比，稱之為定

12、壓能（亦稱勢能），在圖中為面積g-e-f-i-g。廢氣能量E是脈沖動(dòng)能E1和定壓能E2之和。能量E1和E2各在總能量中所占的百分?jǐn)?shù)隨著增壓壓力pk的不同而不同。pk越低，則E1所占的比例越大；pk越高，則E2越大。 二、廢氣渦輪增壓的兩種基本形式 l．定壓渦輪增壓（圖10-7） 定壓渦輪增壓的特點(diǎn)是進(jìn)入廢氣渦輪增壓器的廢氣壓力基本上是穩(wěn)定狀態(tài)。柴油機(jī)各缸的排氣管連接到一根共用的容積足夠大的排氣總管上，渦輪就裝在排氣總管后面。因?yàn)閺U氣以基本不變的速度和壓力進(jìn)入渦輪，所以這種增壓方式渦輪工作穩(wěn)定，效率高。 定壓增壓只利用了廢氣能量中的定壓能E2，而沒有利用廢氣中的脈沖動(dòng)能E

13、1。脈沖動(dòng)能E1在排氣流動(dòng)中由于排氣口（閥）的嚴(yán)重節(jié)流和在排氣管中膨脹渦旋，大部分損失掉。只有小部分脈沖動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使排氣管中的廢氣溫度略有升高。因此廢氣渦輪增壓所能利用的廢氣能量就少些。尤其是當(dāng)柴油機(jī)在低負(fù)荷時(shí)或起動(dòng)時(shí)，因排氣管壓力低，廢氣的能量少，使渦輪發(fā)出的功率滿足不了壓氣機(jī)所需的功率，柴油機(jī)必需另設(shè)輔助風(fēng)機(jī)來滿足低負(fù)荷時(shí)的掃氣需要。 圖10-7 定壓廢氣渦輪增壓系統(tǒng) 圖10-8 定壓渦輪增壓四沖程柴油機(jī)的理論示功圖 2．脈沖渦輪增壓（圖10-9、10） 脈沖渦輪增壓的特點(diǎn)是進(jìn)入廢氣渦輪增壓器的廢氣壓力為脈動(dòng)狀態(tài)。在結(jié)構(gòu)上把各缸排氣管經(jīng)過分組直接與一

14、個(gè)或幾個(gè)廢氣渦輪相連，排氣管短而細(xì)。 脈沖增壓除了可以利用脈沖能外，還能較好地利用廢氣的定壓能，故廢氣的能量利用增多。這有利于渦輪機(jī)和壓氣機(jī)之間的功率平衡。此外，掃氣階段正好是排氣管中的低壓階段，掃氣箱與排氣管間壓差較大，故有利于掃氣，即使柴油機(jī)低負(fù)荷時(shí)也是如此。但由于渦輪在不穩(wěn)定工況下工作，效率較低。 在多缸柴油機(jī)的脈沖增壓系統(tǒng)中，如果各缸的排氣均排入一根排氣管，那就會產(chǎn)生掃、排氣的相互干擾。即當(dāng)某缸進(jìn)行掃氣而相鄰缸正好在排氣時(shí)，排氣壓力波就會傳到掃氣缸的排氣口處，使該缸排氣背壓升高，從而嚴(yán)重影響該缸掃氣的正常進(jìn)行。如果每缸各自向單獨(dú)的排氣管排氣，雖然消除了各缸間的排氣干擾，但會

15、使渦輪供氣間斷，效率降低。這一問題必須依靠對排氣管進(jìn)行合理分組來解決。分組的原則是避免同組內(nèi)各缸的排、掃氣互相干擾。排氣管分組是脈沖增壓所必須采取的措施。 圖10-9 脈沖廢氣渦輪增壓系統(tǒng)圖 圖10-10 排氣脈沖波 所以脈沖增壓最適合于氣缸數(shù)是3的倍數(shù)的柴油機(jī)。例如某二沖程六缸柴油機(jī)的發(fā)火順序?yàn)?-6-2-4-3-5，各缸發(fā)火間隔角為60o，則可把1、2、3缸分為一組，4、5、6缸分為另一組。 一般來說，大型低速二沖程柴油機(jī)的脈沖增壓系統(tǒng)采用多臺增壓器。而四沖

16、程柴油機(jī)為使結(jié)構(gòu)布置緊湊，往往只采用一臺脈沖渦輪增壓器。為了防止排氣干擾，往往將廢氣渦輪的噴嘴環(huán)分隔開，采用多進(jìn)口的布置方案。 3．兩種增壓方式比較 在不同的增壓壓力下應(yīng)當(dāng)采用不同的增壓方式。在低、中增壓時(shí)，即當(dāng)pk介于0.13～0.20 MPa之間時(shí)，采用脈沖增壓可以更多地利用廢氣能量。雖然在結(jié)構(gòu)、管理、渦輪效率等方面有缺點(diǎn)，但與其優(yōu)點(diǎn)相比還是屬于第二位的。所以，在這個(gè)增壓壓力范圍內(nèi)的柴油機(jī)絕大多數(shù)采用脈沖增壓。而隨著增壓壓力的提高，定壓能的比例也隨之增高，脈沖增壓在廢氣能量利用方面的優(yōu)勢不存在了，而在結(jié)構(gòu)、布置、渦輪效率等方面的問題上升為第一位的。因此，在高增壓時(shí)均采用定壓增壓。如Su

17、lzer公司 RND型以后的新機(jī)型、B＆W公司 KGF型以后的新機(jī)型，均采用定壓渦輪增壓。定壓增壓也是目前增壓系統(tǒng)的發(fā)展方向。 第三節(jié) 廢氣渦輪增壓器 廢氣渦輪增壓器結(jié)構(gòu)形式繁多。廢氣渦輪增壓器是由廢氣渦輪和壓氣機(jī)兩部分組成的。在廢氣渦輪增壓器中一般都采用離心式壓氣機(jī)，故可依據(jù)所采用的渦輪機(jī)類型把廢氣渦輪增壓器分為兩大類：軸流式渦輪增壓器和徑流式渦輪增壓器。目前，船用大、中型柴油機(jī)均采用軸流式渦輪增壓器，徑流式渦輪增壓器僅用于中小型柴油機(jī)。 以在船用柴油機(jī)中用得較多的瑞士ABB公司制造的VTR型增壓器為例介紹廢氣渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)。VTR型增壓器有0、1、4、4A

18、四種系列產(chǎn)品，可以滿足200kW～37000kW柴油機(jī)的匹配要求。 上圖為VTR··0與VTR…1系列增壓器剖視圖。它由右側(cè)的單級軸流式廢氣渦輪和左側(cè)的單級離心式壓氣機(jī)組成。廢氣渦輪的葉輪和壓氣機(jī)的葉輪裝在同一根軸上構(gòu)成廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子，由兩端的軸承支承。 1．軸流式廢氣渦輪 廢氣渦輪由渦輪進(jìn)氣箱50、噴嘴環(huán)30、工作葉輪21、隔熱墻70、燃?xì)庀?0等組成。進(jìn)、排氣箱內(nèi)腔用水冷卻。進(jìn)氣箱與排氣箱之間用螺釘緊固。進(jìn)氣箱右部布置著軸承箱。排氣箱下部裝有增壓器支架680。柴油機(jī)排出的廢氣由進(jìn)氣箱50下部引入渦輪，由排氣箱上部排出。隔熱墻70用絕熱材料制成，避免廢氣對壓氣

19、機(jī)葉輪和空氣加熱。 柴油機(jī)排出的廢氣經(jīng)進(jìn)氣箱50送至噴嘴環(huán)30。噴嘴環(huán)由噴嘴內(nèi)環(huán)、外環(huán)和噴嘴葉片組成。噴嘴葉片形成的通道從進(jìn)口到出口呈收縮狀，其作用是將柴油機(jī)排出的廢氣的壓力能部分轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，并使氣流具有工作葉片所需要的方向。工作輪由輪盤和工作葉片組成，工作葉片軸向安裝在輪盤邊緣的槽口中。工作葉片葉根有機(jī)樹形和球形兩種。葉身為葉片的工作部分，其形狀由氣體流動(dòng)情況決定。它沿著高度逐漸扭轉(zhuǎn)。這是因?yàn)閺U氣通過噴嘴進(jìn)入葉輪時(shí)，氣流的參數(shù)如壓力和速度（大小和方向）等均沿葉片的高度而變化。為了減少氣流流過葉片時(shí)的能量損失，要求葉片的形狀與氣流參數(shù)沿葉片的變化相適應(yīng)，以提高渦輪效率。高速流動(dòng)的氣流進(jìn)入工作

20、輪的葉片通道，其中一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，最后經(jīng)排氣箱排往大氣。 2．離心式壓氣機(jī) 增壓器的壓氣機(jī)主要由進(jìn)氣消音器80、進(jìn)氣箱72、壓氣機(jī)葉輪25、擴(kuò)壓器28、排氣箱74等組成?？諝鈴南羝鳛V網(wǎng)處進(jìn)入。消音器80中的空氣濾網(wǎng)、導(dǎo)流環(huán)對空氣起濾清、導(dǎo)流、吸音（導(dǎo)流環(huán)由吸音材料制成）作用。進(jìn)氣箱由內(nèi)、外進(jìn)氣殼共同組成進(jìn)氣通道，對吸入的空氣起導(dǎo)流定向作用。進(jìn)氣箱的左部分布置著軸承箱。工作葉輪是壓氣機(jī)的主要部件。它是由前彎的導(dǎo)風(fēng)輪和半開式工作輪組成的。導(dǎo)風(fēng)輪的扭曲方向和角度應(yīng)適應(yīng)氣流進(jìn)入葉輪的相對流動(dòng)方向，使氣流平順地從軸向轉(zhuǎn)到徑向，以減少進(jìn)氣流動(dòng)損失；在工作輪上沿徑向布置著直葉片，各葉片

21、間形成氣流通道。兩部分分別裝在轉(zhuǎn)軸上。有葉擴(kuò)壓器28用焊釘固定在排氣箱74上，其葉片間的氣流通道呈擴(kuò)張形。它將把壓縮空氣的動(dòng)能變成壓力能，以提高空氣的排出壓力。葉片環(huán)一般比圓環(huán)形平板圈窄一些，無葉片的圓環(huán)段同樣起擴(kuò)壓作用，通常稱之為無葉擴(kuò)壓器。一個(gè)工作輪與相鄰的擴(kuò)壓器組成一個(gè)級。壓氣機(jī)排氣箱74的主體是一個(gè)蝸殼狀的管道，其流通截面由小到大。它一方面收集從葉片擴(kuò)壓器流出的空氣，一方面繼續(xù)起著擴(kuò)壓作用?？諝鈴奈仛づ懦龊蠼?jīng)空氣冷卻器進(jìn)入柴油機(jī)的掃氣箱。 3．軸承 壓氣機(jī)葉輪25和渦輪機(jī)葉輪21裝在同一根軸20的兩端，構(gòu)成增壓器的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子軸的兩端由軸承32和38支承。這種支承為外支承式，

22、它具有轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性好，軸承受高溫氣體影響較小，便于密封，有利于增加軸承壽命等優(yōu)點(diǎn)。但也存在著使渦輪增壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量、尺寸增大，清洗渦輪增壓器困難等問題。 在壓氣機(jī)端，由于葉輪出口的空氣漏至葉輪右側(cè)，其壓力大于葉輪左側(cè)的空氣壓力；在渦輪端，渦輪右側(cè)的壓力也大于渦輪左側(cè)，因此在轉(zhuǎn)子上作用著一個(gè)自右向左的軸向推力。必須在壓氣機(jī)端設(shè)一個(gè)支持止推軸承，承受轉(zhuǎn)子的徑向和軸向負(fù)荷，并起著轉(zhuǎn)子軸向定位的作用。渦輪端的軸承是一個(gè)支持軸承，只承受轉(zhuǎn)子的徑向負(fù)荷，并允許產(chǎn)生一定的軸向位移以保證轉(zhuǎn)子的熱膨脹。 軸承32和38是滾動(dòng)軸承，它的摩擦損失小，加速性能好；在其它增壓器中，也有采用滑動(dòng)軸承

23、的。采用滑動(dòng)軸承的構(gòu)造簡單，造價(jià)低廉，使用壽命較長。軸承封閉在軸承箱中，一般采用三種潤滑方式：一是靠裝在轉(zhuǎn)軸上的甩油盤進(jìn)行飛濺潤滑；二是由渦輪增壓器的專門油泵潤滑；三是由柴油機(jī)的潤滑系統(tǒng)供給滑油潤滑。圖中采用的是第二種方式。 4．氣封與油封 為了防止燃?xì)?、空氣和滑油漏泄，在軸承箱的內(nèi)側(cè)裝有油封505、726，在葉輪兩側(cè)裝有氣封208、705、702、725。氣封208處由擴(kuò)壓器28經(jīng)通道X引入增壓空氣提高氣封效果。在轉(zhuǎn)子右端的油氣封之間通過通道Z、左端油氣封之間通過鉆孔（圖中未畫出）與大氣相通。 第四節(jié) 增壓氣與柴油機(jī)的配合 一、廢氣渦輪增壓器的工作原理 1．單級軸流式渦輪機(jī)的基本

24、工作原理（圖10-22） 它的主要元件是固定的噴嘴環(huán)和旋的工作葉輪。一列噴嘴葉片和其后的一列工作葉片組成了渦輪機(jī)的一個(gè)級。圖中上部為噴嘴環(huán)和工作葉輪的局部剖視圖。中部的葉型斷面是用一個(gè)通過I-I的圓柱面切割渦輪，將所得切面展開在平面上，稱為平面葉柵。噴嘴環(huán)的各葉片間和葉輪各葉片之間構(gòu)成了廢氣流道。廢氣流經(jīng)噴嘴和葉輪時(shí)，其參數(shù)（壓力p、溫度T、流速c）沿流道的變化情況如圖中下部所示。 圖10-22 渦輪級中氣流參數(shù)變化和速度三角形 圖10-23 離心式壓氣機(jī)工作過程中參數(shù)變化情況 2．離心式壓氣機(jī)的基本工作原理（圖10-23） 廢氣渦輪增壓器的壓氣機(jī)一般都采用單

25、級離心式壓氣機(jī)。它由進(jìn)氣道、工作輪、擴(kuò)壓器和排氣渦殼組成。當(dāng)壓氣機(jī)工作時(shí)，新鮮空氣經(jīng)進(jìn)氣道軸向進(jìn)入壓氣機(jī)葉輪。由于通道的導(dǎo)流作用，氣流能在最小的損失下均勻進(jìn)入壓氣機(jī)葉輪。進(jìn)氣道是漸縮流道，在進(jìn)氣道中，壓力、溫度略有降低，流速提高。正是因?yàn)閴毫档?，空氣才被吸入工作輪?？諝膺M(jìn)入壓氣機(jī)葉輪后，隨葉輪高速回轉(zhuǎn)，因而產(chǎn)生離心力。這樣，空氣在葉輪葉片間隨葉輪作圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，在離心力的作用下向葉輪外緣流動(dòng)并被壓縮。在葉輪中氣體的流速、壓力、溫度都升高了，其中流速提高了很多。這是由于葉輪對氣體作功，把葉輪的機(jī)械能變成了氣體的動(dòng)能和壓力能。氣體被壓縮時(shí)也提高了溫度。在擴(kuò)壓器中，由于流道逐漸擴(kuò)大，使空氣的動(dòng)能

26、轉(zhuǎn)換為壓力能，流速降低，壓力升高。排氣蝸殼中的通道也是漸擴(kuò)的，因而空氣流過時(shí)繼續(xù)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能。 二、離心式壓氣機(jī)的工作特性及喘振機(jī)理（圖10-24） 離心式壓氣機(jī)在各種不同工況工作時(shí)，它的各主要參數(shù)會隨之變化。在不同轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)的排出壓力和效率隨空氣流量的變化規(guī)律，稱為離心式壓氣機(jī)的特性。表示這種特性的曲線叫壓氣機(jī)的特性曲線。 圖10-24 壓氣機(jī)流量特性 由壓氣機(jī)的特性曲線可以看到，當(dāng)轉(zhuǎn)速nk等于常數(shù)時(shí)，隨著流量Gk的減小，增壓比πk是開始是增加的。當(dāng)Gk減小到某一值時(shí)，πk值達(dá)最大，然后隨Gk的減小開始下降。效率ηk隨流量Gk的變化規(guī)率與πk類似。當(dāng)壓氣機(jī)的流量減小到一

27、定值后，氣體進(jìn)入工作葉輪和擴(kuò)壓器的方向偏離設(shè)計(jì)工況，造成氣流從葉片或擴(kuò)壓器上強(qiáng)烈分離，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動(dòng)，并有氣體倒流，引起壓氣機(jī)工作不穩(wěn)定，導(dǎo)致壓氣機(jī)振動(dòng)，并發(fā)出異常的響聲。這種現(xiàn)象稱為壓氣機(jī)喘振。喘振是壓氣機(jī)的固有特性。壓氣機(jī)特性曲線上表示喘振狀態(tài)的臨界線稱為喘振線，其左方為喘振區(qū)，右方為穩(wěn)定工作區(qū)。壓氣機(jī)不允許在喘振區(qū)工作。 產(chǎn)生喘振的原因是當(dāng)流量小于設(shè)計(jì)值很多時(shí)在葉輪進(jìn)口和擴(kuò)壓器葉片內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流分離。圖10-25和圖10-26為壓氣機(jī)流量變化時(shí)空氣在葉輪前緣和擴(kuò)壓器中的流動(dòng)情況。 在設(shè)計(jì)流量下，如兩圖a）所示，氣流平順地流進(jìn)葉片前緣和擴(kuò)壓器，氣流與葉輪葉片、擴(kuò)壓器葉片既不發(fā)生撞擊

28、，也不產(chǎn)生分離。 當(dāng)流量大于設(shè)計(jì)流量時(shí)，如兩圖b）中所示，氣流在葉輪葉片前緣沖向葉片的凸面，與葉片的四面發(fā)生分離；在擴(kuò)壓器中氣流沖向葉片的四面，與葉片的凸面發(fā)生分離。但是，由于葉輪葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)壓向氣流分離區(qū)，擴(kuò)壓器中氣流的圓周向流動(dòng)壓向氣流分離區(qū)，氣流的分離區(qū)受到限制，不致隨流量的增加而過分地?cái)U(kuò)大。 當(dāng)流量小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，如兩圖c）中所示，氣流在葉輪葉片前緣沖向葉片的凹面，與葉片的凸面發(fā)生分離；在擴(kuò)壓器中氣流沖向葉片的凸面，與葉片的四面發(fā)生分離。由于葉輪葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)中要離開氣流分離區(qū)，擴(kuò)壓器中氣流的圓周向流動(dòng)也使氣流離開氣流分離區(qū)，氣流分離區(qū)有擴(kuò)展的趨勢。隨著流量的減少，氣流分離區(qū)會愈來愈大，

29、以致在葉輪和擴(kuò)壓器中造成氣體倒流，發(fā)生不穩(wěn)定流動(dòng)，最終導(dǎo)致喘振的產(chǎn)生。一般擴(kuò)壓器葉片內(nèi)氣流分離的擴(kuò)展是壓氣機(jī)喘振的主要原因，而葉輪進(jìn)口處氣流分離的擴(kuò)展會使喘振加劇。 圖10-25 在一定轉(zhuǎn)速、不回流量下葉片前緣的空氣流動(dòng)情況 圖10-26 在一定轉(zhuǎn)速、不同流量下葉片擴(kuò)壓器的空氣流動(dòng)情況 當(dāng)離心式壓氣機(jī)被作為增壓器與柴油機(jī)配合工作時(shí)，增壓器（或包括輔助掃氣泵）的供氣量和壓力要滿足柴油機(jī)的要求。柴油機(jī)與增壓器良好匹配的標(biāo)志是：柴油機(jī)達(dá)到預(yù)定的增壓指標(biāo)；增壓器在柴油機(jī)全部工作范圍內(nèi)都能穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)，既不喘振也不超速，并且盡可能在高效區(qū)工作，

30、即增壓器工作特性曲線應(yīng)離喘振線遠(yuǎn)一點(diǎn)，又要處在高效率區(qū)。 三、柴油機(jī)增壓系統(tǒng)中增壓器的喘振與消除 1．增壓系統(tǒng)中增壓器喘振的原因 增壓器產(chǎn)生喘振的原因從根本上講，是由于壓氣機(jī)的實(shí)際流量小于該轉(zhuǎn)速下引起喘振的限制流量，造成氣流與葉片的強(qiáng)烈撞擊與脫流。任何新造的增壓柴油機(jī)，只要渦輪增壓器與柴油機(jī)匹配良好，使用初期增壓器都不會發(fā)生喘振?？墒请S著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增長，增壓系統(tǒng)中各部件就會污損或出現(xiàn)故障，柴油機(jī)本身某些部件也會產(chǎn)生故障，致使兩者的性能逐漸惡化，導(dǎo)致匹配不良，引起喘振。此外，運(yùn)行中某些暫時(shí)的匹配不良也可能發(fā)生喘振。如： （1）氣流通道堵塞 （2）增壓器和柴油機(jī)的

31、運(yùn)行失配 （3）脈沖增壓一缸熄火或各缸負(fù)荷嚴(yán)重不均 （4）環(huán)境溫度的變化 2．各種增壓系統(tǒng)中增壓器的運(yùn)行特點(diǎn) 1）單獨(dú)增壓系統(tǒng)（圖10-28） 單獨(dú)增壓系統(tǒng)僅由增壓器向柴油機(jī)供氣，所以柴油機(jī)的進(jìn)氣特性線也就是增壓器的工作特性線。由圖可見， 在單獨(dú)增壓系統(tǒng)中因流道阻塞，常常在低負(fù)荷時(shí)發(fā)生增壓器喘振。 管理中應(yīng)經(jīng)常注意氣口和空氣冷卻器的清潔，使流道保持暢通，在低負(fù)荷下發(fā)生喘振時(shí)可暫時(shí)用提高負(fù)荷的辦法消除。 圖10-28 單獨(dú)增壓系統(tǒng)工作線圖 10-29 串聯(lián)增壓系統(tǒng)工作線 10-30 并聯(lián)增壓系統(tǒng)工作線 2）串聯(lián)增壓

32、系統(tǒng)（圖10-29） 在串聯(lián)增壓系統(tǒng)中，柴油機(jī)的進(jìn)氣特性與增壓器工作特性不重合。串聯(lián)增壓系統(tǒng)的工作特性線是一條上部離喘振線較近，下部離喘振線較遠(yuǎn)的曲線，在高（超）負(fù)荷時(shí)容易發(fā)生喘振。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)柴油機(jī)時(shí)選配的增壓器一般都避開了高轉(zhuǎn)速下的喘振問題，所以串聯(lián)增壓系統(tǒng)在柴油機(jī)全部轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不會發(fā)生喘振。若由于增壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障而使增壓器的排量減少，特性線左移，在高轉(zhuǎn)速下就會出現(xiàn)喘振。這時(shí)可降低負(fù)荷，直至喘振消除為止。 3）并聯(lián)增壓系統(tǒng)（圖10-30） 在并聯(lián)增壓系統(tǒng)中，柴油機(jī)所需要的空氣量是增壓器和活塞下部增壓泵兩者供應(yīng)空氣量的總和。由圖可知，并聯(lián)增壓系統(tǒng)在柴油機(jī)低速運(yùn)行時(shí)必然會發(fā)生增壓器喘振現(xiàn)象，必須采取相應(yīng)的措施。例如在掃氣箱設(shè)放氣閥；裝設(shè)串-并聯(lián)轉(zhuǎn)換裝置（低負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)換成串聯(lián)增壓系統(tǒng)）；采用并聯(lián)噴射系統(tǒng)（低負(fù)荷時(shí)使用并聯(lián)噴管系統(tǒng)）增大增壓器流量等。 由于并聯(lián)增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本身存在著低負(fù)荷性能差、易喘振的問題。MAN公司自KSZ－A型柴油機(jī)起，采用純廢氣渦輪增壓，并設(shè)一臺電動(dòng)輔助鼓風(fēng)機(jī)，保證柴油機(jī)在50％以下負(fù)荷工作時(shí)的供氣。 11