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課題10柴油機(jī) 增壓 船舶主機(jī)

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課題10柴油機(jī) 增壓 船舶主機(jī)

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。 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。 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。重點難點: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)時數(shù):4學(xué)時教學(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? 3比較兩種廢氣渦輪增壓方式。4VTR廢氣渦輪增壓器的構(gòu)造與特點。5喘振及發(fā)生的原因是什么?6哪些運轉(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,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壓力和溫度是同時升高的,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。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(0.150.17)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)排出的廢氣吹動渦輪機(jī),由渦輪機(jī)帶動增壓器。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)起動容易,低負(fù)荷性能好。當(dāng)渦輪增壓器損壞時,依靠第二級往復(fù)式壓氣機(jī)仍可使柴油機(jī)達(dá)到7080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。 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;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,由于在起動和低負(fù)荷時廢氣渦輪增壓器供氣不足,采用電動鼓風(fēng)機(jī)與之串聯(lián)工作。 瑞士Sulzer RNDM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7580,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)荷時的工作性能差,增壓器在低負(fù)荷時易發(fā)生喘振。為了防止在低負(fù)荷時增壓器發(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,變成了單獨增壓系統(tǒng),并附設(shè)電動鼓風(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3037,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。因為廢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能E1。脈沖動能E1在排氣流動中由于排氣口(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)荷時或起動時,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是進(jìn)入廢氣渦輪增壓器的廢氣壓力為脈動狀態(tài)。在結(jié)構(gòu)上把各缸排氣管經(jīng)過分組直接與一個或幾個廢氣渦輪相連,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,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的排氣管排氣,雖然消除了各缸間的排氣干擾,但會使渦輪供氣間斷,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)火順序為1-6-2-4-3-5,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,即當(dāng)pk介于0.130.20 MPa之間時,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,但與其優(yōu)點相比還是屬于第二位的。所以,在這個增壓壓力范圍內(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,在高增壓時均采用定壓增壓。如Sulzer公司 RND型以后的新機(jī)型、BW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四種系列產(chǎn)品,可以滿足200kW37000kW柴油機(jī)的匹配要求。 上圖為VTR··0與VTR1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)閯幽埽⑹箽饬骶哂泄ぷ魅~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,其形狀由氣體流動情況決定。它沿著高度逐漸扭轉(zhuǎn)。這是因為廢氣通過噴嘴進(jìn)入葉輪時,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。高速流動的氣流進(jìn)入工作輪的葉片通道,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)入葉輪的相對流動方向,使氣流平順地從軸向轉(zhuǎn)到徑向,以減少進(jìn)氣流動損失;在工作輪上沿徑向布置著直葉片,各葉片間形成氣流通道。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。一個工作輪與相鄰的擴(kuò)壓器組成一個級。壓氣機(jī)排氣箱74的主體是一個蝸殼狀的管道,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,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。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)子上作用著一個自右向左的軸向推力。必須在壓氣機(jī)端設(shè)一個支持止推軸承,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,也有采用滑動軸承的。采用滑動軸承的構(gòu)造簡單,造價低廉,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)狻⒖諝夂突吐┬?,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,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,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。正是因為壓力降低,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動的同時,在離心力的作用下向葉輪外緣流動并被壓縮。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能和壓力能。氣體被壓縮時也提高了溫度。在擴(kuò)壓器中,由于流道逐漸擴(kuò)大,使空氣的動能轉(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,因而空氣流過時繼續(xù)將動能轉(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,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,隨著流量Gk的減小,增壓比k是開始是增加的。當(dāng)Gk減小到某一值時,k值達(dá)最大,然后隨Gk的減小開始下降。效率k隨流量Gk的變化規(guī)率與k類似。當(dāng)壓氣機(jī)的流量減小到一定值后,氣體進(jìn)入工作葉輪和擴(kuò)壓器的方向偏離設(shè)計工況,造成氣流從葉片或擴(kuò)壓器上強(qiáng)烈分離,同時產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動,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,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)計值很多時在葉輪進(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)流量變化時空氣在葉輪前緣和擴(kuò)壓器中的流動情況。在設(shè)計流量下,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,也不產(chǎn)生分離。當(dāng)流量大于設(shè)計流量時,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)動壓向氣流分離區(qū),擴(kuò)壓器中氣流的圓周向流動壓向氣流分離區(qū),氣流的分離區(qū)受到限制,不致隨流量的增加而過分地擴(kuò)大。當(dāng)流量小于設(shè)計流量時,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)動中要離開氣流分離區(qū),擴(kuò)壓器中氣流的圓周向流動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,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,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,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)定地運轉(zhuǎn),既不喘振也不超速,并且盡可能在高效區(qū)工作,即增壓器工作特性曲線應(yīng)離喘振線遠(yuǎn)一點,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著運轉(zhuǎn)時間的增長,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,運行中某些暫時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)的運行失配 (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)中增壓器的運行特點 1)單獨增壓系統(tǒng)(圖10-28) 單獨增壓系統(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, 在單獨增壓系統(tǒng)中因流道阻塞,常常在低負(fù)荷時發(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)生喘振時可暫時用提高負(fù)荷的辦法消除。圖10-28 單獨增壓系統(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)荷時容易發(fā)生喘振。因為在設(shè)計柴油機(jī)時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)低速運行時必然會發(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KSZA型柴油機(jī)起,采用純廢氣渦輪增壓,并設(shè)一臺電動輔助鼓風(fēng)機(jī),保證柴油機(jī)在50以下負(fù)荷工作時的供氣。11

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