涡轮增压系统与船舶柴油机性能关系 涡轮增压系统与船舶柴油机性能关系
增压是提高柴油机功率的一种装置,20 世纪 50 年代涡轮增压系统正式被瑞 士工程师开发运用后,柴油机的效率不断提升,终於在 20 世纪末蒸汽机退出了 船舶动力市场. 废气涡轮增压由於不消耗任何曲轴功率的输出,效率高及结构紧凑等,在 船舶柴油机上得到广泛应用.增压机运转参数不正常,有可能是增压机本身的故 障,也可能是由於柴油机气缸内工作不正常或进,排气系统的问题.而增压机的 特性变化又会影响到柴油机.因此在对涡轮增压系统的故障进行分析和判断时, 必须综合柴抽机和涡轮增压机的各种参数共同考虑,找出问题症结所在. 本文以给气(扫气)压力和排气温度两个运行参数为主,对船舶柴油机涡轮增 压系统的常见故障进行分析. 1,在相同柴油机转速下扫气压力下降 扫气压力下降 ,在相同柴油机转速下扫气 船舶主柴油机依设计螺旋桨特性曲线工作 Pe=kn3------------------------------------(1)
式中 Pe=有效功率;k=常数;n=机器转速.
如主机负荷相同,转速不变则功率也不变,给气(扫气)压力下降将使得柴油 机进气量减少,为要达到同样转速,就得增加供油量,结果造成燃烧不完全,燃 油消耗量增加,使排气温度升高.当扫气压力严重下降时,柴油机转数将无法上 升,引起增压压力下降的原因有: 1.1 压缩机进口压力下降 空气滤清器堵塞,流道脏污时则空气流道变窄,流动损失增加,使压缩机 叶轮入口处压力变小.在同样压比下,扫气压力随之下降.扫气压力下降会使排 气温度升高,而排气温度升高又使扫气压力有所回升.因此扫气压力的下降幅度 会小於压缩机叶轮入口压力的下降幅度.测量叶轮入口处及空气滤清器的压力 差,可以知道滤清器的堵塞程度,从而作出相应的处理. 1.2 压缩机进口温度升高 由理想空气状态方程式: pV=mRT---------------------------------(2)
式中 p=空气压力;V=容积(m3);m=质量(kg);R=气体常数(kJ/kg);T=温度(K).
由(2)式可知,压缩机进口空气温度升高后,其空气质量必降低;若压比不 变,则需要消耗更多的压缩机功率.在涡轮提供给压缩机的功率不变时,温度的 升高必然导致压比降低以维持压缩机和涡轮的功率平衡.於是扫气压力随压比下 降而下降.压缩机进口温度随环境温度升高而升高.机舱通风不良或排气管绝热 包扎不妥,使机舱内温度升高;夏季热带水域航行或从寒冷地区进入热带地区 时,温度也会升高.测试资料表明,进气温度每升高 10℃则增压压力会下降 2%~4%.
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1.3 压缩机效率下降 (1)压缩机效率下降,使空气获得的压缩功减少,从而压比降低,扫气压力下降. (2)压缩机叶片脏污或损坏,热效率下降;叶片与壳体磨擦时机械效率下降. (3)维修过的增压机,叶轮两端轴向间隙调整不当时(k 值),效率也会下降. 1.4 涡轮效率下降 (1)涡轮效率下降使涡轮提供给压缩机的功率减小,造成扫气压力下降. (2)当涡轮叶片(moving blade),喷嘴环(nozzle ring)损坏或严重脏污时,涡轮效率 下降. (3)喷嘴环出口面积调整偏大,运动件与壳体碰擦也同样使涡轮输出功率减小. (4)当涡轮,喷嘴环叶片脏污并不严重时,由於涡轮废气流通截面变小,气流喷 出速度加快,涡轮膨胀比增大,从而使扫气压力升高. 1.5 排气管漏气 (1)排气管漏气使涡轮获得的废气能量减少,涡轮功率下降. (2)废气若漏入冷却水中,冷却水系统会冒气泡并变脏; (3)废气若漏入机舱,则会从泄漏处传出有节奏的漏气流声. (4)排气管漏气时,则涡轮前排气压力降低. 1.6 给气 扫气 空气泄漏 给气(扫气 扫气)空气泄漏 增压空气从柴油机进气管路或涡轮增压机内部泄漏,显然会使扫气压力下 降.此时应对进气管垫,中间冷却器和增压机的密封气道等处进行检查. 1.7 涡轮排气背压升高 涡轮排气背压升高使涡轮膨胀功减少.包括排气管变形,消音器堵塞及管 道弯曲结垢,及废气锅炉炉管及节热器污秽等都会造成排气背压升高. 2,在同样柴油机负荷转速下扫气压力升高 ,在同样柴油机负荷转速下扫气压力升高 扫气 对於合理设计的柴油机与涡轮增压机的匹配,增压压力有一定的限值. 由理想绝热压缩公式: p2=p1(εv)k 扫气------------------------------------(3)
p2=压缩压力;p1=扫气压力;εv=压缩比;k=比热比(Cp/Cv)=1.4;
扫气压力升高会使气缸压缩终了的压力也升高.通常情况下爆发压力也会 升高,这就加大了柴油机的机械负荷,使机件磨损加快.为了限制最高爆发压力, 往往减小喷油提前角,结果热效率下降,耗油量增加及排温升高.因此扫气压力 升高并不一定是好事,解决的办法是从根本原因加以排除;对扫气压力升高,可 以从以下几个方面去诊察: (1)涡轮,喷嘴环截面变小 涡轮持别是喷嘴环出口截面变小时,废气喷出速度加快,涡轮膨胀比增大, 功率增加.所以增压机转速升高使扫气压力升高.涡轮,喷嘴环叶片轻度脏污, 喷嘴环出口面积调整偏小,喷嘴环叶片热变形后出口面积变小等,都可能造成扫 气压力升高.

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