涡轮增压器与柴油发电机的匹配原理

涡轮增压器与柴油发电机的匹配原理
柴油发电机的增压技术，实际上就是根据柴油发电机性能的要求选择合适的增压器。每个型号的涡轮增压器都有其特定的使用流量范围，由压气机的喘振线、某一等效率线或堵塞线和增压器最高转速线围成。涡轮增压器与发电用柴油发电机匹配的目的，就是在保证柴油发电机性能达到预期目标值的前提下，使柴油发电机整个运行区域与增压器良好匹配，即柴油发电机的工作区尽可能落在压气机高效率运行区。为此，根据柴油发电机性能要求选择好增压器。
1．增压器流量特性的选择
由于废气涡轮增压器是流体机械，是通过柴油发电机排出的废气能量来驱动的。因此，根据柴油发电机的工况不同，涡轮增压器的工作状况也有所不同，增压效果也不一样。当柴油发电机转速低时，由于柴油发电机排出的废气流速低，流入涡轮后产生的动量矩小，增压器转速低，压气机的增压效果弱。因此，根据与柴油发电机匹配的目的不同选择不同流量特性的增压器。
根据涡轮增压器是由柴油发电机排出废气的动量矩来驱动的特点，当柴油发电机高转速运行时，因排气流速高，驱动涡轮机旋转的排气动量矩足够大，因此在高速时为了减小涡轮机内部高速流动损失和柴油发电机的排气损失，以提高柴油发电机的最大功率，采用如图7-23所示的ii型压气机，并将涡轮入口（喷口）截面积设计得较大。但是，当涡轮入口截面积较大时，由于柴油发电机低速时排气流量小，驱动涡轮机的排气动量矩减小，增压器转速降低，所以压气机的增压效果减弱，直接影响柴油发电机的低速特性。反之，为了改善低速特性，缩小涡轮入口截面积，采用图1中的i型压气机时，可保证在低速工况下喷入涡轮机的废气有足够的动量矩（流速），以提高增压器低速区的增压效果。但由于排气流动截面积小，在高速时流动损失增加，造成柴油发电机排气阻力增大，使柴油发电机的高速性能恶化。当折中考虑柴油发电机的高低速性能时，增压器就按常用的中速范围匹配。
压气机的流量范围选择
2．涡轮增压器与柴油发电机的联合运行特性
为了使涡轮增压器和柴油发电机良好匹配，对根据柴油发电机设计要求初选的增压器和柴油发电机联合运行的特性需要进行分析，为此制取如图7-24所示的柴油发电机和增压器的联合运行特性曲线。首先，通过台架试验结果分析最高输出功率和最大输出转矩是否达到设计要求。其次，通过测量压气机前后压力和进气流量，计算各工况下的增压比和进气流量，并在压气机特性曲线上绘制柴油发电机的运行曲线，主要包括柴油发电机最低使用转速下的负荷特性、全负荷速度特性和额定转速下的负荷特性，由此分析全负荷速度特性上的增压比是否符合设计要求。同时，分析最低使用转速负荷特性是否接近喘振线，额定转速负荷特性是否接近堵塞线，以及柴油发电机常用运行工况是否在压气机特性曲线上的高效率区。如果匹配计算结果，柴油发电机低速区的全负荷特性线靠近压气机的喘振线，说明增压器相对该柴油发电机而言使用流量范围偏大（图2中采用ii型压气机时），需要重新选择增压器或对增压器进行改进；反之，如果额定工况负荷特性落在压气机堵塞线，或常用工况落压气机低效率（mb＜55％）区或堵塞线时，说明所选择的增压器的使用流量范围偏小。
图2 增压器面径比
3．涡轮增压器与柴油发电机的匹配原理
为了说明增压器与柴油发电机的匹配原理，这里引入增压器面径比的概念，即如图3所示，涡轮喷口（入口）处最小截面积a和该截面的形心到增压器转轴的最短距离（半径）r之比，称为增压器的面径比a/r。
根据涡轮机内柴油发电机排除废气的动能转换为叶轮机械能的能量转换原理，当排气按一定的流速喷入涡轮机内叶轮时，在气流的冲击作用和在弯曲的叶片之间的流道上高速流动的气流所产生的离心力的作用下，叶轮高速旋转。所以增压器（涡轮机）的转速实际上与喷入涡轮的排气的动量矩有关，而喷入涡轮的排气速度取决于柴油发电机转速和涡轮入口（喷口）截面积，故在柴油发电机转速一定的条件下这种排气的动量矩与a/r成正比。所以，当a/r小时，即对一定的涡轮半径缩小涡轮最小入口截面积时，由于低速时也有足够的喷入速度，保证一定的动量矩，从而提高低速增压效果，改善柴油发电机的低速性能。随转速排气流量的增加，涡轮入口处的气流速度逐渐达到临界值（当地声速）后，随转速的进一步提高，排气流入涡轮的速度不变，而排气流动阻力迅速增加，造成涡轮堵塞现象，使柴油发电机排气阻力增加，高速性能恶化。当增压器的a/r增大时，相当于一定的涡轮半径涡轮最小入口截面积增加，则可在改善高速区的增压效果的同时，减小高速流动阻力，所以有利于提高柴油发电机的高速性能，但低速时排气流速降低，动量矩减小，增压器的做功能力减弱，低速增压比低，造成柴油发电机低速转矩特性差。如果a不变，而增大r时，也同样能达到减小a/r的效果。但是r的增加实际上就是叶轮直径增加，将导致叶轮转动惯量增大，从而直接影响涡轮增压器的响应特性。因此，每一台增压器匹配时均需要优化a/r。
这里需要指出的是，压气机的叶轮和涡轮壳的设计决定了压气机的特性曲线，通过叶片的形状和壳体形状的设计可以改善其特性曲线的形状。如改变叶片扩压器的进口角和喉口面积等可以适当移动压气机的喘振线，适当增加叶片扩压器喉口面积和叶轮喉口面积，可以提高压气机的堵塞流量。但是在压气机特性曲线上的柴油发电机和增压器的联合运行区域，则是通过涡轮的a/r来调节的。即对增压器而言，涡轮是驱动压气机的动力源，而驱动涡轮机的能源是柴油发电机排气的能量。因此，压气机设计得再好，如果没有匹配良好的涡轮，也不能很好地发挥压气机的性能，而涡轮机则需要根据柴油发电机使用转速的变化范围需要合理选择a/r。
图3所示为对同一压气机配备不同a/r的涡轮机时对柴油发电机性能的影响。由此可见，适当减小a/r时，可有效地利用柴油发电机低速时的排气能量，有利于改善柴油发电机的低速性能，但是高速时由于排气阻力增加，高速性能降低。相反，若适当加大a/r时，高速性能明显得到改善，提高最大功率，但是低速时增压器转速低，增压效果降低，使得柴油发电机低速特性恶化。这就是说，普通的涡轮增压器不能同时兼顾柴油发电机的高速性和低速性。
图3 a/r对增压柴油发电机性能影响
4．vgs或vnt
发电用增压柴油发电机如何兼顾高低速性能，是增压器与柴油发电机匹配的重要问题。为了使涡轮增压器同时兼顾柴油发电机的低速性和高速性，以满足发电用柴油发电机使用转速范围宽的特殊要求，可变涡轮面径比的技术已开发研究并投入应用。其典型的技术就是如图4所示的可变涡轮几何截面积的涡轮增压器 vgs（variable geometry system）或 vnt（variable nozzle turbo-charger）。这种可变面径比的技术是在涡轮半径一定的条件下，根据柴油发电机不同转速通过设在叶轮入口处的可动翼片来改变涡轮喷嘴截面积，实现面径比的可变。低速时减小面径比以提高低速增压比，改善低速转矩特性；而高速时扩大喷嘴截面积，增加面径比，由此降低排气阻力，保证柴油发电机的高速性能。
图4 vgs的控制逻辑框图
这里，可动翼片通过连接环和销与驱动柄相连接，并由驱动柄的不同位移来控制其不同开度，即涡轮喷嘴截面积。对在某一台重型柴油发电机上采用的可变增压控制系统，其驱动柄的位移是通过三个柱塞式控制阀（vgsa、vgsb、vgsc）来控制的。根据三个控制阀的不同组合（表7-1），将可动翼片的开度范围从最小开度到最大开度划分成8个段数（不同开度），这相当于8个不同面径比的增压器。因此，对应柴油发电机的不同工况要求，通过改变可动翼片的不同开度调节涡轮喷嘴截面积，由此兼顾柴油发电机高低速性能，使得在整个使用转速范围内，充分发挥增压器的性能，达到增压器与柴油发电机优化匹配的目的。
表7-1 vgs段数和三个vgs阀on/off状态的对应关系
vgs段数
1
2
3
4
5
6
7
8
vgs c
vgs b
vgs a
no
on
on
on
no
off
on


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