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GH210混流式增壓器與8300ZLD氣體機(jī)增壓匹配的試驗(yàn)研究
一、概述
廢氣渦輪增壓氣體機(jī)性能的好壞，不僅要看氣體機(jī)及增壓器自身的性能，還取決于兩者間的匹配是否合理。即使壓氣機(jī)和渦輪的設(shè)計(jì)點(diǎn)效率都很高，但壓氣機(jī)或渦輪的運(yùn)行點(diǎn)不在它們的率區(qū)，則增壓器在實(shí)際運(yùn)行中的效率還是不可能高。因此，增壓氣體機(jī)要獲得良好的性能指標(biāo)，關(guān)鍵在于解決好增壓器與所體機(jī)的匹配問題。雖然當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已使我們有可能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行理論計(jì)算，選取比較合適的增壓匹配方案，但是還是有必要通過試驗(yàn)驗(yàn)證所選方案是否合理，有必要通過試驗(yàn)調(diào)整和修改增壓器的某些結(jié)構(gòu)參數(shù)，以使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下的耗氣特性曲線處于壓氣機(jī)特性曲線的區(qū)，且偏離喘振線。在8300ZLD增壓型氣體機(jī)的研制過程中，通過大量的匹配調(diào)整試驗(yàn)，較好地確定了GH210 增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，使8300ZLD增壓型氣體機(jī)達(dá)到了較好的性能指標(biāo)。
二、氣體機(jī)和增壓器主要技術(shù)參數(shù)
8300ZLD增壓型氣體機(jī)和GH210增壓器的主要技術(shù)參數(shù)見表1：
表1 發(fā)動(dòng)機(jī)及增壓器的主要技術(shù)參數(shù)
在整體布置上，渦輪增壓器位于飛輪上方，壓氣機(jī)出口通過彎管與中冷器連接，再串連著阻燃閥和節(jié)流蝶閥。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管與增壓器渦輪箱通過一個(gè)膨脹節(jié)連接，不需要過渡彎管，保證了氣流的順暢。這樣不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，也有利于提高增壓效率。
三、匹配點(diǎn)參數(shù)的估算
天然氣機(jī)與增壓器匹配的算法很多，zui終目的是計(jì)算出村標(biāo)定點(diǎn)處增壓的壓力和空氣流量參數(shù)。用來選型增壓器并大致確定渦輪機(jī)和壓氣機(jī)的規(guī)格。本試驗(yàn)中，按照有關(guān)文獻(xiàn)介紹的計(jì)算方法，根據(jù)8300ZLD氣體機(jī)的技術(shù)參數(shù)，對(duì)一些參與運(yùn)算的參數(shù)作出經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，求出要求數(shù)值。經(jīng)過計(jì)算，獲得的增壓器流量為1.711kg/s，增壓壓力1.754bar，壓比1.818。據(jù)此選型增壓器為GH210，并確定了壓氣機(jī)和渦輪機(jī)方案。對(duì)渦輪機(jī)和壓氣機(jī)進(jìn)行組合，形成三個(gè)GH210整機(jī)試驗(yàn)方案。見表2 GH210試驗(yàn)整機(jī)方案。
表2 GH210試驗(yàn)整機(jī)方案
四、增壓匹配試驗(yàn)
由于8300ZLD型氣體機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力，因此增壓匹配試驗(yàn)均按負(fù)荷特性進(jìn)行性能的相對(duì)比較，比較的重點(diǎn)是缸溫和氣耗指標(biāo)。
(一)方案一的試驗(yàn)
方案一的壓氣機(jī)進(jìn)口當(dāng)量面積為148cm2，并配置圓弧形葉片擴(kuò)壓器。渦輪機(jī)當(dāng)量流通面積為61.2cm2。
試驗(yàn)結(jié)果是：發(fā)動(dòng)機(jī)功率拉到了標(biāo)定點(diǎn)，但標(biāo)定點(diǎn)處的閥后溫度和渦前溫度都是較高，前者>650℃，后者>700℃。過高的熱負(fù)荷對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)及增壓器是不能承受的，必然降低發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。燃?xì)鉄岷穆室哺哌_(dá)到11.8MJ/kwh，可見氣耗偏高，超過了設(shè)計(jì)目標(biāo)。
(二)方案二的試驗(yàn)
針對(duì)方案一溫度高的問題，采取的措施是：維持壓氣機(jī)不變，將渦輪機(jī)的當(dāng)量流通面積減小約15%，即由原來61.2cm2減小至50.6cm2。按照增壓匹配的理論和經(jīng)驗(yàn)來講，減小渦輪機(jī)的當(dāng)量流通面積，將提高增壓器轉(zhuǎn)速并提升增壓壓力，進(jìn)而降低缸溫和渦前溫度。這是因?yàn)樵黾恿诉^量空氣和掃氣量，且提高了掃氣壓力比。但過分減小渦輪流通面積，將會(huì)使渦前壓力升高過多，渦輪過早阻塞。這些理論在柴油機(jī)試驗(yàn)中得到了多次驗(yàn)證，但在大缸徑的氣體機(jī)上試驗(yàn)的并不多。方案二試驗(yàn)結(jié)果表明，較小通流面積的渦輪機(jī)提升了壓氣機(jī)后壓力，當(dāng)然中冷后的壓力也增加了，在標(biāo)定點(diǎn)處增加了12kpa。缸溫、渦前溫和氣耗率均略有下降。但是，方案二的溫度和氣耗指標(biāo)仍較高。
(三)方案三的試驗(yàn)
方案三的壓氣機(jī)葉輪進(jìn)口當(dāng)量面積做了放大處理，由上面方案的148cm2，增加到158cm2。為拓寬大流量范圍，配置了無葉擴(kuò)壓器。在理論上，這樣的壓氣機(jī)更適合氣體機(jī)所要求的大流量低壓比的特點(diǎn)。渦輪機(jī)恢復(fù)了方案一的狀態(tài)。這是因?yàn)橹靼付男Ч槐确桨敢缓煤芏啵瑥那皟煞桨傅姆治隹梢?，壓氣機(jī)是造成前兩方案不理想的主要原因。方案三的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3：
表3 方案三的負(fù)荷特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)
對(duì)表3中數(shù)據(jù)整理成圖，并同時(shí)與前兩方案進(jìn)行對(duì)比。見圖1 三個(gè)方案的性能對(duì)比
圖1(a) 中冷后壓力對(duì)比 圖1(b) 閥座后溫度對(duì)比
圖1(c) 渦前溫度對(duì)比 圖1(d) 氣耗率對(duì)比
圖3 三個(gè)方案性能對(duì)比
從圖1可明顯看出，方案三較前兩個(gè)方案的匹配效果好。盡管增壓壓力沒有方案二的壓力高，但閥座后溫度、渦前溫度和氣耗都大幅下降。渦前溫度約等于660℃左右，降幅達(dá)5.42%；氣耗下降了17.9%?；緦?shí)現(xiàn)了匹配目標(biāo)。
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