進(jìn)排氣壓損對(duì)不同工況燃?xì)廨啓C(jī)性能影響研究

黃東煜

（駐哈爾濱703所軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

進(jìn)排氣系統(tǒng)是船用燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵附屬系統(tǒng)［1］，其結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜，氣動(dòng)阻力明顯，導(dǎo)致燃機(jī)進(jìn)排氣壓損升高，并給燃機(jī)性能帶來(lái)了不利的影響，如功率和經(jīng)濟(jì)性的下降及耗油率的增加等［2］（OLYMPUS TM3型燃?xì)廨啓C(jī)在最大功率下，進(jìn)氣壓力每下降l%，比油耗增加1.2%，功率損失2.2%［3］；LM2500型燃?xì)廨啓C(jī)排氣壓損每增加980 Pa，輸出功率減少107 k W［4］）。當(dāng)進(jìn)排氣壓損與給定值不同時(shí)，燃機(jī)性能將發(fā)生明顯的變化［5］。此外，工況不同，燃機(jī)內(nèi)部工質(zhì)性質(zhì)并不一致，單位壓損對(duì)不同工況下燃機(jī)性能的影響也不同，文獻(xiàn)［6］認(rèn)為考慮氣體工質(zhì)的實(shí)際特性有重要意義。

1 進(jìn)排氣壓損對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能影響分析

敬永權(quán)用小偏差法對(duì)燃機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)壓損對(duì)燃機(jī)特性影響進(jìn)行了理論分析，提出了修正系數(shù)的計(jì)算方法。本文所研究的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

其中：CH，CL分別為高、低壓壓氣機(jī)；C為燃燒室；TH，TL，TP分別為高、低壓渦輪和動(dòng)力渦輪；0～1和11～0之間分別為進(jìn)氣道和排氣道；Δp＊in為0～1之間的進(jìn)氣道壓損；2～3之間為高低壓壓氣機(jī)之間過(guò)渡段壓損；4～5之間為燃燒室壓損；6～7之間為高低壓渦輪之間的擴(kuò)壓段（渦輪中間機(jī)匣）壓損；8～9之間為低壓渦輪與動(dòng)力渦輪之間的機(jī)匣通流部分壓損；10～11之間為排氣蝸殼壓損；Δp＊out為11～0之間的排氣道壓損。定義出口總壓與進(jìn)口總壓之比為總壓恢復(fù)系數(shù)［7］，則系統(tǒng)總的總壓恢復(fù)系數(shù)為：

其中：σ0～1，σ2～3，σ4～5，σ6～7，σ8～9，σ10～11和σ11～0為相應(yīng)段間的總壓恢復(fù)系數(shù)。當(dāng)進(jìn)、排氣壓損同時(shí)發(fā)生變化后，系統(tǒng)總壓恢復(fù)系數(shù)和動(dòng)力渦輪膨脹比為：

其中：σ′，σ′0～1，σ′11～0分別為進(jìn)、排氣壓損變化后系統(tǒng)總壓恢復(fù)系數(shù)和進(jìn)、排氣道總壓恢復(fù)系數(shù)；ε＊TH，ε＊TL，ε＊TP′分別為高、低壓渦輪膨脹比和進(jìn)排氣壓損變化后動(dòng)力渦輪膨脹比；p＊0，p＊9′，p＊10′分別為大氣壓力和進(jìn)排氣壓損變化后動(dòng)力渦輪進(jìn)、出口截面總壓；π＊HC，π＊LC分別為高、低壓壓氣機(jī)壓比。則比功和功率相對(duì)變化量為：

其中：WTP，s，W′TP，s，ΔWTP，s分別為進(jìn)排氣壓損變化前、后動(dòng)力渦輪的比功及比功變化量；k為絕熱指數(shù)為動(dòng)力渦輪膨脹比，Δ分別為低壓壓氣機(jī)進(jìn)口總壓及其變化量，Δ表征進(jìn)氣道壓損變化且導(dǎo)致減小，因此Δ為負(fù)；，Δ分別為排氣道入口處燃?xì)饪倝杭捌渥兓?，Δ表征排氣道壓損變化且導(dǎo)致增大，因此Δ為正；Ne，ΔNe分別為動(dòng)力渦輪輸出功率及其變化量；G，ΔG為流量及其變化量。

由于油氣比f(wàn)僅與燃?xì)獬鯗睾蛪簹鈾C(jī)出口的溫度有關(guān)［8］，且燃料低熱值Hu也跟進(jìn)排氣壓損無(wú)關(guān)，所以進(jìn)、排氣壓損變化后耗油率和有效效率相對(duì)變化量為：

其中：Be，ΔBe分別為耗油量及其增量；η，Δη分別為有效效率及其增量。對(duì)比式（4）、式（5）、式（6）可知，比功相對(duì)變化量和燃油相對(duì)增量及有效效率的相對(duì)變化量在數(shù)量上相同。

2 進(jìn)排氣壓損對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能影響

假設(shè)初始進(jìn)排氣道壓損為0，p＊1和p＊11初始值取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 325 Pa，則σ0～1和σ11～0初始值為1。本文以噴油量為工況標(biāo)準(zhǔn)，即不同工況對(duì)應(yīng)不同的噴油量，1.0工況代表標(biāo)準(zhǔn)噴油量時(shí)額定工況。根據(jù)前文分析結(jié)果及假設(shè)，1.0工況時(shí)進(jìn)、排氣壓損對(duì)燃機(jī)性能的影響如圖2～圖5所示。

從圖2可以看出，1.0工況時(shí)，當(dāng)進(jìn)、排氣道壓損增量均達(dá)到4 000 Pa時(shí)，動(dòng)力渦輪比功相對(duì)變化量為－0.055，即損失達(dá)到5.5%。圖3中，｜Δp｜代表進(jìn)氣或排氣總壓損失的絕對(duì)值，從圖3中可知，進(jìn)、排氣壓損對(duì)比功的影響相差不大。

圖2 進(jìn)、排氣壓損對(duì)動(dòng)力渦輪比功相對(duì)變化量的影響

從圖4可知，1.0工況時(shí)，當(dāng)進(jìn)、排氣道壓損均達(dá)到4 000 Pa時(shí)，動(dòng)渦輸出功率下降了9.5%，可見(jiàn)壓損對(duì)輸出功率的影響比對(duì)比功影響大。從圖5可知，進(jìn)氣壓損對(duì)輸出功率的影響明顯比排氣壓損對(duì)功率的影響大，由式（5）可知，這是由于進(jìn)氣壓損還影響進(jìn)氣量的大小。

圖3 進(jìn)、排氣壓損單因素對(duì)動(dòng)渦比功相對(duì)變化量的影響

圖4 進(jìn)、排氣壓損對(duì)動(dòng)力渦輪輸出功率相對(duì)變化量的影響

圖5 進(jìn)、排氣壓損單因素對(duì)動(dòng)渦輸出功率相對(duì)變化量的影響

從式（4）、式（5）、式（6）可知，影響燃機(jī)性能的主要因素有Δp＊1，Δp＊11，k，ε＊TP，可見(jiàn)工質(zhì)絕熱指數(shù)k和膨脹比ε＊TP均會(huì)對(duì)燃機(jī)性能產(chǎn)生影響。表1為各工況下工質(zhì)絕熱指數(shù)和膨脹比。由表1可知，不同工況下k和ε＊TP均有較大差異，圖6、圖7為考慮絕熱指數(shù)和膨脹比的差異，不同工況進(jìn)氣總壓損失對(duì)比功和功率的影響。從圖6、圖7可知進(jìn)氣壓損對(duì)低工況下動(dòng)力渦輪比功和輸出功率相對(duì)影響程度均比高工況大，同樣是進(jìn)氣壓損4 000 Pa，0.35工況時(shí)，比功和功率相對(duì)損失為4.48%和8.42%；而1.0工況時(shí)，比功和功率相對(duì)損失為2.68%和6.76%。

表1 各工況下工質(zhì)絕熱指數(shù)和膨脹比

3 結(jié)論

各工況進(jìn)排氣總壓的增大均會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力渦輪比功和輸出功率損失量的增大，但由于進(jìn)氣壓損既影響進(jìn)氣壓力恢復(fù)系數(shù)，還影響進(jìn)氣量G本身，因此同等壓損條件下進(jìn)氣壓損對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響比排氣壓損要大。工況不同則工質(zhì)熱物理性質(zhì)有較大差異，進(jìn)、排氣壓損在不同工況下對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響也明顯不同，低工況下燃機(jī)性能對(duì)進(jìn)排氣壓損的敏感性比高工況時(shí)要高。因此，保持進(jìn)、排氣道的清潔暢通，定期檢查并清除污垢和腐蝕層對(duì)于保證燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率和經(jīng)濟(jì)性有著重要的意義，本文所述方法和結(jié)論對(duì)于燃機(jī)性能修正有一定的參考價(jià)值。

圖6 各工況進(jìn)氣總壓損失對(duì)比功相對(duì)損失量的影響

圖7 各工況進(jìn)氣總壓損失對(duì)輸出功率相對(duì)損失量的影響

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