低速二沖程柴油機(jī)復(fù)合動力渦輪匹配研究

曲東旭 王銀燕

摘要：對某型帶有排氣旁通的低速二沖程柴油機(jī)，采用柴油機(jī)復(fù)合動力渦輪技術(shù)，回收柴油機(jī)排氣能量?；贕T-POWER軟件對某低速二沖程柴油機(jī)進(jìn)行仿真計算，以同時考慮燃油消耗率、柴油機(jī)功率、動力渦輪功率、系統(tǒng)總功率、系統(tǒng)熱效率、壓氣機(jī)喘振裕度的方式，尋找匹配點(diǎn)。結(jié)果表明：當(dāng)動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑為50mm時，動力渦輪復(fù)合系統(tǒng)可在50%到100%工況回收排氣能量，額定工況下，旁通14.00%的廢氣，動力渦輪回收的功率為427.58kW，占原機(jī)的6.68%，動力渦輪回收比最大，復(fù)合系統(tǒng)的功率為6698.42kW，比原機(jī)提升了4.62%。

Abstract： For a certain type of low-speed two-stroke diesel engine with exhaust bypass， the diesel engine compound power turbine technology is used to recover exhaust energy of the diesel engine. Based on GT-POWER software， a low-speed two-stroke diesel engine is simulated and estimated to be found matching points by simultaneously considering the fuel consumption rate， diesel engine power， power turbine power， total system power， system thermal efficiency， and compressor surge margin. The results show that when the equivalent diameter of the power turbine nozzle ring is 50mm. The power turbine compound system can recover exhaust energy under 50% to 100% in working conditions. Under rated working conditions， 14.00% of the exhaust gas is bypassed， and the power recovered by the power turbine is 427.58kW， accounting for 6.68% of the original machine， the power turbine recovery ratio is the largest， the power of the composite system is 6698.42kW， which is 4.62% higher than the original machine.

關(guān)鍵詞：低速二沖程柴油機(jī);動力渦輪;排氣能量回收;匹配

Key words： low-speed two-stroke diesel engine;power turbine;exhaust energy recovery;matching

中圖分類號：U664.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0005-05

0? 引言

目前，大型低速二沖程柴油機(jī)的熱效率接近50%[1]，燃料燃燒產(chǎn)生的能量有大量被廢氣所帶走，如果合理利用這部分排氣能量，可以滿足制冷、制熱、制淡的要求，還可以發(fā)出大量的電，以供船舶設(shè)備的使用。余熱回收可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，滿足國際海事組織的新要求，打造綠色船舶[2]。

大型低速柴油機(jī)排氣量大、溫度較高、熱量多，為了保證渦輪增壓器不超速，需要將多余的排氣旁通，因此帶有排氣旁通的柴油機(jī)采用動力渦輪復(fù)合技術(shù)，能夠有效地回收排氣余熱。由于柴油機(jī)、動力渦輪和渦輪增壓器三者之間存在緊密的氣動聯(lián)系，動力渦輪的加入會使渦輪增壓器的可用排氣能量減少，會對整機(jī)的運(yùn)行造成影響，因此需要進(jìn)行柴油機(jī)與動力渦輪的匹配工作[3]。

本文基于GT-POWER軟件搭建某低速二沖柴油機(jī)的仿真模型，在此基礎(chǔ)上搭建動力渦輪并聯(lián)渦輪增壓器的仿真模型，分析動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑對整機(jī)性能的影響，考慮燃油消耗率（BSFC）、柴油機(jī)功率、動力渦輪功率、系統(tǒng)總功率、系統(tǒng)熱效率、壓氣機(jī)喘振裕度，不改變原機(jī)的渦輪增壓器，對加入的動力渦輪進(jìn)行優(yōu)化匹配。

1? 柴油機(jī)復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)仿真模型

1.1 柴油機(jī)仿真模型

研究對象為某低速二沖程柴油機(jī)，柴油機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

低速二沖程柴油機(jī)包括進(jìn)排氣系統(tǒng)、柴油機(jī)本體、燃油噴射系統(tǒng)、渦輪增壓系統(tǒng)等[4]。燃燒模型采用“EngCylCombDIPulse”。應(yīng)用GT-POWER軟件進(jìn)行建模，柴油機(jī)整機(jī)模型如圖1所示。

完成該發(fā)動機(jī)的模塊化建模之后，按照試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置環(huán)境溫度、壓力、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，然后對螺旋槳推進(jìn)特性100%工況、85%工況、75%工況、50%工況進(jìn)行仿真計算。將計算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比校驗(yàn)，誤差均在5%以內(nèi)，表明該模型可用于柴油機(jī)復(fù)合動力渦輪的仿真計算。

1.2 復(fù)合系統(tǒng)模型搭建

柴油機(jī)復(fù)合動力渦輪有兩種方式：并聯(lián)和串聯(lián)[5]，本文采用動力渦輪并聯(lián)渦輪增壓器的方式。在GT-POWER模型庫中，動力渦輪模塊選用簡單渦輪模型“Turbine Simple”，采用簡單渦輪模型只注重渦輪效率和噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑的取值。對動力渦輪效率、噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑進(jìn)行可控變參量設(shè)置，其它參數(shù)設(shè)置為模型默認(rèn)值。柴油機(jī)復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)的示意圖如圖2所示，柴油機(jī)復(fù)合動力渦輪的仿真模型如圖3所示。

2? 動力渦輪對系統(tǒng)性能的影響

考慮到低工況排氣能量小，無法為動力渦輪提供足夠的動力，本文對50%工況、75%工況、85%工況、100%工況進(jìn)行仿真計算分析，研究動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑對柴油機(jī)復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)性能的影響。

研究過程中原機(jī)的渦輪增壓系統(tǒng)不變，設(shè)定動力渦輪的效率為0.79，改變動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑，對燃油消耗率、柴油機(jī)功率、動力渦輪功率、系統(tǒng)總功率、系統(tǒng)熱效率、壓氣機(jī)喘振裕度進(jìn)行分析比較。為保證良好的推進(jìn)特性和經(jīng)濟(jì)型，柴油機(jī)輸出功率保持在原機(jī)的97%以上，燃油消耗率在原機(jī)的103%以下。

2.1 動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑對動力渦輪的影響

選取動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑變化范圍為10-100mm，變化步長為10mm，進(jìn)行仿真計算，得到的動力渦輪輸出功率如圖4所示。

從圖4中可以看出隨著動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑的增大，動力渦輪輸出功率先增加后減小。這是因?yàn)殡S著動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑的增大，流過動力渦輪的流量增加（圖5所示），這就導(dǎo)致了增壓渦輪得到的廢氣能量減小，氣缸內(nèi)進(jìn)氣壓力變小，空燃比下降，燃燒不充分，排氣量減少，排氣溫度升高（圖6所示）。在動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑在一定范圍內(nèi)增大時，動力渦輪的膨脹比降低（圖7所示），但此時流量和溫度對動力渦輪輸出功率的影響占優(yōu)，動力渦輪輸出功率升高。動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑繼續(xù)增加，排氣壓力繼續(xù)降低，導(dǎo)致了動力渦輪的膨脹比對動力渦輪輸出功率的影響占優(yōu)，隨著動力渦輪的膨脹比降低，動力渦輪輸出功率降低。存在最優(yōu)的動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑，使動力渦輪膨脹比的影響與流量、溫度相持平，動力渦輪輸出功率達(dá)到最大。50%工況時最優(yōu)的動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑為60mm，其余三個工況都為70mm。相同的動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑下，工況越高，動力渦輪輸出功率越大，這是因?yàn)楦吖r下排氣量較低工況排氣量多，排氣壓力大，排氣旁通以后，動力渦輪可得到更大的能量。

2.2 動力渦輪渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑對柴油機(jī)性能的影響

圖8和圖9分別為柴油機(jī)輸出功率和燃油消耗率。

由圖8和圖9可知，隨著動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑的增加，柴油機(jī)輸出功率下降，燃油消耗率升高。這是因?yàn)椋酝ǖ膹U氣量增多，增壓渦輪膨脹比減少（圖10所示），導(dǎo)致柴油機(jī)氣缸內(nèi)過量空氣系數(shù)變小，燃燒不充分，排氣溫度升高，后燃加劇，功率降低，燃油消耗率急劇升高。高工況排氣量大，旁通排氣量對高工況的性能影響小于低工況。85%工況的燃油消耗率最低，屬于柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)工況。

2.3 動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑對系統(tǒng)性能的影響

本節(jié)把系統(tǒng)總功率定義為柴油機(jī)功率與動力渦輪功率之和，系統(tǒng)熱效率定義為系統(tǒng)總輸出功率與系統(tǒng)所消耗的燃油能量之比。

圖11表明，隨著動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑的增大系統(tǒng)總功率先增大后減小，各個工況下系統(tǒng)總功率存在最大值。系統(tǒng)總功率達(dá)到最大值之前，動力渦輪的輸出功率不僅彌補(bǔ)了柴油機(jī)的功率損失，還使系統(tǒng)總功率增大。系統(tǒng)總功率達(dá)到最大值后，隨著動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑的繼續(xù)增大，燃燒惡化，柴油機(jī)功率繼續(xù)變小，動力渦輪功率不足以彌補(bǔ)柴油機(jī)功率損失，系統(tǒng)總功率下降。從圖12可以看出，系統(tǒng)熱效率和系統(tǒng)總功率呈相同的變化趨勢，先升高后降低，85%工況的系統(tǒng)熱效率最高。當(dāng)動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑在[40mm，60mm]區(qū)間內(nèi)，100%工況、85%工況下系統(tǒng)總功率和系統(tǒng)熱效率存在最大值，當(dāng)動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑在[30mm，50mm]區(qū)間內(nèi)，75%工況、50%工況下系統(tǒng)總功率和系統(tǒng)熱效率存在最大值，均大于原機(jī)。通過計算可知，原機(jī)的最小喘振裕度為14.35%（100%工況），由圖13可知各個工況下的喘振裕度隨著動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑的增大而增大，當(dāng)動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑為30mm時，100%工況下的喘振裕度為16.8%，因此在動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑的尋優(yōu)區(qū)間內(nèi)壓氣機(jī)喘振裕度均大于原機(jī)最小值。

2.4 動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑的選擇與分析

改變各個工況下動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑進(jìn)行尋優(yōu)仿真計算：100%工況和85%工況選取動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑為40-60mm，步長為1mm;75%工況和50%工況選取動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑為40-60mm，步長為1mm。

各個工況下最佳匹配點(diǎn)如表2所示。

根據(jù)圖13可知，在各個工況點(diǎn)的最佳動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑下，壓氣機(jī)喘振裕度都大于原機(jī)最小值。由圖12可知，最佳匹配點(diǎn)下85%工況的系統(tǒng)熱效率最高，75%工況次之，50%工況最低。由于柴油機(jī)常運(yùn)行于75-100%之間的經(jīng)濟(jì)工況，高工況下動力渦輪回收的能量較高，85%工況的燃油消耗率和熱效率最高，因此在系統(tǒng)熱效率和喘振裕度優(yōu)于原機(jī)時，綜合考慮燃油消耗率和推進(jìn)特性重新選取動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑為44-54mm。

根據(jù)圖8和圖9，當(dāng)動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑為52mm時，50%工況下燃油消耗率為173.73g/（kW·h），相比于原機(jī)的168.62g/（kW·h）升高了3.03%，75%工況下燃油消耗率為173.22g/（kW·h），相比于原機(jī)的167.84g/（kW·h）升高了3.20%，燃油消耗率的變化量高于3%的限制值。當(dāng)動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑為50mm時，柴油機(jī)從100%工況到50%工況的燃油消耗率較原機(jī)分別升高2.09%、1.73%、2.87%、2.63%，柴油機(jī)功率較原機(jī)分別降低2.05%、1.69%、2.79%、2.67%，變化率均低于3%的限制值。結(jié)合圖11可知，動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑為50mm時，100%工況下系統(tǒng)功率為6698.42kW，較最優(yōu)點(diǎn)的6701.52kW相比下降很小，柴油機(jī)功率由最優(yōu)點(diǎn)的6242.81kW升高到6270.84kW，燃油消耗率由176.02g/（kW·h）降低到175.23g/（kW·h），推進(jìn)特性和經(jīng)濟(jì)型均得到了改善。85%工況下系統(tǒng)功率為5534.11kW，較最優(yōu)點(diǎn)的5534.92kW相比基本不變，柴油機(jī)功率由最優(yōu)點(diǎn)的5212.54kW升高到5222.37kW，燃油消耗率由170.22g/（kW·h）降低到169.90g/（kW·h），推進(jìn)特性和經(jīng)濟(jì)型均得到了改善。綜上所述，選取動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑為50mm，在中高工況下，船舶柴油機(jī)復(fù)合動力渦輪具有可行性。

2.5 復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)性能分析

當(dāng)動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑為50mm時，柴油機(jī)復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)性能及排氣余熱回收效果如表3所示。

原機(jī)在未加入動力渦輪時，各個工況下旁通3%的廢氣，復(fù)合動力渦輪后各個工況下旁通量如表3所示，旁通廢氣驅(qū)動動力渦輪可對排氣能量進(jìn)行回收。100%工況時，動力渦輪回收的功率為427.58kW，占原機(jī)的6.68%，動力渦輪回收比最大，復(fù)合系統(tǒng)的功率為6698.42kW，比原機(jī)增加了4.62%，85%工況的經(jīng)濟(jì)性最好，50%工況下動力渦輪回收的能量最少。所以，對于此低速二沖程柴油機(jī)，在50%及50%以上工況切入動力渦輪，可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)對柴油機(jī)排氣余熱的回收。

3? 結(jié)論

本文對某低速二沖程柴油機(jī)復(fù)合動力渦輪進(jìn)行了仿真計算，綜合考慮各個工況下燃油消耗率、柴油機(jī)功率、動力渦輪功率、系統(tǒng)總功率、系統(tǒng)熱效率、壓氣機(jī)喘振裕度，匹配的動力渦輪效率為0.79，動力渦輪噴嘴環(huán)當(dāng)量直徑為50mm。此時，額定工況下，旁通14.00%的廢氣，動力渦輪回收的功率為427.58kW，占原機(jī)的6.68%，動力渦輪回收比最大，復(fù)合系統(tǒng)的功率為6698.45kW，比原機(jī)增加了4.62%。50%工況下，復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)的總功率較原機(jī)提升2.05%，75%工況到100%工況，系統(tǒng)的總功率較原機(jī)有明顯提高。在保證柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，利用動力渦輪可回收部分排氣余熱，輸出較多功率。

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