環境溫度對渦輪增壓器的影響設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 渦輪增壓柴油機熱力過程計算中增壓器計算時，先假定增壓壓力p增壓溫度TK效率ηK的初值，然后進行疊代計算，最后算出增壓壓力PK及增壓器轉速nTK。具體步驟如下:(1)預先假定PK、TK\ηK的疊代初值。由柴油機氣缸內熱力過程計算出氣缸的個氣流量，即為壓氣機流量mK、由排氣管內熱力過程計算出廢氣渦輪功W1。(2)將步驟(1)算得的mK、Wr值及有關疊代初值算出增壓器壓比πk(3)由本次算得的πk利用拉格朗日二元33點插值，算出壓氣機特性對應的ηK(4)由本次算得的ηK及原來的mK、Wr利用上式算出一個新的πk用這一新πk即可算出一個新的增壓壓力值:。=(5)將新算出的與原來的值比較，是否滿足計算精度要求。(6)計算渦輪效率時需要計算葉輪圓周速度u，計算u要已知增壓器轉速。通常做法是在計算出的同時，根據、值調用拉格朗日二元33點插值求出對應的值。第3章空冷器的計算及其模型的建立 為了降低增壓后的空氣溫度，增大進氣密度，使柴油機的循環進氣量增多，一般在壓氣機出口和柴油機入日之間安置空氣中間冷卻器，這樣可以在柴油機的熱負荷不增加甚至降低，機械負荷增加不多的前提下，較大幅度地提高柴油機功率和經濟性，降低排放。3. 1增壓空氣中冷的作用 增壓的目的是通過提高進入氣缸的空氣密度以增加充氣量?？諝庠趬簹鈾C中的溫度升高值取決于增壓比、壓氣機效率和壓氣機中的散熱損失。如果壓氣機的增壓比高，又不予冷卻，則空氣在壓氣機中經過壓縮以后溫度上升，使空氣密度減小。采用增壓空氣中間冷卻的主要目的有以下兩個:，從而可提高柴油機的功率空氣在增)壓器中被壓縮后，壓力和溫度同時升高，使空氣密度提高受到限制，影響增壓效果。在理想情況下進行絕熱壓縮，這時增壓器絕熱效率為100%，密度與壓比關系如下 若取(t1=20176。C)并以數值代入，可得到表31中的計算結果。 由此可見，即使在理想的情況下，密度比的上升也小于壓比的上升。只有在等溫壓縮的情況下(n=1)，密度上升的速度才能與壓比上升的速度相同。 實際上，在增壓器的壓縮過程中會出現種種損失(ηcod 1，因此，增壓器出口的溫升比理想情況的大，其升高的幅度取決于壓比的大小及壓氣機效率的高低。如果壓氣機的增壓比為壓氣機效率為75%，把進氣冷卻至90℃、65℃、40℃，空氣密度相應增加8%、16%、25%。如果增壓比為效率為75%，把進氣冷卻到上述溫度，那么空氣密度就分別增加25%、35%、45%?？梢姴捎眠M氣中冷是很有利的。、增壓器的效率從60%提高到80%時，空氣密度就增加6%，2. 降低柴油機的循環平均溫度，提高其可靠性和使用壽命 資料[10][64]表明，當進氣溫度降低10℃時，柴油機的循環平均溫度將降低25~30℃，進氣冷卻對于熱負荷較大的柴油機作用更大，進氣中冷后循環溫度降低，從而使冷卻水帶走的熱量更少，增大了柴油機的輸出功率。 綜上所述，在增壓柴油機上采用進氣中冷，是在不影響柴油機經濟性情況下提高功率的手段。 現以“遠大湖”主機為例：主機型號MAB Bamp。W S80MC ,，增壓器效率ηTK=，大氣壓力P0= bar，大氣溫度t。=21 ℃空氣經空冷器后降到50℃。與非增壓時相比，該柴油機通過增壓和冷卻共使功率大約增加了3. 191 ==219%其中:%，%由此可一見，進氣冷卻的作用是很顯著的。3. 2空冷器的計算 通過上面的分析我們知道，中、高增壓柴油機通常采用空冷器，使從壓氣機出來的空氣，經空冷器冷卻后溫度下降，使氣缸在相同的進氣壓力下進氣量增加，達到提高功率和降低熱負荷的目的。空冷器的計算，主要是計算空冷器出口處的空氣溫度T和壓力p。計算簡圖32如下，圖32空冷器計算簡圖圖中增壓器出口處的空氣溫度為Tk，空冷器出口處的空氣溫度為Ts。用下標s代表空氣、“w”代表冷卻水，“i”表示入口狀態、“o”表示出口狀態。增壓空氣散出的熱量、冷卻水帶走的熱量空氣傳給水的熱量分別用下列各式一表示: (3l) (32) ? (33)上式中，傳熱系數K、傳熱面積AK均作為常數處理。由熱平衡關系可知:(34)故傳熱系數K與傳熱面積Ak的乘積可表示為 (35)式中△TSW稱為當量平均溫度，其定義是:空冷器中由△TSW引起的熱交換量等于由逐點變化的溫度差△T引起的熱交換量，如圖33所示?！鱐SW的數值用下述方法求得。圖33氣、水溫度隨傳熱面積A的變化單位時間內通過微元傳熱面積dA的熱流量為:d()=KdA△T (36)式中△T—在微元傳熱面積dA上兩種介質之間的溫差。如圖33所示，△T沿途不斷變化。由(31)及（32）得: 由此得: （37） 將(37)中的兩式相減，并把(36)代入得:D(TwTks)=d(△T)=KdA△T d(△T)/△T=KdA (38)將式(38)在(△T)min至(△T)max之間積分，并設K為常數，則得下列方程:=KA 利用(31)、(32)、(34)得：=將上式代入(39)得:=KAK利用(33)（34)得當量平均溫度△TSW的計算公式為:△TSW=將式(310)（32）代入式(35)，整理后得到空冷器出口空氣溫度T、計算式為: (311)由式(31)(32)得出空冷器出口冷卻水溫度Two計算公式為:Two=Twi+(312)若在空冷器的設計點上運行，溫度TK、TS、Tmi、Two、 等可測量得到，是已知參數，這樣可以利用式(3l)算出，并可算出系數Csw。柴油機在其他工況運行時雖然、有變化，但CSW，值仍然可近似地認為不變。 當空冷器在非設計工況運行時，從式(311) ,（312)可知，等號右邊包含未知數TS、Two，因此要進行疊代計算。Tk、Twi、Cps、Cpw 件為已知數據輸 入，參考原設計參數選定。TS、Two用疊代計算算得。除以上方法外，有一種簡化計算法亦可用于空冷器出口空氣溫度的計算。這種方法是引入空冷器冷卻系數(冷卻效率)ηC后，按下式計算TS: Tc=TkηC(TkTwi) (313)式中，ηC=~，視中冷程度而定。在工作過程模擬計算中ηC通常視為常數。圖34【H】【2x】為某船用柴油機空冷器的冷卻系數ηC曲線，圖中為設計工況時的空氣流量（=） ，為冷卻水流量(=)。 圖34某船用柴油機空冷器的冷卻系數ηC曲線 空冷器的實驗表明，空氣流量對ηC影響較大。由圖知當冷卻水流量保持不變時，ηC隨空氣流量減小而升高。實驗還指出進口空氣溫度和冷卻水溫度對其影響較小。對一于動態特性的模擬計算，可以應用穩態的冷卻效率曲線。增壓空氣流過空冷器時壓力損失如?PS，可以按下式計算[8]: ?PS=?PSo式中，?PSO為空冷器在設計工況時的壓力損失，~，按下式計算:P、=Pk ?PS3. 3空冷器數學模型的建立 空冷器是換熱器的一種，是把熱量從較熱的流體(空氣)傳給較冷流體(冷卻水如海水)的設備。它是一個多容控制對象，在冷卻水流量較大的情況下，可把冷卻器看作三個儲蓄容積。 首先，流過空冷器的空氣是一個儲蓄容積，它儲存經過壓氣機壓縮所得到的熱量:空氣儲存的熱量要放給金屬壁，:第三個儲蓄容積是海水，它儲存的是金屬壁傳給它的熱量。在初始平衡狀態下，空氣所得的熱量不變，海水出口溫度和調節閥閥位不變，海水帶走的熱量不變，空氣的溫度穩定在某個值上。在t=t0，時刻，對空冷器施加一個階躍擾動，如海水溫度變化，主機負荷變化等。TYk如海水溫度升一高，海水溫度冷卻能力下降，帶走的熱量減小。冷卻器中海水熱量增加，海水出日溫度要升高。海水的升高速度為: 或 （314）式中：C1—海水熱容量系數。 T1一海水溫度。 t—時間。 Q1—初始狀態下海水帶走的熱量?！Ｋ畬饘俦诘姆艧崃?。與金屬壁的換熱方式主要為對流換熱，其換熱量為。 = (315)式中:T1——海水側金屬壁溫度。α1——對流換熱過程的換熱系數。R1:—對流換熱過程中的熱阻。金屬壁接受海水放熱后，把這部分熱量儲存起來，金屬壁的溫度會升高。由于金屬壁傳熱有熱阻，板內外壁的溫度是不同的。但是，金屬的熱傳導系數很大，并且板式換熱器的壁非常薄，而溫度的變化又不大的話，我們可以近似地把金屬壁兩側壁面溫度看成是相等的。這樣，金屬壁溫度的上升速度為 或 （316） 式中: ——金屬壁內外壁的溫度?！饘俦趯諝獾姆艧崃?。金屬壁對空氣換熱的方式主要也是對流，其放熱的熱流量為 式中:α2—金屬壁對空氣放熱的放熱系數。 R2:—對流換熱過程中的熱阻?？諝獍呀饘俦趥鹘o它的熱量儲存起來，空氣溫度會升高，溫度升高速度為或 (318)式中Q2,T2分別表示各種輔助及柴油機放給淡水的熱量和空氣溫度。 第4章環境溫度變化對壓氣機和空冷器的影響通過前面對壓氣機和空冷器的分析可知，船舶柴油機各部分是在某一確定的靜態條件下設計的。例如對于無限航區的船舶，設計計算空冷器的額定熱負荷時，把環境條件選為熱帶條件，即:海水溫度32oC，壓氣機入口溫度45oC。在船用條件下，一般來說，大氣壓力變化較小，大氣參數中變化大的是溫度。環境溫度的變化必然引起船舶柴油機性能的變化。特別是對廢氣渦輪增壓系統，當外界環境溫度發生變化時，渦輪增壓器的特性會發生變化。因此，研究渦輪增壓器對環境條件的適應性，采取合適的冷卻方式，使渦輪增壓系統適應大氣狀態的變化，滿足柴油機功率的要求，對于柴油機的正確使用和合理標定具有重要意義。由于篇幅和專業知識所限，本文只對柴油機的入口部分進行分析和研究，即壓氣機和空冷器部分。4. 1環境溫度對壓氣機性能影響的理論分析 在中華人民共和國船舶行業標準(柴油機船舶機艙通風設計條件和計算基準)CB/T3772一1996附錄B中提到，約有50%的通風量應送到主柴油機頂部靠近渦輪增壓器進口的上面，因此壓氣機進口空氣溫度更接近環境的溫度，而不是機艙空氣的溫度。為了研究方便，設壓氣機進口空氣溫度與環境溫度相等。 當船舶從寒帶航行到熱帶時，環境溫度升高，會使壓氣機進口溫度升高，它將影響壓氣機運行點的位置。對這個問題作分析是比較復雜的，因為它涉及到具體的壓氣機特性、渦輪特性和柴油機特性的一些因素(只有在討論等供油量運轉情況(即油泵齒條位置不變)下環境溫度對柴油機的影響時，才需考慮供油系統內燃油粘度、比重隨環境溫度變化導致噴入缸內的油量發生變化給工作過程帶來的影響。而這種運轉條件在大功率柴油機上很少發生)。因此，為簡單起見，設在柴油機功率、轉速和燃油消耗率不變的情況下，壓氣機進口溫度由T0’升高至T0，分析壓氣機運行點的變化。42壓氣機特性圖繪出了壓氣機進口溫度為T0時的運行點ao，圖中，1為喘振線，2為等效率線，3為等轉速線。當溫度由T0升高到T0時壓氣機能仍然在a點運行，則必須滿足3個條件:（1）渦輪和壓氣機之間的功率平衡（2）渦輪和壓氣機之間的流量平衡（3）渦輪和壓氣機之間的轉速平衡對于最后一條，由于壓氣機和渦輪在同一根軸上，它們的轉速必然相等。因此只要滿足前兩條即可。首先考慮流量平衡假定壓氣機運行點不變，則應有= (4—1)式中: 一壓產元機質量流量，kg/S。式中帶“/”的均指對應于并且壓氣機仍然在a點運行時的參數。因為壓氣機運行點不變，故有=。在環境溫度變化的實際范圍內，通常 /不會有顯著的變化，所以可以認=，從而渦輪的膨脹比相同，渦輪的折合流量不變，即式中：——渦輪質量流量，kg/s。TT——渦輪進口溫度，K。應用式(4一1)可得即只有在渦輪進口溫度符合下式時，才能滿足流量平衡 考慮功率平衡 目前增壓器上用的離心式壓氣機絕大多數具有徑向葉片，對于徑向葉片的壓氣機功率可以用壓氣機葉輪的圓周速度或增壓器的轉速表示[７]： 式中:Nk—壓氣機消耗的功率，kgm/s； u—壓氣機葉輪的功率系數。 Dx—葉輪外徑，m； Uk—葉輪外緣圓周速度，m/s。 a—葉輪的摩擦鼓風損失系數。