柴油发电机增压器的功用与性能研究

单级废气涡轮增压柴油发电机采用小型化办法，随之出现了柴油发电机低转速范围内过高的额定功率与良好的性能之间的目标冲突。为了扩展稳定的特性曲线场范围，详解了横截面可变的径向压气机，德国汉诺威莱布尼茨大学（der Leibniz Universit?tHannover）和布伦瑞克理工大学（der TechnischenUniversit?t Braunschweig）在内燃机联合会（FVV）探讨计划框架中进行了试验研讨。

为了能胜任当前和未来的废气排放法规，现有的技术更趋向于实现柴油发电机小型化，即借助于废气涡轮增压器（德语缩写ATL）在保持容量水平不变的情形下减小排气量，而且开发小排量柴油发电机是明显有利于减少成本的。因为柴油发电机的速度范围和品质流量范围都较大，必须加大废气涡轮增压器压气机的稳定运转范围，以此能增强低转速功率时的增压压力而又不会减少柴油发电机的最大功率。为了能加大和稳定压气机的运转范围，首先在废气涡轮增压器热气试验台上，按照所需要的程序循环（图3）对扩大特性曲线场潜力的方案进行试验研讨，以便紧接着能在柴油发电机试验台上验证极为有效的办法效果。

在废气涡轮增压器转速恒定不变的情形下，压气机的品质流量取决于较窄的横截面以及叶轮进出口横截面积之比（调谐）柴油发电机的启动方式，其较小品质流量是在品质流量较小的情形下由于压气机运转不稳定性所导致的。在品质流量较小时叶轮前缘的轴向转速分量将减少，使入射角增大，致使压气机叶轮中的流动分离，以此会引起压气机喘振。外部叶片顶部范围的流入和回流影响流动分离，并减少压气机叶轮中的能量转换和压力建立步骤。压气机出口处的流动角减小会使气体在扩压器中的流动时间加长，以此会使摩擦损失增大从而降低动能中国发电机组十大厂家。如果动能减小较多的话，流动就会出现分离并在扩压器中形成分离气泡。

为了稳定和扩大压气机的运行范围，对于压气机的运用目前已有相应进口导向办法，例如可变的、可开关的或固定的导向叶片。这些进口导向措施可以是带有轮毂体、环形隔板或完全无轮毂体的结构型式，其中压气机流动的可变进口导向叶栅可形成预旋流，其通过调节转速情形可实现叶片前缘无入射角的流动。

另一个可用于扩大压气机特征曲线场且更为有效的办法是可变进口截面。降低进口面积有助于提升小品质流量时的压气机流动稳定性，从而增强柴油发电机低转速时的最大功率（功率曲线的拐角功率）。作为附加方案，可借助于全面改变扩压器来增强流动转速和减轻压力，使得通过扩压器的流动时间更短，较终减少摩擦损失。

图5示范性地示出了进行部件试验的相关装置。进口喇叭口、进口隔板和进口导向叶栅的变型措施该当进行配置有环形隔板及并未配置有环形隔板的试验。在保持叶轮进口横截面不变的情况下，进口喇叭口方案与压气机壳体进口直径有关，进口直径增大会使特点曲线场范围向品质流量更小的方向移动。随着质量流量和转速的提升，由此会达到比较小的压比，特别是在较高的质量流量和速度情况下压气机的效率又会随着进口直径的增大而减轻。进口导向叶栅带和不带环形隔板对于所有的组成配置（不一样的进口导向叶栅角）都会使特征曲线场向质量流量较小的方向移动，但是这些组成配置的相互比较表明向品质流量较小方向的移动效果并不显着，因而可能发生的变化也不会呈现出显着的技术潜力，而且操作进口导向叶栅会发生附加的损失，致使压力减小。

对进口隔板的预试验表明，因降低了进口面积而使喘振极限明显向品质流量更小的方向移动。由于提高了轴向速度而使流动趋于稳定，但是在较高的品质流量时进口面积的减小也会致使明显的压力降，而在过低的速度下效率会随着进口面积的减少而增强。

基于对预试验的认识，在柴油发电机试验台上对不同进口直径的可变进口隔板的技术潜力进行试验。试验柴油发电机采用了一台可变进排烟定期的4缸1.4 L柴油发电机，其增压方案由一台废气放气阀涡轮增压器组成，并运用了扫气换气方法，以便在额定容量达到110 kW的同时提高低转速范围内的功率（低端功率东风康明斯柴油发电机组，英语缩写LET）。实验性试验时使用了柴油发电机所使用的可变几何截面涡轮（VTG）和经预试验的压气机。为了在较小的品质流量下利用扩大特性曲线场的措施充分发挥涡轮的作业能力，使用VTG涡轮是必不可少的。因减小了压气机进口的流动横截面，量产柴油发电机的低速度最大功率并不通过扫气换气来实现。

图6示出了压气机进口横截面相对于基准举措减少到50% 或75% 时的状况，在柴油发电机试验台上测得的压气机特点曲线，功率-速度曲线。在用星号标志出的运转工况点上探测到压气机喘振，其表明对于75% 的措施喘振极限移向较小的品质流量，这种可得到的较高的压气机压比能提升LET范围内的功率，在柴油发电机速度为1500 转/分钟时功率能增强约20 N·m而达到170 N·m。与基准措施相比，通过将压气机进口横截面降低到50%，喘振极限会产生更明显的移动情形，采用这种举措无需采用扫气换气柴油发电机即可使速度为1500 转/分钟时的功率达到250 N·m，该数值相比基准举措提升了67%，在这种状况下压气机的较大压比并非受喘振极限所限制，而是由涡轮的工作能力或柴油发电机250 N·m的最大功率所限制的。

这种可变几何截面涡轮主用于柴油发电机，因此出于保护零配件的因由，在全负荷时加浓混合气将废气温度限制在820 ℃。为了在柴油发电机运转时全面评估可变进口隔板，建立并验证了试验柴油发电机的1D模型。综合热气试验台和柴油发电机试验台上的检测结果可得到压气机特性曲线场，并成为模拟计算的输入量，其中在柴油发电机试验台上测得的特性曲线场覆盖了压气机较小品质流量时的喘振极限，而在热气试验台上测得的特点曲线场则覆盖了压气机偏高质量流量直至受到堵塞极限限制的作业范围。

图8示范性地示出了两种压气机进口横截面积措施的模拟特征曲线场及其运行工况点曲线，其中基准办法的压气机特点曲线场用绿色表示，其覆盖了约0.15 kg/s的质量流量范围。为了能在LET范围内建立起较高的压力，在压气机质量流量小于0.05 kg/s的情况下就转换到较小的压气机叶轮进出口横截面积之比，在图6中用蓝色表示。这种办法因为通过按需切换压气机进口横截面并放弃扫气换气从而增强了压气机效率，因而能提供减少CO2排放的潜力，并且还相应提升了性能。操作单级增压可达到的品质流量范围即可扩展到该数值，否则就必须操作两级增压了，因此通过操作可变进口隔板就能供应通过增压机组才能达到的作业范围。操作单级增压办法替代两级增压能减轻调节费用和成本，并供应了在外形尺寸方面的特征。

降低废气涡轮增压器压气机进口横截面能使喘振极限向小质量流量方向移动，以此就能提升柴油发电机低速度范围内的压气机压比，从而提升柴油发电机所能达到的功率。根据运行工况点切换压气机进口截面的途径能显着提升单级增压办法的性能，并且通过将压气机较佳效率区域不断向柴油发电机运转范围移动就能减小CO2排放。