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，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)排氣壓損對燃?xì)廨啓C(jī)性能影響分析

敬永權(quán)用小偏差法對燃機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)壓損對燃機(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)簡圖如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)簡圖

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)、排氣壓損同時發(fā)生變化后，系統(tǒng)總壓恢復(fù)系數(shù)和動力渦輪膨脹比為：

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、后動力渦輪的比功及比功變化量；k為絕熱指數(shù)為動力渦輪膨脹比，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浚け碚髋艢獾缐簱p變化且導(dǎo)致增大，因此Δ為正；Ne，ΔNe分別為動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)排氣壓損無關(guān)，所以進(jìn)、排氣壓損變化后耗油率和有效效率相對變化量為：

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。對比式（4）、式（5）、式（6）可知，比功相對變化量和燃油相對增量及有效效率的相對變化量在數(shù)量上相同。

2 進(jìn)排氣壓損對燃?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)，即不同工況對應(yīng)不同的噴油量，1.0工況代表標(biāo)準(zhǔn)噴油量時額定工況。根據(jù)前文分析結(jié)果及假設(shè)，1.0工況時進(jìn)、排氣壓損對燃機(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，當(dāng)進(jìn)、排氣道壓損增量均達(dá)到4 000 Pa時，動力渦輪比功相對變化量為－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值，從圖3中可知，進(jìn)、排氣壓損對比功的影響相差不大。

圖2 進(jìn)、排氣壓損對動力渦輪比功相對變化量的影響

從圖4可知，1.0工況時，當(dāng)進(jìn)、排氣道壓損均達(dá)到4 000 Pa時，動渦輸出功率下降了9.5%，可見壓損對輸出功率的影響比對比功影響大。從圖5可知，進(jìn)氣壓損對輸出功率的影響明顯比排氣壓損對功率的影響大，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)、排氣壓損單因素對動渦比功相對變化量的影響

圖4 進(jìn)、排氣壓損對動力渦輪輸出功率相對變化量的影響

圖5 進(jìn)、排氣壓損單因素對動渦輸出功率相對變化量的影響

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，可見工質(zhì)絕熱指數(shù)k和膨脹比ε＊TP均會對燃機(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)氣總壓損失對比功和功率的影響。從圖6、圖7可知進(jìn)氣壓損對低工況下動力渦輪比功和輸出功率相對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，比功和功率相對損失為4.48%和8.42%；而1.0工況時，比功和功率相對損失為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導(dǎo)致動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)性能對進(jìn)排氣壓損的敏感性比高工況時要高。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)論對于燃機(jī)性能修正有一定的參考價值。

圖6 各工況進(jìn)氣總壓損失對比功相對損失量的影響

圖7 各工況進(jìn)氣總壓損失對輸出功率相對損失量的影響

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［2］ 劉建華，劉永葆，賀星，等.進(jìn)排氣壓力損失耦合作用下的船用燃?xì)廨啓C(jī)性能研究［J］.機(jī)械工程與自動化，2012（3）：4－6.

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