涡轮增压器喘振分析

涡轮增压器喘振的原因及处理方法 [复制链接]

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发表于 2008-4-13 01:26:30 |只看该作者 |倒序浏览

从柴油机气缸排出的废气具有很高的温度（约400~500°C）和一定压力（约

0.2~0.4Mpa）及较高的流速[1]。它所含热量约占燃油燃烧所放出热量的23~40%。因此将废气通入涡轮机，使涡轮机高速旋转来带动离心式压气机，由此实现柴油机增压。这种增压形式称为废气涡轮增压。由于压气机叶轮的旋转，空气经过空气滤清消声器被吸入压气机叶轮。因为离心力的作用，空气在叶轮中被压缩，其压力、温度和速度迅速增加。从压气机叶轮流出的空气，经扩压器和涡壳之后，气流速度减少，部分速度转变为压力能。最后，压气机出口的空气经中冷器冷却后进入柴油机进气管并到达各气缸参加燃烧。

图1 压气机的特性曲线

图1为一现代压气机的特性曲线。压气机特性线上的等转速运行线，通常称为增压特性线。它的变化特点是：随着空气流量V的增加，增压比Πc开始是增加的。当流量V增加至某一值时，Πc值达到最高。然后，进一步增加流量V，增压比Πc反而降低。这样，增压特性线如似马鞍形状。这种变化特点是由于压气机中气体流动特点引起的。我们可以通过图2来解释这种现象。理论上，一只带后弯式叶片的压气机，在没有流动损失的理想情况下，转速为常数时，增压比Πc与空气流量的关系是呈线性下降趋势的，如图2中的a线。

但压气机中的实际流动是有损失的。可以把压气机中的流动损失分为两类，即摩擦损失和撞击损失。摩擦损失包括空气与壁面的摩擦、空气流内部的相互摩擦以及可能产生的波阻损失。这些损失都随流过压气机的气流速度而变化，也就是随空气流量而变化，且随流量的增加而增大。如果没有撞击损失，压气机消耗的功用来压缩空气和克服摩擦损失。因此，随着流量的增加，摩擦损失增加，而增压比Πc总是减小的，如图2中的b线。

压气机中的撞击损失是由于非设计状态下，压气机叶轮进口和叶片扩压器进口处，气流方向的叶片构造角不一致，即产生一定的冲角，使气流撞击叶片边缘而引起损失。显然，偏离设计流量愈大，撞击损失也愈大。因此，考虑了压气机的全部流动损失后，在转速为常数时，增压比Πc随流量V而变化的关系曲线，就如图2中的c曲线，这正是增压特性线似马鞍形的变化特点。在b曲线和c曲线之间阴影部分就是表示空气在压气机中流动的撞击损失。

Πc - 增压比 V - 空气流量 A – 设计工作点 VA－设计流量

a - 没有流动损失的特性曲线

b - 考虑了摩擦损失的特性曲线

c - 考虑了摩擦损失的特性曲线和撞击损失的特性曲线

图2 后弯式叶片增压特性线的变化特点

2 喘振的机理

对于在稳定工况下运行的涡轮增压器而言，压气机是在一定转速下运转的，并且持续不断向发动机的进气管提供具有一定压力的压缩空气。图3表示的是压气机的等速特

性曲线与发动机的工作曲线。两条曲线的交点A即为压气机的设计工作点。

图3 增压器和发动机的匹配曲线

我们现在假设压气机是在设计工作点A处运行的，若这时空气流量有一微小的升高波动，根据发动机工作特性曲线，这时需要压气机增压压力上升，即发动机需要提供更大的功率；但是按照压气机等速特性曲线却要求压气机增压压力下降，由于这两种矛盾将使空气流量又返回到原来工作点A。若这时空气流量有一微小的减少波动，同样可分析出，压气机又返回到原设计点A。因此在设计工作点A点是增压器的稳定工作点。

假如现压气机在B点（与A点在同一等压线上）运行，若这时空气流量有微小变动，根据发动机工作特性曲线，需要压气机增压压力下降；同样按照压气机等速曲线也要求压气机增压压力下降，这样压气机就不能返回到B点，造成压气机发生喘振。因此B点不是增压器的稳定工作点。

理论上讲，压气机的非稳定工作区应该是图3所示的等速特性曲线与水平线的切点开始，但实际工况中增压器 是一直持续地提供着压缩空气，而发动机的进气则是间歇性的，这就造成了空气压力的波动，因而影响到压气机非稳定工作区的起始点位置。 3 压气机喘振的原因

3.1何谓压气机的喘振[2]

压气机喘振是压气机固有的特性。当转速一定，空气流量低于某一临界值时，流过压气机的气流形成强烈的振荡，压气机出口压力显著降低且大幅度波动，流量忽正忽负（出现倒流），机件强烈振动，并发出喘叫声，这时的现象称为喘振。

3.2喘振原因

压气机喘振的根本原因是压气机扩压器叶片及叶轮叶片出现了脱流[2]。其主要原因是空气进气途径发生障碍导致空气流量减少而引起的，其原因从下图4分析可得：

图4 带增压器四冲程发动机的空气与废气流向示意图

3.2.1空气滤清器污脏导致空气流量减少；

3.2.2压气机叶轮和扩压器流道变脏导致空气流量减少；

3.2.3中冷器污阻或中冷气器冷却水温过高导致空气流量减少；

3.2.4柴油机进排气阀通道或进排气管污阻；

3.2.5废气透平喷嘴环、叶片和动叶栅流道积炭严重变脏导致空气流量减少；

3.2.6废气锅炉通道不畅、堵塞导致涡轮背压升高。

另外，柴油机运行工况变化。柴油机自身故障，如：进排气阀漏气，喷油器故障，排温升高，增压器转速升高，有个别缸不发火或各缸负荷不均。柴油机操作不当，负荷急剧变化。增压器扩压器叶片或涡轮喷嘴环叶片变形或松动等也能引起喘振。 4 消除喘振措施

一般发动机运行时间长后，较易发生喘振现象，这主要和操作与维护有关。因此消除喘振的主要措施是平时作好清洗工作，保障图4中的各个环节畅通。遇到喘振要本着先易后难的原则认真分析，在主机运行时要快速跳过喘振区（一般加大或减少负荷）。 5 结束语

增压器是不允许在喘振下工作，因为在喘振开始时，压气机叶轮与扩压器叶片都发生强烈的振动，增压压力显著下降，并伴有强烈波动，有时造成叶片疲劳断裂，严重影

响增压器轴承使用寿命，造成重大的经济损失。因此，平时运行人员要认真维护机组，以确保机组正常运行。

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