【正文】 在此對(duì)導(dǎo)師孫培廷教授表示崇高的敬意和衷心的感謝。老師不僅以淵博的知識(shí)、敏銳的學(xué)術(shù)眼光、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、求真務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)言傳身教，引導(dǎo)我在知識(shí)的殿堂里遨游，更以平和的態(tài)度、豁達(dá)的胸襟和完善的人格魅力潛移默化，影響我的人生觀和價(jià)值觀。、最有發(fā)展前途的調(diào)速方式，但其安全有效性值得商榷。由于時(shí)間、精力、知識(shí)所限，本課題部分內(nèi)容的研究還很初步，所提出的分析方法和結(jié)論有待于日后進(jìn)一步的完善和發(fā)展，許多內(nèi)容還需要進(jìn)一步的研究，主要包括:，從而可以按照“渦輪一壓氣機(jī)一柴油機(jī)一渦輪”系統(tǒng)地分析環(huán)境溫度給柴油機(jī)運(yùn)行帶來(lái)的問(wèn)題。 ，發(fā)現(xiàn)其變化趨勢(shì)完全吻合。，計(jì)算了空冷器的熱負(fù)荷隨環(huán)境溫度變化情況，作出相應(yīng)曲線，并借助Visual Basic編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了程序化計(jì)算。環(huán)境溫度對(duì)壓氣機(jī)效率基本上沒(méi)有什么影響。最后得出環(huán)境溫度每升高10℃，壓氣機(jī)空氣質(zhì)量流量約減少4%，出口空氣溫度約升高15℃。以“遠(yuǎn)大湖”所用主機(jī)型號(hào)撇N Bamp。了解環(huán)境溫度對(duì)增壓器工作的影響，如何評(píng)價(jià)增壓柴油機(jī)在不同的環(huán)境溫度下功率性、經(jīng)濟(jì)性、以及怎樣合理使用柴油機(jī)顯得十分重要。 ，使泵的流量與揚(yáng)程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，在保證水量和供水壓力的前提下，節(jié)能幅度較大，實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)控制，達(dá)到節(jié)能的目的。它能使其冷卻能力得到充分發(fā)揮，節(jié)約泵功，降低運(yùn)行費(fèi)，同樣也適應(yīng)于不同負(fù)荷而引起的空冷器熱負(fù)荷的變化。其安全有效性有待于進(jìn)一步研究。使用變頻調(diào)速裝置可以緩慢均勻地調(diào)整水泵的出水量，有效地降低管網(wǎng)流速的變化量，從而使管網(wǎng)的壓力變化均勻緩慢，有效地避免水錘的危害，保證供水管網(wǎng)的安全運(yùn)行。在一定時(shí)間內(nèi)管網(wǎng)流速變化量(V0V）越大，△p值越大，對(duì)管網(wǎng)危害性也越大，發(fā)生爆管的可能性也越大。 使用變頻調(diào)速裝置后，水泵運(yùn)行對(duì)供水管網(wǎng)沖擊大幅度減小。應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，可滿(mǎn)足不同時(shí)刻的流量要求，從而避免大泵與小泵的頻繁切換。管網(wǎng)供水壓力經(jīng)壓力傳感器輸出壓力信號(hào)，轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)后直接輸入變頻器，經(jīng)與設(shè)定壓力值比較，通過(guò)內(nèi)部PID算法自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制離心泵轉(zhuǎn)速，達(dá)到流量控制和恒壓供水的目的。而變頻調(diào)速系統(tǒng)采用閉環(huán)調(diào)節(jié)，其閉環(huán)調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖56所示。因此，采用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)離心泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使泵的流量與揚(yáng)程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，可實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)控制，達(dá)到節(jié)能的目的。通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)控制其流量，可大幅度降低離心泵的軸功率。改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量，實(shí)際是改變泵的特性曲線，而管路特性曲線不變，即A、B為常數(shù)。這樣空冷器冷卻能力的確定與主機(jī)的常用負(fù)荷和工作環(huán)境結(jié)合得更加緊密，在保證對(duì)掃氣進(jìn)行充分冷卻的前提下，最大限度地發(fā)揮設(shè)備的工作能力，減小了空冷器的尺寸，節(jié)約了初投資。小于QB的流量則靠節(jié)流調(diào)節(jié)單臺(tái)泵的流量來(lái)獲得。這就是該方法實(shí)現(xiàn)“變流量”冷卻的原理。在三通閥調(diào)節(jié)的過(guò)程中，三通閥在兩個(gè)支路中的“電阻”不斷變化，總的“電阻”會(huì)發(fā)生變化。因此，采用合適的泵和節(jié)流裝置，就可以實(shí)現(xiàn)空冷器的變流量冷卻。 圖54泵與管路的工作曲線 如圖55所示，在三通閥調(diào)節(jié)的過(guò)程中，總管路的流量會(huì)發(fā)生變化。這樣，單泵的工作流量已可以滿(mǎn)足大部分工況下的冷卻掃氣的要求，而其耗功卻大大減少。泵的特性曲線應(yīng)該相同，以保證并聯(lián)運(yùn)行，泵與管路配合的工作曲線見(jiàn)圖54當(dāng)兩臺(tái)泵同時(shí)啟動(dòng)時(shí)，并聯(lián)后的特性曲線為lil，與管路的特性曲線R交于點(diǎn)A，A點(diǎn)的流量QA剛好就是設(shè)計(jì)所需的最大冷卻水量。為實(shí)現(xiàn)變流量冷卻，選擇一臺(tái)無(wú)級(jí)變速泵當(dāng)然是最好的，但是無(wú)級(jí)變速泵需用變速原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，初投資很大，也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和維護(hù)費(fèi)用。 由于空冷器冷卻水泵大多采用離心泵，泵的排量與泵本身的特性和管路的特性有關(guān)，只有在泵的排出壓力與管路在當(dāng)前流量下的總壓降相等時(shí)，泵才能穩(wěn)定工作在這個(gè)流量下。由于軸功率與流量不成正比，當(dāng)流量減小某百分?jǐn)?shù)時(shí)，軸功率減小不到該百分?jǐn)?shù)。 恒定轉(zhuǎn)速下典型離心泵特性曲線，其軸功率和流量的關(guān)系近似為一條不通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，即隨著流量降低，所耗軸功率并不明顯下降。變流量冷卻的實(shí)現(xiàn)方法主要有以下幾種: 這是最簡(jiǎn)單、最常用的流量調(diào)節(jié)方法。管網(wǎng)的共同特點(diǎn)是需要調(diào)節(jié)流量。 △t——供回水溫差，℃?！鱰 (5l)式中:Q——系統(tǒng)熱負(fù)荷，Kw: W——水泵流量，m3/h C——冷卻液的比熱，kJ/K Q=W此種環(huán)境溫度的選擇將更能充分發(fā)揮空冷器的冷卻能力，節(jié)約初投資和運(yùn)行費(fèi)用，并且使變流量冷卻更容易控制。W MC系列的機(jī)型，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出不同功率和環(huán)境溫度下的空冷器的相對(duì)換熱量，結(jié)果見(jiàn)表51。 圖52所需的海水流量隨溫度的變化曲線 所以設(shè)計(jì)計(jì)算空冷器的熱負(fù)荷時(shí)，可把環(huán)境溫度選低一些，一般可取海水溫度32℃，壓氣機(jī)入口溫度27℃[19]，這樣雖然使系統(tǒng)的冷卻能力降低很多，但仍然能夠保證掃氣得到充分的冷卻。如圖52【56】所示。 圖51船舶年航行區(qū)域圖，船舶一般都保持在主機(jī)額定負(fù)荷的80%左右下運(yùn)行?？梢?jiàn)，船舶航行在熱帶水域的時(shí)間很短。這種環(huán)境溫度的選擇看似很合理，因?yàn)樗鼙ＷC船舶在所有的航區(qū)，使掃氣得到充分冷卻。為了使空冷器冷卻能力得到充分發(fā)揮，減少初投資和降低運(yùn)行費(fèi)用，在設(shè)計(jì)計(jì)算空冷器熱負(fù)荷時(shí)要選擇恰當(dāng)?shù)沫h(huán)境溫度，在系統(tǒng)配置時(shí)要選用合適排量的泵。所以變流量冷卻對(duì)于無(wú)限航區(qū)的船舶有著特殊的意義。而采取變流量冷卻的方式卻能很好地解決上述問(wèn)題。本章不從余熱回收的角度討論節(jié)能，而主要在達(dá)到預(yù)期冷卻目的的前提下，以及如何節(jié)約初置費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，充分發(fā)揮設(shè)備的冷卻能力上作一下探討。W 7S80MC機(jī)為例，空冷器熱負(fù)荷占中央冷卻器總換熱量的一半以上，相當(dāng)于主機(jī)功率的30%~ 40%[4]。為了降低增壓后的空氣溫度，提高進(jìn)氣密度和過(guò)量空氣系數(shù)，從而改善柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，空冷器成了必不可少的設(shè)備。因此，在研究環(huán)境溫度對(duì)增壓柴油機(jī)的影響時(shí)，程序運(yùn)算作為一種研究方法是可行的。特別是對(duì)大、中型柴油機(jī)在這方面的實(shí)驗(yàn)有實(shí)際意義。在主機(jī)負(fù)荷一定的前提下，壓氣機(jī)出口空氣溫度Tk和△T的變化與入口空氣溫度T1成線性關(guān)系。機(jī)械效率略微降低，在分析時(shí)可以認(rèn)為基本不變。4. 4小結(jié)，增壓比和流量是減小的，一般壓氣機(jī)進(jìn)溫度升高后容易引起喘振，夏天柴油機(jī)增壓器喘振的可能性大。由于在實(shí)驗(yàn)室中模擬環(huán)境條件比較困難。計(jì)算值列于表4—7，以便與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較。計(jì)算時(shí)，增壓空氣溫度ts系輸入值。計(jì)算工況為：大氣壓力po=750mmHg, n=600rpm,N=500Ps, Pc=14. 74bar。其差別只不過(guò)是，當(dāng)nTK隨著t1上升而降低時(shí)，Ps ， 的降低量稍多些。(壓氣機(jī)絕熱壓縮功不變相應(yīng)于增壓器轉(zhuǎn)速不變。缸內(nèi)空氣減少及PZ降低使耗油率略增。包括掃氣空氣量和缸內(nèi)空氣量?jī)刹糠?，減少意味著這兩部分空氣量都減少了。6200GZC柴油機(jī)性能參數(shù)的變化(等功率) 當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí):增壓空氣溫度相應(yīng)升高。這個(gè)現(xiàn)象與文獻(xiàn)[23]觀察到的現(xiàn)象相仿。盡管變化的大小有一些差別，唯一的例外是增壓器轉(zhuǎn)速隨環(huán)境溫度變化的趨勢(shì)在各種機(jī)型上不盡相同。=10. 32bar,空冷器進(jìn)水溫度不變，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表43 表43壓氣機(jī)性能參數(shù)隨進(jìn)口空氣溫度變化表 柴油機(jī)功率不變時(shí)，隨著環(huán)境溫度上升，各性能參數(shù)的變化為：增壓壓力、增壓比下降，增壓空氣溫度升高，總空氣流量減小，增壓器轉(zhuǎn)速增加。該柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)：四沖程廢氣渦輪增壓帶空冷器，直接噴射式，缸徑200mm，行程270mm,標(biāo)定功率Ne.=500Ps,標(biāo)定轉(zhuǎn)速600rpm，平均有效壓力Pe=14. 74bar，增壓比π=。實(shí)驗(yàn)中壓氣機(jī)進(jìn)口壓力保持不變。具體方法是，采用室外進(jìn)氣，在壓氣機(jī)進(jìn)口前裝一個(gè)電阻加熱器。4. 3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證4. 3. 1實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 由于環(huán)境溫度對(duì)增壓柴油機(jī)工作過(guò)程的影響主要是通過(guò)壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度t1起作用，為了驗(yàn)證環(huán)境溫度對(duì)壓氣機(jī)特性參數(shù)的影響，武漢水運(yùn)工程學(xué)院在哈爾濱船廠的6200GZC柴油機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。W柴油機(jī)壓氣機(jī)空氣質(zhì)量流量和空冷器熱負(fù)荷的計(jì)算程序”，對(duì)MAN Bamp。環(huán)境溫度每升高100C,%。 利用Matlab進(jìn)行曲線擬合，空冷器的熱負(fù)荷隨著壓氣機(jī)入口空氣溫度的升高而增加。下列參數(shù)為“遠(yuǎn)大湖”2002年4月11日試航數(shù)據(jù)表壓力 Pbaro=空氣過(guò)濾器壓降 △P∫= MPa空冷器壓降 △Pc= MPa壓氣機(jī)入日溫度 tn=210C壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速 nk=11450r/min掃氣壓力Pscav—(表壓力，一般用絕對(duì)壓力)計(jì)算 帶入壓氣機(jī)效率計(jì)算公式:—滑動(dòng)因子(壓氣機(jī)葉輪的功率系數(shù))，可以查看表70628—40壓氣機(jī)葉輪直徑和滑動(dòng)因子。壓氣機(jī)的效率隨環(huán)境溫度的變化基本上保持不變。因此在分析環(huán)境溫度對(duì)空冷器熱負(fù)荷的影響時(shí)，可以忽略不計(jì)。環(huán)境溫度每升高10℃，空氣質(zhì)量流量約減少4%。此處設(shè)環(huán)境的壓力保持不變，冷卻液(海水)溫度也不變，均為ISO所規(guī)定。 壓氣機(jī)的空氣質(zhì)量流量主要取決于柴油機(jī)功率和增壓系統(tǒng)，同時(shí)亦受環(huán)境溫度和冷卻系統(tǒng)工作性能的影響，以“遠(yuǎn)大湖”主機(jī)MAN Bamp。4. 2實(shí)例研究本節(jié)以MAN Bamp。圖43用于寒帶工況的增壓空氣系統(tǒng) 壓氣機(jī)出口空氣溫度Tk即空冷器入口空氣溫度T1，Tk主要取決于壓氣機(jī)入日處的溫度T1和壓氣機(jī)效率nk、以及增壓比πk，壓氣機(jī)的效率隨著入口空氣溫度的變化可近似認(rèn)為不變，因此Tk的變化幾乎與T0成線性關(guān)系，這在下面的計(jì)算中將得到驗(yàn)證。旁通閥開(kāi)啟，降低了掃氣壓力，從而使密度減小，相當(dāng)于提高了吸口空氣溫度。此系統(tǒng)可有三個(gè)旁通閥安裝在掃氣箱上，如果增壓器的空氣低于50C第一個(gè)旁通閥打開(kāi)。如果空氣進(jìn)機(jī)溫度低于50C[14]，空氣密度的增加會(huì)使氣缸壓力超過(guò)允許值。增壓器的空氣進(jìn)口靠近熱源時(shí)應(yīng)改變布置或采取隔熱措施。 對(duì)于壓氣機(jī)的效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[12],當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，壓氣機(jī)效率略微降低，在分析時(shí)一可以認(rèn)為基本不變。當(dāng)環(huán)境溫度上升時(shí)，有的略增，有的基本不變。因此，也可能在壓氣機(jī)進(jìn)口溫度升高后并不喘振。因此，一般情況下壓氣機(jī)進(jìn)日溫度升高后容易引起喘振，所以夏天柴油機(jī)的增壓器喘振的可能性大。由圖可知，當(dāng)壓氣機(jī)入口溫度升高時(shí)，增壓比和流量都是減小的。這一點(diǎn)的位置和許多因素有關(guān)，主要是壓氣機(jī)特性、渦輪的通流特性和效率變化以及原來(lái)的運(yùn)行點(diǎn)位置。c點(diǎn)的流量太小，c點(diǎn)的流量太大，必然有一條連接c、e兩點(diǎn)的線，并且都滿(mǎn)足功率平衡。在圖上，以e點(diǎn)代表這時(shí)壓氣機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)，顯然渦輪的進(jìn)口壓力將在b點(diǎn)的下面，不能滿(mǎn)足渦輪通流特性的要求，也就是說(shuō)，必須減小流量。而壓氣機(jī)出口壓力降低，導(dǎo)致渦輪進(jìn)口壓力降低，渦輪的膨脹比減小。轉(zhuǎn)速降低后，每千克空氣消耗的壓縮功減小，壓氣機(jī)的出日壓力降低。再看另一種特殊情況。但是渦輪進(jìn)口壓力升高后，達(dá)到功率平衡所需的渦輪進(jìn)口溫度低于原來(lái)的，相應(yīng)的渦輪通流特性將位于原來(lái)的曲線下面，如圖上虛線所示。設(shè)這時(shí)的壓氣機(jī)運(yùn)行點(diǎn)移至c點(diǎn)，由于流量減小，渦輪的進(jìn)口溫度上升，通常壓氣機(jī)的出口壓力也會(huì)升高，即 ，而渦輪的進(jìn)口壓力也會(huì)高于原來(lái)的。為了求出新的運(yùn)行點(diǎn)，先分析一下能滿(mǎn)足功率平衡的兩種特殊情況。圖上還繪出渦輪進(jìn)口溫度時(shí)的渦輪通流特性。 由上面分析可知，壓氣機(jī)不能維持在原來(lái)的運(yùn)行點(diǎn)上工作。把式(4一1)代入，上式可以寫(xiě) 經(jīng)整理可得 因?yàn)樯鲜接叶死ㄌ?hào)內(nèi)為負(fù)值，所以圖4一2壓氣機(jī)、渦輪通流特性圖將式(4一4)與式(4一2)式比較，發(fā)現(xiàn)由熱量平衡所得到的是低于由功率平衡所得出的 。下面再看渦輪進(jìn)口處氣體是否具有所需要的溫度。這樣的壓氣機(jī)葉輪，在流量和轉(zhuǎn)速改變時(shí)，功率系數(shù)(滑動(dòng)因子)變化很小，在分析時(shí)可以近似地認(rèn)為功率系數(shù)是常數(shù)，因此對(duì)一個(gè)給定的壓氣機(jī)來(lái)說(shuō)有由上式可知在壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度為和時(shí)，每千克空氣消耗的壓縮功的比值為 因?yàn)閴簹鈾C(jī)的折合轉(zhuǎn)速不變，即 所以由此得 假定渦輪效率及保持不變，由渦輪輸出功率計(jì)算公式將有。 a—葉輪的摩擦鼓風(fēng)損失系數(shù)。m/s； u—壓氣機(jī)葉輪的功率系數(shù)。TT——渦輪進(jìn)口溫度，K。因?yàn)閴簹鈾C(jī)運(yùn)行點(diǎn)不變，故有=。首先考慮流量平衡假定壓氣機(jī)運(yùn)行點(diǎn)不變，則應(yīng)有= (4—1)式中: 一壓產(chǎn)元機(jī)質(zhì)量流量，kg/S。0時(shí)壓氣機(jī)能仍然在a點(diǎn)運(yùn)行，則必須滿(mǎn)足3個(gè)條件:（1）渦輪和壓氣機(jī)之間的功率平衡（2）渦輪和壓氣機(jī)之間的流量平衡（3）渦輪和壓氣機(jī)之間的轉(zhuǎn)速平衡對(duì)于最后一條，由于壓氣機(jī)和渦輪在同一根軸上，它們的轉(zhuǎn)速必然相等。當(dāng)溫度由T42壓氣機(jī)特性圖繪出了壓氣機(jī)進(jìn)口溫度為T(mén)0’升高至T而這種運(yùn)轉(zhuǎn)條件在大功率柴油機(jī)上很少發(fā)生)。 當(dāng)船舶從寒帶航行到熱帶時(shí)，環(huán)境溫度升高，會(huì)使壓氣機(jī)進(jìn)口溫度升高，它將影響壓氣機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的位置。4. 1環(huán)境溫度對(duì)壓氣機(jī)性能影響的理論分析 在中華人民共和國(guó)船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(柴油機(jī)船舶機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)條件和計(jì)算基準(zhǔn))CB/T3772一1996附錄B中提到，約有50%的通風(fēng)量應(yīng)送到主柴油機(jī)頂部靠近渦輪增壓器進(jìn)口的上面，因此壓氣機(jī)進(jìn)口空氣溫度更接近環(huán)境的溫度，而不是機(jī)