文丨聆听娱纪
编辑丨聆听娱纪
介绍
能源生产部门需要更节能和污染更少的工艺。柴油发动机广泛用于陆地、海洋和交通运输的发电。提高柴油机的能源效率将直接影响到各种应用。大型二冲程柴油机的平均有效压力(MEP)不断提高，不仅需要更高的增压器压比，还需要提高效率。
同时减少氮氧化物排放也需要达到TIER III的目标，使用Miller正时提供了一种解决方案，但需要来自涡轮增压器的 更高增压压力。
另一方面，减少二氧化碳排放是每个能源生产部门的主要关注点。为了满足这些限制，未来发动机的设计力求更好地利用发动机废热，但也需要大幅提高涡轮增压器的性能。
几项研究表明，在使用单独的动力循环来回收发动机废热的同时，可以显著改善发动机的整体燃油消耗和效率。Baldi和Gabrielii给出了一个很好的可采潜力近似值，他们认为在所研究的船舶上节省5-15%的燃料是现实的。
多种转换方法废热转化为电能已被证明具有潜力。几位作者已经表明，有机朗肯循环(ORC)是将发动机废热转化为电能的一个很好的替代方案。Kalina循环、常规朗肯循环或常规朗肯循环与ORC结合的潜力也得到了证明。
除了利用朗肯循环回收余热外，利用塞贝克效应将热直接转化为电的热电发电机被认为是回收发动机余热的另一种潜在技术。
为了提高涡轮增压器的压比，如果大型船用柴油机的压比超过4.5，道路用柴油机的压比约为3.5，则建议采用两级压气机。在目前可用的设计中，这是通过使用单独的低压(LP)和高压(HP)涡轮增压器来实现的。
Cui等对采用米勒正时的船用柴油机两级涡轮增压器进行了理论优化，以降低NOx排放单级涡轮增压无法达到所需的压力和效率水平， 以避免米勒正时引起的发动机功率降低 ，该类型的发动机应采用两级涡轮增压。
Wik等强调，最先进的仿真模型可用于预测不同类型涡轮增压配置下的发动机性能，但必须进行实验工作，特别是在评估采用两级增压的发动机的NOx排放时，涡轮增压。
Codan和Huber得出结论，使用两级涡轮增压，再加上极限米勒正时，是实现高燃油效率、低氮氧化物排放、高操作灵活性和高功率密度的有效途径。
Serrano等对低NOx排放的两级涡轮增压重型发动机进行了实验研究。他们的研究结果表明，与单级涡轮增压器相比，两级涡轮增压器可以显著提高驾驶性能并减少氮氧化物排放，特别是在瞬态运行时。
Galindo等研究了不同两级涡轮增压结构的影响，特别是对汽车发动机泵送损失的影响。他们的研究生成了描述两级涡轮增压器总压缩比和总膨胀比与发动机参数关系的方程。
他们比较了单级和两级涡轮增压器在不同压力水平下的使用情况，两级配置可以显著提高效率，特别是当涡轮增压器的压力比很高时。
与低压和高压压缩机和涡轮机在同一轴上的设计相比，双轴设计需要更多的空间。空间限制是一个重要的设计约束，特别是对船用 柴油机 。
两级涡轮增压器的初步仿真
模拟是在一台1200千瓦的脉冲增压柴油机上进行的，该柴油机采用传统的单级涡轮增压器和两级中冷电动辅助涡轮增压器。两种研究情况的示意图。传统的单级涡轮增压器不包含电机，涡轮运行直接连接在同一轴上的压气机。
在两级中冷电动辅助涡轮增压器中，涡轮、低压、高压压气机以及电机直接耦合在同一轴上，电机通过变频器与电网相连。这个想法是将电机用作发动机，在柴油发动机启动时加速涡轮增压器，并在柴油发动机高负荷运行时用作发电机发电。
对涡轮以及低压和高压压气机级进行了初步设计，并进行了非设计计算，对涡轮增压器的性能进行了建模。对柴油机-涡轮增压器系统在常规单级工况下的性能进行了仿真比较涡轮增压器被新的两级中冷电动辅助涡轮增压器取代。
利用GT-Power软件结合Matlab/Simulink对柴油机-涡轮增压器系统进行了一维建模。它们被用作新涡轮增压器最终设计的起点值。与传统的涡轮增压器相比，新型涡轮增压器的压力比明显更高，但其目的是通过米勒正时保持发动机轴功率不变。
在两种情况下，制动平均有效压力(BMEP)也不变。与传统涡轮增压器相比，燃油功率提高1.4%，新涡轮增压器产生的额外电力为0.89 kW，如果机械功率和电力功率相同，总效率将从41.7% (=1200.9/2882.9 kW)增加到44.1% (=(1200.8 + 89.2)kW/2923.5 kW)。
根据这一计算，总效率将提高2.5个百分点，相对提高6%。 在新的涡轮增压器中 ，低压压缩机的进气温度略高于原涡轮增压器中压缩机的进气温度。
从初步的仿真可以得出结论，新型涡轮增压器的设计准则是设计涡轮增压器部件，新的两级压缩机的主要标准是产生6.04的目标压力比，结合米勒定时，将减少氮氧化物排放。
涡轮机也应该产生足够的功率接近标称条件，以允许发电机产生电力。另一个设计标准是电机在启动时应快速加速。
涡轮机械和发电机的设计
两级离心压缩机气动设计
离心式压气机设计的挑战是两个压气机轮毂/顶尖比高，它们要组装到涡轮增压器轴的中间。从最初的无叶扩压器到第一级的有叶扩压器的设计过程需要几个循环。压气机的设计是基于内部设计规范的几何设计和一维效率预测。
利用Navier-Stokes求解器Finflo对第一阶段进行了数值模拟。蜗壳的设计是基于可变截面积和一个中等锥形扩压器连接蜗壳和管道。压气机的主要设计参数，可以看出一维仿真与CFD仿真结果吻合较好。
制造的压缩机叶轮装配在轴上。中间冷却器为横流式翅片管换热器，其中冷却水在管侧，待冷却空气在管外流动。
涡轮气动设计
将膨胀涡轮划分为两级涡轮可以保持亚音速流动，也可以避免与定子尾缘激波相关的损失。两级涡轮将使轴和整个涡轮增压器轴向更长，转子动力学将在转子刚度方面变得更具挑战性。
为了使轴向轴承的轴向力相对较低，反作用力选择R = 0.15。由于高压比M2 = 1.4，定子后的绝对流速达到超声速，后者使转子设计更加简单，并且与具有超音速转子进口条件的涡轮相比，也改善了非设计性能。
在脉冲增压柴油机中，由于涡轮进口流量脉动较大，涡轮增压器涡轮具有良好的部分负荷性能的重要性尤为突出。
在设计条件下的CFD模拟预测等熵总效率为81.2%，而在非设计条件下也有相当好的性能。利用Kacker和Okapuu[28]的损失相关性进行初步设计估算，涡轮在设计工况下的gs t-t = 77.9±1.5%，与CFD预测较为接近。
根据预测的水轮机性能，可以预期在设计工况下达到79.4%的目标水轮机效率。
机械设计
机械设计包括叶轮的应力分析、轴承设计和转子动力学分析，该碳纤维套筒，压缩机和涡轮连接与收缩配合轴。有限元分析预测，在公称转速为31,500 rpm时，铝制低压压气机车轮的最大von Mises应力r = 351 MPa， 明显低于535 MPa的屈服极限。
对于较小的高压铝合金压气机轮毂，预测最大应力为234 MPa。对汽轮机进行有限元分析，预测最大应力为850 MPa，远低于用回火钢的1600 MPa屈服极限。这些结果清楚地表明，压气机和涡轮可以处理相关的应力。
轴承设计
选择油润滑倾斜垫轴颈轴承作为径向轴承，它们在高转速下具有良好的稳定性特性。倾斜垫轴承与固定轮廓轴承的不同之处在于，每个垫围绕一个枢轴旋转，使每个垫具有更高的自由度，对应于围绕枢轴点的运动。
垫倾斜，使其曲率中心移动，以创建一个会聚垫膜厚度。这些衬垫能够跟随轴的运动，从而产生低交叉耦合刚度和阻尼。它们被广泛用于稳定具有磁同步振动的机器。倾斜垫轴承的缺点是，与固定轮廓的轴承相比，具有更高的功率损失和更高的制造成本。
推力轴承是一个倾斜垫型，并与一个轴颈安全轴承集成在电机端。这种推力轴承的设计是由于它的高承载能力。
转子动力学分析
采用有限元法对转子的动态特性进行了仿真。转子几何被建模为一个梁状结构，这是最典型的方式来执行转子动态分析，它通常产生的结果是足够准确的大多数实际目的，而足够简单，允许相对直接的模拟被执行。
采用Chen和Gunter以及Genta的方法进行模拟，以提高分析的可靠性。第一种方法使用粘度作为温度的函数，第二种方法使用转速的函数。用恒定粘度进行最简单的分析对转子进行了临界转速、 不平衡响应和阻尼特征值分析。
采用Timoshenko梁进行分析，考虑了轴的陀螺效应、剪切变形和离心加劲。压气机和涡轮都是用线对线接触、收缩装配的。在高速下，压气机、涡轮、磁铁、铝笼和碳纤维套筒由于离心生长而产生一定的轴加强作用。
为保守起见，模型中系统的刚度仅由钢轴提供。轴承的刚度和阻尼也包括在模型中，以获得阻尼解决方案。还对作用于压气机和涡轮的不平衡响应和不稳定气动型力进行了建模。给出了包括电机、涡轮机械和轴承在内的梁状转子模型的示例。
实验过程
一开始，涡轮增压器的转速被电动提高到9000转/分。在这种情况下，由于柴油机不工作，压缩机处于喘振状态。当涡轮增压器达到9000转/分钟的转速后， 柴油机以怠速模式启动。
当发动机开始吸气时，涡轮增压器运转正常，转速随着电动机提高到12000转/分。在实际电源运行之前，系统以12,000 rpm的转速运行了一段预热期。
在动力运行过程中，通过电动方式逐步提高涡轮增压器的转速，同时给发动机增加负荷。在压缩机排气阀保持关闭状态。
动力运行后，柴油机负荷降至怠速模式，并在那里运行，直到涡轮后排气温度降至250 ℃左右。在此冷却期间，涡轮增压器的转速保持在18,000 rpm恒定。
冷却期结束后，涡轮增压器的转速分三步下降，从18000转/分降至12000转/分，最后在发动机关闭时降至9000转/分。发动机关闭后，打开压缩机排气阀。
涡轮增压器的转速再次提高到12,000转，并在那里运行，直到轴承体温度下降到足够(15…30分钟)，关闭涡轮增压器。
中间冷却器中模拟压力损失与实测压力损失的对比，并报告了后冷却器、发动机和涡轮入口管道的综合损失。中间冷却器压力损失的设计值与实测值似乎有很好的一致性。在建模中，高压压气机出口和涡轮进口之间的损失明显低于预测。
这也降低了涡*功轮**率，并将功率平衡转移到更高的转速。当进一步研究损失增加的原因时，发现主要原因是涡轮进气部分与排气歧管之间的连接。为了连接这两个部分，进行了额外的收缩，估计这将导致模拟和测量的压力损失之间的差异。
Miller凸轮轴2试验的附加压力损失对涡*功轮**率的影响。在试验期间，通过涡轮的质量流量减少造成了大约8-11 kW的额外损失。根据涡轮椭圆定律计算了变质量流量。
在设计压力比和温度下的外推功率损失估计约为23 kW，这也使功率平衡和电力生产朝着更高的转速发展。
由于涡轮限制了涡轮增压器的质量流量，它也移动了压缩机向电涌线路方向操作。这种转变对高压压缩机有利，但对低压压缩机不利，并导致两级不匹配。
结论
对连接1200kw脉冲增压柴油机的两级中冷电动辅助涡轮增压器进行了计算和实验研究。初步模拟预测，在设计工作条件下，使用两级单轴中冷电动辅助涡轮增压器代替传统的单级涡轮增压器，有可能将一台1200千瓦柴油发动机的整体效率提高2.5个百分点。
详细介绍了涡轮增压器的设计，重点介绍了机械设计和转子动力学分析，其中包括一种新的轴轨测量系统。原型机的性能是通过涡轮增压器连接到柴油发动机来测量的。由于废气温度过高和达到转子临界转速的风险，涡轮增压器没有在标称转速下运行。
所研究的单阀芯设计导致高压压缩机的特定速度低于其最佳值0.7-0.85，建议在所研究的压力比下，特别是在目标压力比更高的情况下，双阀芯设计可能更可行。
在这种设计中，低压涡轮增压器和高压涡轮增压器的压缩机都可以设计成具有更优的比转速，与单轴设计相比，性能也有望得到改善，单轴设计的压缩机设计为单一转速。
同样在双阀芯设计中，涡轮可以在亚音速压力比下运行，效率也很可能更高，可以避免冲击损失。
基于给定的论据，一个电动辅助的两轴涡轮增压器也建议为未来的发展连同提出的修改， 以目前的单轴设计。