絞吸式挖泥船柴油機增壓器改裝與應用

趙理志

一、引言

絞吸式挖泥船（以下簡稱絞吸船）工作原理為利用絞刀切削擾動海床，通過泥泵柴油機（以下簡稱柴油機）驅動離心式泥漿泵將泥漿經(jīng)由輸泥管線輸送到指定地點，實現(xiàn)航道疏浚、圍海造地等目的。

某絞吸船柴油機為16V240ZC型，配備固定噴嘴環(huán)VTC254-13型增壓器。對于采用固定角度噴嘴環(huán)增壓器的柴油機而言，當機器工況遠離標定工況點時其配氣效果將下降，且距離越遠增壓效果越差。絞吸船柴油機工況變化大，常處于低負荷區(qū)工作。增壓器VTG-TPR56FV（可變噴嘴環(huán)）技術可以改變噴嘴工作狀態(tài)，該技術已在鐵路機車上被良好應用。針對鐵路機車行駛海拔高度跨度大、地域溫差大的工況，通過改變噴嘴環(huán)的開度，實現(xiàn)柴油機在低負荷下基本保持預定的掃氣壓力，達到增壓目的。

參考鐵路機車成功案例對某絞吸船增壓器進行了改裝，改裝后進行了臺架試驗、清水試驗、重載試驗，基本達到了改裝預期。本文對各試驗采集檢測的數(shù)據(jù)進行量化分析和經(jīng)驗總結，旨在為此類增壓器改裝積累實踐經(jīng)驗，做好理論數(shù)據(jù)支撐和進行技術儲備。

二、柴油機運行工況及常見問題

柴油機的運轉參數(shù)根據(jù)船舶施工工況的變化而變化，輸泥管線的長短、泥漿濃度、泥漿的流速決定了柴油機負荷的變化情況。采集的部分柴油機施工工況參數(shù)匯總如表1所示。

表1 某絞吸船柴油機各工況運轉參數(shù)

1.VTC254-13型增壓器的參數(shù)及施工工況分析

目前裝配的柴油機增壓器為VTC254-13型增壓器，單機可覆蓋匹配輸出功率為1 000 kW到3 200 kW的柴油機，允許最高轉速為30 720 r/min，渦輪最高溫度為6 5 0℃，最大進氣壓力損失＜4 kPa，最大排氣壓力損失＜3 kPa。

由表1可知，絞吸船施工工況相差大，受土質、輸送距離、操作工藝影響，施工難度變化大。表1中為柴油機1年內（運轉5 500 h）在不同工地、工況下的工況，數(shù)據(jù)表明柴油機負荷多在50%～85%這個區(qū)間，少有90%～100%負荷的工況。

2.柴油機運轉存在的具體問題

（1）經(jīng)常性地低負荷工況下燃燒不充分，含有大量未燃燒顆粒。經(jīng)清水試驗檢測，在柴油機啟動和帶負荷時排煙煙度值達到10以上，熱機后不同負荷、轉速測得煙度值在6.5附近，超過正常排煙煙度值3.5。

（2）油耗高，不節(jié)能。實測配VTC-254增壓器時的平均清水試驗油耗率為214～220 g/kWh，而該機理論燃油消耗率為205 g/kWh。

（3）排溫高，柴油機活塞、缸套積炭嚴重，機器的故障率偏高。其中排溫和潤滑油臟污時間這兩個可以量化的指標比說明書介紹的數(shù)據(jù)預期有明顯偏差，排溫高，甚至排煙管發(fā)紅，最高溫度遠超說明書介紹溫度（最高520 ℃）。

（4）活塞環(huán)槽積炭嚴重，多次出現(xiàn)斷環(huán)、脹環(huán)故障，曾出現(xiàn)拉缸故障。

（5）噴油器、高壓油泵清潔、調整和更換周期短于說明書介紹數(shù)據(jù)。

（6）爆壓高，經(jīng)常出現(xiàn)缸蓋與缸套之間漏氣、進排氣閥漏氣、排氣閥燒灼等現(xiàn)象。氣閥變形、斷裂的情況也發(fā)生過。

3.柴油機亟須解決的主要問題

定幾何噴嘴環(huán)增壓器無法做到標定負荷和部分負荷的兼顧，因此對絞吸船柴油機與增壓器的匹配提出了更高要求，即既要滿足柴油機標定負荷的性能要求，又要顯著提升低負荷時的性能［1]。針對以上柴油機運行出現(xiàn)的問題，必須找到絞吸船柴油機不同負荷工況的解決方案。

三、VTG-TPR56FV型增壓器結構及工作原理

根據(jù)可變噴嘴環(huán)這一增壓器技術在鐵路機車上的應用實踐，擬通過增壓器噴嘴環(huán)的不同開度，實現(xiàn)柴油機在低負荷工況下的運轉參數(shù)的優(yōu)化。

1.VTG增壓器的定義

V TG 增壓器是可變幾何截面渦輪增壓器（Variable Geometry Turbocharger），與普通增壓器的差別主要在于其帶有可變渦輪幾何形狀機構，通過指令該機構可以改變噴嘴環(huán)葉片的迎氣角度以調節(jié)噴嘴環(huán)流通面積，也可在斷電時鎖定噴嘴環(huán)位置變?yōu)楣潭▏娮飙h(huán)增壓器。

2.VTG增壓器的結構

柴油機增壓器升級為VTG增壓器后機型選用TPR56FV，該增壓器屬于ABB公司TPR系列，其特點為軸流式渦輪、高效整體鑄造渦輪盤、無拉筋渦輪葉片、VTG（可變幾何渦輪）裝置、高壓比葉輪等。它由增壓器本體（含執(zhí)行器和步進電機結構）、VTG控制器、VTG電源盒及相關線束組成。

VTG增壓器單機可覆蓋輸出功率為1 000 kW到3 800 kW范圍內柴油機，允許最高轉速為40 200 r/min，渦輪最高溫度為620 ℃。

選擇該型增壓器的原因是TPR56FV增壓器與VTC254-13增壓器外形結構相近，體積更小，在改裝空間上滿足要求。當然，作為后續(xù)發(fā)展機型，制造工藝也得到了改進，減少了零件數(shù)量。采用半浮動徑向軸承增加抗磨程度，葉輪中心部穿孔延長壽命，壓氣葉輪再循環(huán)設計增加喘振裕度，迷宮式密封設計減少磨損，高性能整體式渦輪盤提高低周疲勞特性延長壽命。這些都是飛機用的燃氣輪機技術，經(jīng)過多年使用驗證后運用到廢氣渦輪增壓領域。具體改進如圖1所示。

3.VTG增壓器的原理

該增壓器為TPR56FV增壓器加VTG調整噴嘴環(huán)機構，其控制原理是：通過對柴油機中空氣壓力以及增壓器轉速等參數(shù)的檢測，并將參數(shù)信號反饋給VTG控制器，VTG控制器判斷各工況下增壓壓力是否合適，通過步進電機帶動執(zhí)行裝置調整增壓器噴嘴環(huán)開度，實現(xiàn)控制增壓壓力的目的，柴油機和增壓器的配合工作線應當落在壓氣機特性的高效區(qū)，以獲得較好的性能。同時，配合工作線離喘振線太近會造成增壓器喘振的危險，太遠又會造成壓氣機在低效率區(qū)及低壓比區(qū)工作。一般要求應具有良好的全工況性能，并且有利于改善低工況性能和瞬態(tài)特性；運行工況區(qū)應處于壓氣機特性的高效率區(qū)；運行線離喘振線有大于10%的安全裕度；增壓系統(tǒng)有較高的排氣能量效率，柴油機排氣溫度不超過渦輪允許的最高溫度；增壓器總效率應在規(guī)定范圍內［2]。

圖1 VTG-TPR56FV增壓器性能優(yōu)化剖面示意圖

四、VTG-TPR56FV型增壓器在絞吸船柴油機的改裝方案

1.柴油機的整體布置

按原柴油機設計前后兩端安裝VTG增壓器，更新增壓器底座，取消了原配VTC254-13型增壓器冷卻循環(huán)水連接管路。安裝兩個控制步進電機的VTG控制箱在柴油機綜合監(jiān)控箱左右兩側，便于統(tǒng)一管理。

2.增壓器的結構調整

對步進電機機構尺寸進行調整，以適應柴油機的整體布置要求；噴嘴環(huán)調整機構、步進電機機構均采用左右對稱結構，以方便左右增壓器上整個VTG控制機構布置在不同側；渦輪進氣殼采用軸向偏心布置，進口法蘭中心直接對齊排氣管中心，法蘭接口尺寸與排氣管法蘭接口尺寸完全相同［3]。

3.進排氣管路的改裝

根據(jù)VTG增壓器的進出口法蘭型號，將進排氣管路連接處的過渡管拆除，制作新變徑，將出口直接連接進氣總管，引入中冷器，進口與排氣總管新制波紋總管連接，同時在進排氣管路加裝監(jiān)控空氣壓力、溫度的傳感器。排煙管改裝示意圖如圖2所示。

圖2 排煙管改裝示意圖

4.冷卻水系統(tǒng)改進

主要包括取消前后增壓器冷卻水進水管路、回水管路，對其他在增壓系統(tǒng)改進過程中存在干涉的管路進行重新研配更換，干涉管路包括中冷水泵出口管路、后中冷器進水管路。

5.電氣控制系統(tǒng)

主要由VTG控制柜與VTG控制線束兩部分組成，VTG控制柜含有可觸摸控制顯示屏、VTG控制單元等電氣零部件；VTG控制線束包括自由端控制線束及輸出端控制線束，線束測點布置在柴油機上，兩端控制線束以航空插頭形式匯總后與VTG控制柜相連接，達到TPR56FV增壓器的VTG相關信號采集及VTG調節(jié)控制功能。

五、試驗情況

在實船上進行了臺架試驗、清水試驗、重載試驗。

1.臺架試驗

按照臺架試驗大綱，測量了6項指標并進行分析，并針對同一柴油機分別安裝VTC254-13增壓器和VTG-TPR56FV增壓器，在650～1 000 r/min不同轉速點時相同油門刻度下進行了對比試驗，各項數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 臺架試驗數(shù)據(jù)曲線圖

從以上6組數(shù)據(jù)來看，柴油機轉速在700～900 r/min范圍內，VTG-TPR56FV增壓器對爆發(fā)壓力、過量空氣系數(shù)、排煙總管溫度影響更加明顯；柴油機接近滿轉速滿負荷工況下，對比曲線逐步接近，進一步驗證了可變噴嘴環(huán)在低轉速、低負荷下的作用更加明顯。

2.清水試驗

在清水工況下驗證兩種增壓器的效果差異，同時加裝了柴油機進出燃油流量計，以測得燃油消耗率。按照試驗大綱，進行了多種工況下的清水試驗。參照臺架試驗選取數(shù)據(jù)，同樣取了6組數(shù)據(jù)。

限于實船清水試驗的局限性，6組數(shù)據(jù)為消除誤差后的平均數(shù)據(jù)，與臺架試驗的數(shù)據(jù)趨勢完全吻合，量化關系基本接近，并以平均數(shù)據(jù)為最終數(shù)據(jù)。見圖4。

3.VTG-TPR56FV增壓器在兩種模式下的試驗對比分析

在清水試驗中，為進一步驗證VTG-TPR56FV增壓器在兩種模式（VTG開啟模式與關閉模式）的區(qū)別，重點測量掃氣壓力、油耗、爆壓等指標。因實船功率測定限制，以柴油機齒條刻度作為負荷的基準數(shù)據(jù)。見圖5。

圖4 清水試驗數(shù)據(jù)柱狀圖

圖5 清水試驗VTG模式與關閉模式數(shù)據(jù)曲線圖

通過以上兩組數(shù)據(jù)可知，相同柴油機同一增壓器在VTG開啟模式和關閉模式下，其在低負荷下的增壓效果、燃燒改善和爆壓提高與上述臺架試驗和清水試驗數(shù)據(jù)趨勢是一致的。

4.挖泥重載試驗

該實驗重點驗證增壓器工作的穩(wěn)定性、連續(xù)性，進行連續(xù)觀測記錄，并落實維護保養(yǎng)要求。截至目前，按說明書完成了1 000 h檢查保養(yǎng)，增壓器運轉近3 000 h，設備平穩(wěn)正常。

如表2所示，該船柴油機各數(shù)據(jù)性能均明顯優(yōu)于改裝之前說明書要求，極大地改善了柴油機的燃燒狀態(tài)，柴油機運轉3 000 h無異常。

表2 重載試驗柴油機性能平均參數(shù)

六、節(jié)能情況對比分析

VTG-TPR56FV增壓器的可變噴嘴環(huán)可根據(jù)不同工況實時調節(jié)噴嘴環(huán)節(jié)流面積和噴射角度，提高了渦輪的效率，改變了增壓器轉速從而使空氣過量系數(shù)更適應當下的施工工況，隨時保持柴油機處于最佳工況點或在最佳工況點附近［4]。

表3為清水試驗中的燃油消耗數(shù)據(jù)，分別選取了850 r/min、900 r/min、950 r/min、1 000 r/min四個工況條件，柴油機在不同負荷時VTC254-13增壓器和VTG-TPR56FV增壓器的油耗記錄。兩增壓器在相同油門刻度時油耗對比如圖6所示。

表3 VTC254-13與VTG-TPR56FV增壓器的油耗統(tǒng)計表

圖6 兩增壓器在四個轉速條件下相同油門刻度時油耗對比曲線圖

由以上圖表數(shù)據(jù)可知，在850 r/min時油耗率在18～21齒條刻度時節(jié)油比最佳，為2.89%～3.71%；在900 r/min 時油耗率在15～18齒條刻度時節(jié)油比最佳，為2.86%；在950 r/min 時油耗率在18～21齒條刻度時節(jié)油比最佳，為1.83%～1.92%；在1 000 r/min 時油耗率在19.5～21齒條刻度時節(jié)油比最佳，約為3.15%。綜合測試數(shù)據(jù)分析，在18～21 mm齒條刻度時油耗率較低，節(jié)油效果最佳。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看其平均節(jié)油率為2%～3%。

兩模式下油耗理論計算如圖7所示，測得的節(jié)油率與理論計算結果（2%～4%）基本吻合。按此節(jié)油率，年運轉5 000 h的單臺柴油機節(jié)油至少20 t以上，經(jīng)濟意義較大。

圖7 增壓器在VTG開啟與VTG關閉兩模式下油耗理論計算圖

七、結語

根據(jù)絞吸船工況變化多的特點，把VTGTPR56FV增壓器應用于柴油機，為絞吸船配置的柴油機提供了低負荷工況的解決方案，改變了非設計工況下柴油機燃燒不充分、排煙溫度高、無功能耗高等問題。總結如下：

（1）實現(xiàn)了柴油機根據(jù)實際運轉工況對柴油機供氣量的實時調節(jié)匹配，柴油機可在各功率范圍內以最佳空燃比運轉，提高了燃燒效果，有效地改善了柴油機部分負荷性能。

（2）新型增壓器可改善柴油機燃燒，節(jié)能減排并提高柴油機工作效率，降低小時耗油，減少生產成本。

（3）降低了柴油機排煙溫度和熱負荷，利于船機管理，降低了柴油機故障率，減少了設備維護成本。

（4）可變噴嘴環(huán)增壓器在船用推進柴油機的應用及推廣需要有關組織、技術團隊進一步論證和研究，以進一步推廣和應用新技術，降低船舶能耗。