趙理志

一、引言

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

某絞吸船柴油機(jī)為16V240ZC型，配備固定噴嘴環(huán)VTC254-13型增壓器。對(duì)于采用固定角度噴嘴環(huán)增壓器的柴油機(jī)而言，當(dāng)機(jī)器工況遠(yuǎn)離標(biāo)定工況點(diǎn)時(shí)其配氣效果將下降，且距離越遠(yuǎn)增壓效果越差。絞吸船柴油機(jī)工況變化大，常處于低負(fù)荷區(qū)工作。增壓器VTG-TPR56FV（可變噴嘴環(huán)）技術(shù)可以改變噴嘴工作狀態(tài)，該技術(shù)已在鐵路機(jī)車上被良好應(yīng)用。針對(duì)鐵路機(jī)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(shí)現(xiàn)柴油機(jī)在低負(fù)荷下基本保持預(yù)定的掃氣壓力，達(dá)到增壓目的。

參考鐵路機(jī)車成功案例對(duì)某絞吸船增壓器進(jìn)行了改裝，改裝后進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)、清水試驗(yàn)、重載試驗(yàn)，基本達(dá)到了改裝預(yù)期。本文對(duì)各試驗(yàn)采集檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，旨在為此類增壓器改裝積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，做好理論數(shù)據(jù)支撐和進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備。

二、柴油機(jī)運(yùn)行工況及常見問題

柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)根據(jù)船舶施工工況的變化而變化，輸泥管線的長(zhǎng)短、泥漿濃度、泥漿的流速?zèng)Q定了柴油機(jī)負(fù)荷的變化情況。采集的部分柴油機(jī)施工工況參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表1 某絞吸船柴油機(jī)各工況運(yùn)轉(zhuǎn)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(jī)增壓器為VTC254-13型增壓器，單機(jī)可覆蓋匹配輸出功率為1 000 kW到3 200 kW的柴油機(jī)，允許最高轉(zhuǎn)速為30 720 r/min，渦輪最高溫度為6 5 0℃，最大進(jìn)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(zhì)、輸送距離、操作工藝影響，施工難度變化大。表1中為柴油機(jī)1年內(nèi)（運(yùn)轉(zhuǎn)5 500 h）在不同工地、工況下的工況，數(shù)據(jù)表明柴油機(jī)負(fù)荷多在50%～85%這個(gè)區(qū)間，少有90%～100%負(fù)荷的工況。

2.柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)存在的具體問題

（1）經(jīng)常性地低負(fù)荷工況下燃燒不充分，含有大量未燃燒顆粒。經(jīng)清水試驗(yàn)檢測(cè)，在柴油機(jī)啟動(dòng)和帶負(fù)荷時(shí)排煙煙度值達(dá)到10以上，熱機(jī)后不同負(fù)荷、轉(zhuǎn)速測(cè)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(shí)測(cè)配VTC-254增壓器時(shí)的平均清水試驗(yàn)油耗率為214～220 g/kWh，而該機(jī)理論燃油消耗率為205 g/kWh。

（3）排溫高，柴油機(jī)活塞、缸套積炭嚴(yán)重，機(jī)器的故障率偏高。其中排溫和潤(rùn)滑油臟污時(shí)間這兩個(gè)可以量化的指標(biāo)比說明書介紹的數(shù)據(jù)預(yù)期有明顯偏差，排溫高，甚至排煙管發(fā)紅，最高溫度遠(yuǎn)超說明書介紹溫度（最高520 ℃）。

（4）活塞環(huán)槽積炭嚴(yán)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(diào)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(jìn)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(jī)亟須解決的主要問題

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

三、VTG-TPR56FV型增壓器結(jié)構(gòu)及工作原理

根據(jù)可變噴嘴環(huán)這一增壓器技術(shù)在鐵路機(jī)車上的應(yīng)用實(shí)踐，擬通過增壓器噴嘴環(huán)的不同開度，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)在低負(fù)荷工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)，通過指令該機(jī)構(gòu)可以改變噴嘴環(huán)葉片的迎氣角度以調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)流通面積，也可在斷電時(shí)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(jié)構(gòu)

柴油機(jī)增壓器升級(jí)為VTG增壓器后機(jī)型選用TPR56FV，該增壓器屬于ABB公司TPR系列，其特點(diǎn)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(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)）、VTG控制器、VTG電源盒及相關(guān)線束組成。

VTG增壓器單機(jī)可覆蓋輸出功率為1 000 kW到3 800 kW范圍內(nèi)柴油機(jī)，允許最高轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)相近，體積更小，在改裝空間上滿足要求。當(dāng)然，作為后續(xù)發(fā)展機(jī)型，制造工藝也得到了改進(jìn)，減少了零件數(shù)量。采用半浮動(dòng)徑向軸承增加抗磨程度，葉輪中心部穿孔延長(zhǎng)壽命，壓氣葉輪再循環(huán)設(shè)計(jì)增加喘振裕度，迷宮式密封設(shè)計(jì)減少磨損，高性能整體式渦輪盤提高低周疲勞特性延長(zhǎng)壽命。這些都是飛機(jī)用的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，經(jīng)過多年使用驗(yàn)證后運(yùn)用到廢氣渦輪增壓領(lǐng)域。具體改進(jìn)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(diào)整噴嘴環(huán)機(jī)構(gòu)，其控制原理是：通過對(duì)柴油機(jī)中空氣壓力以及增壓器轉(zhuǎn)速等參數(shù)的檢測(cè)，并將參數(shù)信號(hào)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(jìn)電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行裝置調(diào)整增壓器噴嘴環(huán)開度，實(shí)現(xiàn)控制增壓壓力的目的，柴油機(jī)和增壓器的配合工作線應(yīng)當(dāng)落在壓氣機(jī)特性的高效區(qū)，以獲得較好的性能。同時(shí)，配合工作線離喘振線太近會(huì)造成增壓器喘振的危險(xiǎn)，太遠(yuǎn)又會(huì)造成壓氣機(jī)在低效率區(qū)及低壓比區(qū)工作。一般要求應(yīng)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(yùn)行工況區(qū)應(yīng)處于壓氣機(jī)特性的高效率區(qū)；運(yùn)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(jī)排氣溫度不超過渦輪允許的最高溫度；增壓器總效率應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)［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(jī)的改裝方案

1.柴油機(jī)的整體布置

按原柴油機(jī)設(shè)計(jì)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(gè)控制步進(jìn)電機(jī)的VTG控制箱在柴油機(jī)綜合監(jiān)控箱左右兩側(cè)，便于統(tǒng)一管理。

2.增壓器的結(jié)構(gòu)調(diào)整

對(duì)步進(jìn)電機(jī)機(jī)構(gòu)尺寸進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)柴油機(jī)的整體布置要求；噴嘴環(huán)調(diào)整機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)機(jī)構(gòu)均采用左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以方便左右增壓器上整個(gè)VTG控制機(jī)構(gòu)布置在不同側(cè)；渦輪進(jìn)氣殼采用軸向偏心布置，進(jìn)口法蘭中心直接對(duì)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(jìn)排氣管路的改裝

根據(jù)VTG增壓器的進(jìn)出口法蘭型號(hào)，將進(jìn)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(jìn)氣總管，引入中冷器，進(jìn)口與排氣總管新制波紋總管連接，同時(shí)在進(jìn)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(jìn)

主要包括取消前后增壓器冷卻水進(jìn)水管路、回水管路，對(duì)其他在增壓系統(tǒng)改進(jìn)過程中存在干涉的管路進(jìn)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(jìn)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(cè)點(diǎn)布置在柴油機(jī)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(dá)到TPR56FV增壓器的VTG相關(guān)信號(hào)采集及VTG調(diào)節(jié)控制功能。

五、試驗(yàn)情況

在實(shí)船上進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)、清水試驗(yàn)、重載試驗(yàn)。

1.臺(tái)架試驗(yàn)

按照臺(tái)架試驗(yàn)大綱，測(cè)量了6項(xiàng)指標(biāo)并進(jìn)行分析，并針對(duì)同一柴油機(jī)分別安裝VTC254-13增壓器和VTG-TPR56FV增壓器，在650～1 000 r/min不同轉(zhuǎn)速點(diǎn)時(shí)相同油門刻度下進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖

從以上6組數(shù)據(jù)來看，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在700～900 r/min范圍內(nèi)，VTG-TPR56FV增壓器對(duì)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(jī)接近滿轉(zhuǎn)速滿負(fù)荷工況下，對(duì)比曲線逐步接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了可變噴嘴環(huán)在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷下的作用更加明顯。

2.清水試驗(yàn)

在清水工況下驗(yàn)證兩種增壓器的效果差異，同時(shí)加裝了柴油機(jī)進(jìn)出燃油流量計(jì)，以測(cè)得燃油消耗率。按照試驗(yàn)大綱，進(jìn)行了多種工況下的清水試驗(yàn)。參照臺(tái)架試驗(yàn)選取數(shù)據(jù)，同樣取了6組數(shù)據(jù)。

限于實(shí)船清水試驗(yàn)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(tái)架試驗(yàn)的數(shù)據(jù)趨勢(shì)完全吻合，量化關(guān)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(yàn)對(duì)比分析

在清水試驗(yàn)中，為進(jìn)一步驗(yàn)證VTG-TPR56FV增壓器在兩種模式（VTG開啟模式與關(guān)閉模式）的區(qū)別，重點(diǎn)測(cè)量掃氣壓力、油耗、爆壓等指標(biāo)。因?qū)嵈β蕼y(cè)定限制，以柴油機(jī)齒條刻度作為負(fù)荷的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。見圖5。

圖4 清水試驗(yàn)數(shù)據(jù)柱狀圖

圖5 清水試驗(yàn)VTG模式與關(guān)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(jī)同一增壓器在VTG開啟模式和關(guān)閉模式下，其在低負(fù)荷下的增壓效果、燃燒改善和爆壓提高與上述臺(tái)架試驗(yàn)和清水試驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)是一致的。

4.挖泥重載試驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)驗(yàn)證增壓器工作的穩(wěn)定性、連續(xù)性，進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)記錄，并落實(shí)維護(hù)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(yùn)轉(zhuǎn)近3 000 h，設(shè)備平穩(wěn)正常。

如表2所示，該船柴油機(jī)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(jī)的燃燒狀態(tài)，柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)3 000 h無異常。

表2 重載試驗(yàn)柴油機(jī)性能平均參數(shù)

六、節(jié)能情況對(duì)比分析

VTG-TPR56FV增壓器的可變噴嘴環(huán)可根據(jù)不同工況實(shí)時(shí)調(diào)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(zhuǎn)速?gòu)亩箍諝膺^量系數(shù)更適應(yīng)當(dāng)下的施工工況，隨時(shí)保持柴油機(jī)處于最佳工況點(diǎn)或在最佳工況點(diǎn)附近［4]。

表3為清水試驗(yàn)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(gè)工況條件，柴油機(jī)在不同負(fù)荷時(shí)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(shí)油耗對(duì)比如圖6所示。

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

圖6 兩增壓器在四個(gè)轉(zhuǎn)速條件下相同油門刻度時(shí)油耗對(duì)比曲線圖

由以上圖表數(shù)據(jù)可知，在850 r/min時(shí)油耗率在18～21齒條刻度時(shí)節(jié)油比最佳，為2.89%～3.71%；在900 r/min 時(shí)油耗率在15～18齒條刻度時(shí)節(jié)油比最佳，為2.86%；在950 r/min 時(shí)油耗率在18～21齒條刻度時(shí)節(jié)油比最佳，為1.83%～1.92%；在1 000 r/min 時(shí)油耗率在19.5～21齒條刻度時(shí)節(jié)油比最佳，約為3.15%。綜合測(cè)試數(shù)據(jù)分析，在18～21 mm齒條刻度時(shí)油耗率較低，節(jié)油效果最佳。從統(tǒng)計(jì)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(jì)算如圖7所示，測(cè)得的節(jié)油率與理論計(jì)算結(jié)果（2%～4%）基本吻合。按此節(jié)油率，年運(yùn)轉(zhuǎn)5 000 h的單臺(tái)柴油機(jī)節(jié)油至少20 t以上，經(jīng)濟(jì)意義較大。

圖7 增壓器在VTG開啟與VTG關(guān)閉兩模式下油耗理論計(jì)算圖

七、結(jié)語

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

（1）實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)根據(jù)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況對(duì)柴油機(jī)供氣量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)匹配，柴油機(jī)可在各功率范圍內(nèi)以最佳空燃比運(yùn)轉(zhuǎn)，提高了燃燒效果，有效地改善了柴油機(jī)部分負(fù)荷性能。

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

（3）降低了柴油機(jī)排煙溫度和熱負(fù)荷，利于船機(jī)管理，降低了柴油機(jī)故障率，減少了設(shè)備維護(hù)成本。

（4）可變噴嘴環(huán)增壓器在船用推進(jìn)柴油機(jī)的應(yīng)用及推廣需要有關(guān)組織、技術(shù)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步論證和研究，以進(jìn)一步推廣和應(yīng)用新技術(shù)，降低船舶能耗。