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1、胜动12V190燃气机,12V190燃气机情况概述,12V190燃气机是胜利油田胜利动力机械集团有限公司开发和生产的多种气体燃料发电用发动机。这种发动机存在进气均匀性差、循环变动大、气耗高和排温高等问题。因此胜动公司委托中国北方发动机研究所对12V190燃气机进行性能评估，找到问题所在，并针对性的提出改进方案。,主要工作内容,建立一维计算模型，进行排气管路优化分析 建立三维计算模型，进行进气均匀性评估 气道稳流吹风试验，对气道性能进行评估 进行整机性能试验 ，并对试验结果进行评估 根据各项试验结果，完善一维计算模型，完成12V190燃气机的性能评估,排气管路优化分析,一 排气系统方案确定 12
2、V190燃气机的增压压比为1.6，属于低增压度发 动机。而且其循环空气量小，空间尺寸大，空气流速 低，采用脉冲系统不能发挥对应的特点，强行采用脉冲 系统，采用较细的管道直径会引起很大的泵气功，所以 12V190燃气机应采用定压排气系统。 根据这一分析，拟定以下两个改进方案： 增压器位置不动，排气采用123456定压系统； 增压器布置到两端，123456连通到一个涡轮机。,排气管路优化分析,二 建立计算模型 一维流动计算采用的是 AVL公司的BOOST软件。依 据胜动公司提供的资料，建 立计算模型。但因为提供的 参数和试验数据不完整，所 以在计算中采用了经验数 据，但这并不影响对计算结 果的分析
3、。具体计算模型见 右图：,排气管路优化分析,三 两种方案的计算结果及分析 进行第一种方案的仿真计算，得到以下结果：管道直径在 70110mm的范围内，性能基本正常。说明这些管路在整个进 排气系统中阻力效果很小，所以进行管道直径优化后，性能提 升的结果有限；而负向泵气功更大，性能比原机变差。 进行第二种方案的仿真计算，得到的结果：管道直径在 80110mm的范围内，性能基本正常。说明这些管路在 整个进排气系统中阻力效果很小，所以进行管道直径优化后， 性能提升的结果有限。,排气管路优化分析,四 两种方案与原机方案的对比分析 原机方案与123456方案的对比： 原机排气通畅，没有干扰，并且排气管路没
4、有造成大的阻力损失，所以原机排气系统适应此功率范围。更改为12+3456后，排气泵气功增加，排气阻力增大，循环空气量减少，所以性能有所下降。 原机方案与123456方案的对比： 123456采用分开的排气，使得排气系统背压降低，相比原机性能有所改善，但改善幅度有限。,排气管路优化分析,五 排气管路优化结论 通过对现有资料和试验数据的分析，认为发动机性能差的原因不是由于排气管的结构参数和布置型式造成的，仅改进排气管无法使发动机性能得到明显改善。 六 计算中发现的问题 在性能计算中发现，12V190燃气机的循环空气量较低，而造成的原因应该是气系统中存在着较大的阻力。,进气均匀性评估,一 计算实体模
5、型的建立和网格的划分 采用PRO-E软件完成了进气管路的三维建模。采用STAR-CD V3.26.059（以下简称STAR-CD）与Fortran为工具软件，应用STAR-CD相关模块完成网格划分、边界条件、初始条件的设定及求解计算，利用Fortran为用户程序控制各个出口的开启和关闭。,进气均匀性评估,二 稳态流场计算分析 分别进行了节气门开度为65和完全打开 两种情况下的稳态计算。,进气均匀性评估,从图中可以看出各个出口开启时对应两种节气门开度下总的气体流量分配，虽然不能够反映实际进入气缸的空气流量，但是可以评价各缸进气能力的大小，同时还可以看出阀门的开度对于流量的影响很大，0度时比65度
6、时的质量流量可提高25左右。,进气均匀性评估,三 瞬态流场计算分析,进气均匀性评估,从图中可以看出，第1缸也是由于受带小孔的混合段的影响，其出口附近空腔体积小，压力能没有处于大空间的强而导致气缸分配的流量减小，但没有流体惯性的影响，获得15.08的气量仍比第2缸的多。进入第2缸的气体流量最少（占进气总量的13.98），主要原因是带有许多小孔的混合段出口正好处于2缸的出口附近，第2缸开始进气的同时第6缸已经进气120CA，而由于总管内压力及流体的惯性共同影响了该缸进气量的不足。影响第3缸的原因是，与5、6缸正好处于同时进气的过程中，“抢气”能力明显不足。,气道性能评估,一 进气道试验数据,气道性
7、能评估,二 排气道试验数据,气道性能评估,三 气道性能评价 进气道为直气道，涡流比为0，流通系数及流通能力在气门升程最大时分别为50.94、8.532。这两项数值相对偏低。 排气道的流通系数及流通能力在气门最大升程时分别为59.34、9.856。这两项数值相对偏低。 考虑发动机目前状况，进排气道性能基本能够满足现状要求。但从气道性能分析，进排气道的流通能力有提高改进的空间，而要组织良好的燃烧过程，进行气道性能的优化会起到积极促进作用。,整机性能试验及评估,一 试验概述 本次试验分别进行了12V190燃气机在450kW、500kW、600kW三个负荷点的试验。试验中分别测取了左排6个缸的缸压曲线
8、。试验时最初将涡后压力测点布置在两排排烟管交汇处，但在500kW负荷时背压仅0.47kPa，随后将测点布置在两排各自的涡轮出口处，背压达到1.5kPa。由于增压器转速传感器故障，没有测量增压器转速，而燃气流量数据因为流量计误差过大，未与采用。,整机性能试验及评估,二 试验数据,整机性能试验及评估,三 缸内压力测量,整机性能试验及评估,500kW时左1缸多个循环缸压曲线,整机性能试验及评估,500kW时左2缸多个循环缸压曲线,整机性能试验及评估,500kW时左3缸多个循环缸压曲线,整机性能试验及评估,500kW时左4缸多个循环缸压曲线,整机性能试验及评估,500kW时左5缸多个循环缸压曲线,整机
9、性能试验及评估,500kW时左6缸多个循环缸压曲线,整机性能试验及评估,各缸平均缸压曲线 最大爆压出现在1215,整机性能试验及评估,四 试验结果分析 在发电功率为500kW和600kW时，节气门开度均不大，进气阻力分别为30kPa和23kPa，压比1.6和1.8。由此可以看出，增压器与节气门的匹配并不合适，导致节气门开度较小，节流严重；同时节气门开度小，还会导致循环变动加剧。 涡后压力测点选在两排涡轮出口处和选在两排交汇处差别很大，说明涡后排烟管设计不合理，导致两排排气干扰。 从各缸在3个负荷点的平均爆压可以看出，左1缸和左2缸进气情况较差，爆压低，而左2缸更是比后面4个缸低了1MPa左右，
10、说明进气总管处的结构设计并不合理，影响了1、2缸进气。 各缸在各负荷点的最大和最小爆压差基本在1.451.75之间，说明发动机的工作稳定性较差，循环变动大。 从平均爆压曲线可以看出，点火提前角为-38，最大爆压出现在13.5，燃烧速度比较慢。,一维流动计算的性能评估,12V190燃气机性能综合评价,1) 12V190燃气机存在气系统的匹配问题，仅通过排气管的改进，并不能使性能得到有效改善； 2) 进气总管的设计不合理，导致了各缸进气不均匀； 3) 气道基本可以满足现有需求，但进气能力偏低； 4) 试验结果表明，各缸工作不均匀，尤其1、2缸工作情况较差，这也与三维流动计算的结果相吻合。同时，从缸
11、压曲线也可以看出，各缸燃烧稳定性差，循环变动大，且燃烧持续期长，燃烧速度慢； 5）,12V190燃气机的改进方案,针对12V190燃气机存在的这些问题，为达到歧管排温低于550的目标，我们拟从以下三个方面加以改进。 1) 重新对增压器和节气门进行匹配，使节气门开度加大，并根据改进后的增压器对排气系统进行优化； 2) 重新匹配配气相位，加大气门重叠角，以减小泵气功； 3) 重新设计进气管，改善各缸进气均匀性。,其他建议性改进方案,气体燃料具有燃烧速度慢，后燃严重，排温高，燃烧效率低等特点，因此，如何加快燃烧速度，对气体机的性能改进尤为重要。当前各类燃气机的燃烧系统主要从以下几个方面来改善燃烧速度： 1) 提高压缩比。气体燃料产生末端自燃的情况少，具有很好的抗爆震性， 适于提高发动机压缩比，以改善火花点火发动机性能。 2) 提高点火能量，并使大部分能量在放电初期释放。这样可以形成较强的火核，从而有利于加快火焰传播速度。 3) 加强气流扰动也是实现可燃混合气快速燃烧十分有效的措施。而采用螺旋气道和紊流型然烧室可以产生较强的气流扰动。,谢 谢,