渦輪增壓器與柴油發電機的匹配原理
柴油發電機的增壓技術，實際上就是根據柴油發電機性能的要求選擇合適的增壓器。每個型號的渦輪增壓器都有其特定的使用流量范圍，由壓氣機的喘振線、某一等效率線或堵塞線和增壓器最高轉速線圍成。渦輪增壓器與發電用柴油發電機匹配的目的，就是在保證柴油發電機性能達到預期目標值的前提下，使柴油發電機整個運行區域與增壓器良好匹配，即柴油發電機的工作區盡可能落在壓氣機高效率運行區。為此，根據柴油發電機性能要求選擇好增壓器。
1．增壓器流量特性的選擇
由于廢氣渦輪增壓器是流體機械，是通過柴油發電機排出的廢氣能量來驅動的。因此，根據柴油發電機的工況不同，渦輪增壓器的工作狀況也有所不同，增壓效果也不一樣。當柴油發電機轉速低時，由于柴油發電機排出的廢氣流速低，流入渦輪后產生的動量矩小，增壓器轉速低，壓氣機的增壓效果弱。因此，根據與柴油發電機匹配的目的不同選擇不同流量特性的增壓器。
根據渦輪增壓器是由柴油發電機排出廢氣的動量矩來驅動的特點，當柴油發電機高轉速運行時，因排氣流速高，驅動渦輪機旋轉的排氣動量矩足夠大，因此在高速時為了減小渦輪機內部高速流動損失和柴油發電機的排氣損失，以提高柴油發電機的最大功率，采用如圖7-23所示的ii型壓氣機，并將渦輪入口（噴口）截面積設計得較大。但是，當渦輪入口截面積較大時，由于柴油發電機低速時排氣流量小，驅動渦輪機的排氣動量矩減小，增壓器轉速降低，所以壓氣機的增壓效果減弱，直接影響柴油發電機的低速特性。反之，為了改善低速特性，縮小渦輪入口截面積，采用圖1中的i型壓氣機時，可保證在低速工況下噴入渦輪機的廢氣有足夠的動量矩（流速），以提高增壓器低速區的增壓效果。但由于排氣流動截面積小，在高速時流動損失增加，造成柴油發電機排氣阻力增大，使柴油發電機的高速性能惡化。當折中考慮柴油發電機的高低速性能時，增壓器就按常用的中速范圍匹配。
壓氣機的流量范圍選擇
2．渦輪增壓器與柴油發電機的聯合運行特性
為了使渦輪增壓器和柴油發電機良好匹配，對根據柴油發電機設計要求初選的增壓器和柴油發電機聯合運行的特性需要進行分析，為此制取如圖7-24所示的柴油發電機和增壓器的聯合運行特性曲線。首先，通過臺架試驗結果分析最高輸出功率和最大輸出轉矩是否達到設計要求。其次，通過測量壓氣機前后壓力和進氣流量，計算各工況下的增壓比和進氣流量，并在壓氣機特性曲線上繪制柴油發電機的運行曲線，主要包括柴油發電機最低使用轉速下的負荷特性、全負荷速度特性和額定轉速下的負荷特性，由此分析全負荷速度特性上的增壓比是否符合設計要求。同時，分析最低使用轉速負荷特性是否接近喘振線，額定轉速負荷特性是否接近堵塞線，以及柴油發電機常用運行工況是否在壓氣機特性曲線上的高效率區。如果匹配計算結果，柴油發電機低速區的全負荷特性線靠近壓氣機的喘振線，說明增壓器相對該柴油發電機而言使用流量范圍偏大（圖2中采用ii型壓氣機時），需要重新選擇增壓器或對增壓器進行改進；反之，如果額定工況負荷特性落在壓氣機堵塞線，或常用工況落壓氣機低效率（mb＜55％）區或堵塞線時，說明所選擇的增壓器的使用流量范圍偏小。
圖2 增壓器面徑比
3．渦輪增壓器與柴油發電機的匹配原理
為了說明增壓器與柴油發電機的匹配原理，這里引入增壓器面徑比的概念，即如圖3所示，渦輪噴口（入口）處最小截面積a和該截面的形心到增壓器轉軸的最短距離（半徑）r之比，稱為增壓器的面徑比a/r。
根據渦輪機內柴油發電機排除廢氣的動能轉換為葉輪機械能的能量轉換原理，當排氣按一定的流速噴入渦輪機內葉輪時，在氣流的沖擊作用和在彎曲的葉片之間的流道上高速流動的氣流所產生的離心力的作用下，葉輪高速旋轉。所以增壓器（渦輪機）的轉速實際上與噴入渦輪的排氣的動量矩有關，而噴入渦輪的排氣速度取決于柴油發電機轉速和渦輪入口（噴口）截面積，故在柴油發電機轉速一定的條件下這種排氣的動量矩與a/r成正比。所以，當a/r小時，即對一定的渦輪半徑縮小渦輪最小入口截面積時，由于低速時也有足夠的噴入速度，保證一定的動量矩，從而提高低速增壓效果，改善柴油發電機的低速性能。隨轉速排氣流量的增加，渦輪入口處的氣流速度逐漸達到臨界值（當地聲速）后，隨轉速的進一步提高，排氣流入渦輪的速度不變，而排氣流動阻力迅速增加，造成渦輪堵塞現象，使柴油發電機排氣阻力增加，高速性能惡化。當增壓器的a/r增大時，相當于一定的渦輪半徑渦輪最小入口截面積增加，則可在改善高速區的增壓效果的同時，減小高速流動阻力，所以有利于提高柴油發電機的高速性能，但低速時排氣流速降低，動量矩減小，增壓器的做功能力減弱，低速增壓比低，造成柴油發電機低速轉矩特性差。如果a不變，而增大r時，也同樣能達到減小a/r的效果。但是r的增加實際上就是葉輪直徑增加，將導致葉輪轉動慣量增大，從而直接影響渦輪增壓器的響應特性。因此，每一臺增壓器匹配時均需要優化a/r。
這里需要指出的是，壓氣機的葉輪和渦輪殼的設計決定了壓氣機的特性曲線，通過葉片的形狀和殼體形狀的設計可以改善其特性曲線的形狀。如改變葉片擴壓器的進口角和喉口面積等可以適當移動壓氣機的喘振線，適當增加葉片擴壓器喉口面積和葉輪喉口面積，可以提高壓氣機的堵塞流量。但是在壓氣機特性曲線上的柴油發電機和增壓器的聯合運行區域，則是通過渦輪的a/r來調節的。即對增壓器而言，渦輪是驅動壓氣機的動力源，而驅動渦輪機的能源是柴油發電機排氣的能量。因此，壓氣機設計得再好，如果沒有匹配良好的渦輪，也不能很好地發揮壓氣機的性能，而渦輪機則需要根據柴油發電機使用轉速的變化范圍需要合理選擇a/r。
圖3所示為對同一壓氣機配備不同a/r的渦輪機時對柴油發電機性能的影響。由此可見，適當減小a/r時，可有效地利用柴油發電機低速時的排氣能量，有利于改善柴油發電機的低速性能，但是高速時由于排氣阻力增加，高速性能降低。相反，若適當加大a/r時，高速性能明顯得到改善，提高最大功率，但是低速時增壓器轉速低，增壓效果降低，使得柴油發電機低速特性惡化。這就是說，普通的渦輪增壓器不能同時兼顧柴油發電機的高速性和低速性。
圖3 a/r對增壓柴油發電機性能影響
4．vgs或vnt
發電用增壓柴油發電機如何兼顧高低速性能，是增壓器與柴油發電機匹配的重要問題。為了使渦輪增壓器同時兼顧柴油發電機的低速性和高速性，以滿足發電用柴油發電機使用轉速范圍寬的特殊要求，可變渦輪面徑比的技術已開發研究并投入應用。其典型的技術就是如圖4所示的可變渦輪幾何截面積的渦輪增壓器 vgs（variable geometry system）或 vnt（variable nozzle turbo-charger）。這種可變面徑比的技術是在渦輪半徑一定的條件下，根據柴油發電機不同轉速通過設在葉輪入口處的可動翼片來改變渦輪噴嘴截面積，實現面徑比的可變。低速時減小面徑比以提高低速增壓比，改善低速轉矩特性；而高速時擴大噴嘴截面積，增加面徑比，由此降低排氣阻力，保證柴油發電機的高速性能。
圖4 vgs的控制邏輯框圖
這里，可動翼片通過連接環和銷與驅動柄相連接，并由驅動柄的不同位移來控制其不同開度，即渦輪噴嘴截面積。對在某一臺重型柴油發電機上采用的可變增壓控制系統，其驅動柄的位移是通過三個柱塞式控制閥（vgsa、vgsb、vgsc）來控制的。根據三個控制閥的不同組合（表7-1），將可動翼片的開度范圍從最小開度到最大開度劃分成8個段數（不同開度），這相當于8個不同面徑比的增壓器。因此，對應柴油發電機的不同工況要求，通過改變可動翼片的不同開度調節渦輪噴嘴截面積，由此兼顧柴油發電機高低速性能，使得在整個使用轉速范圍內，充分發揮增壓器的性能，達到增壓器與柴油發電機優化匹配的目的。
表7-1 vgs段數和三個vgs閥on/off狀態的對應關系
vgs段數
1
2
3
4
5
6
7
8
vgs c
vgs b
vgs a
no
on
on
on
no
off
on


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