武汉船舶职业技术学院《船舶内燃机使用及维修》课程教案.docx
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武汉船舶职业技术学院《船舶内燃机使用及维修》课程教案
武汉船舶职业技术学院《船舶内燃机使用及维修》课程教案
（课次：
28学时：
2）
（本课程适用专业：
轮机工程技术（船舶内燃机方向））
课题：
柴油机增压系统
教学目标：
知识目标：
了解柴油机增压目的，认识各种类型增压系统。
能力目标：
分析各种柴油机增压系统的结构和特点。
教学重点：
各种柴油机增压系统的特点。
教学准备：
教学地点：
多媒体专用教室
教具：
多媒体课件
教材：
《船舶柴油机》，徐立华主编
教学方案的设计：
步骤一：
回顾与引入（15分钟）
复习：
增压柴油机是用增加进气压力来提高功率的方法称为柴油机的增压。
⑴机械增压：
借助于柴油机直接带动的扫气泵来实现。
⑵废气涡轮增压：
将柴油机排出的废气送入涡轮机中，使涡轮机高速回转来带动一离心式压气机，由它把压力较高的空气送入气缸，以实现增压。
增压柴油机特点：
气阀重叠角加大，这是为了利用压力空气来赶走残存在缸内的废气，加强“燃烧室扫气”；同时降低燃烧室组件以及其它有关机件的温度，提高柴油机的工作可靠性。
喷油提前角减小，因为增压后，燃油燃烧滞燃期缩短，减小喷油提前角可防止柴油机工作粗暴。
步骤二：
柴油机增压概述（30分钟）
根据有效功率的计算公式：
，可知，提高柴油机的有效功率有下列途径：
1）改变柴油机的结构参数i、D、S、m。
增大这些参数可以提高柴油机的功率，但是提高的幅度受到多种因素的限制。
2）提高柴油机的转速。
柴油机转速的增加可以增大柴油机作功频率，提高功率。
但转速增加会使磨损增加，柴油机的惯性力增加，使柴油机寿命缩短，可靠性变差。
对于船用主机还受到螺旋桨效率的限制，因而这种方法也是有限度的。
目前新型船用低速柴油机大多降低转速以获得更高的经济性。
3）提高平均有效压力pe。
提高平均有效压力pe可以增加柴油机的功率。
对pe影响最主要的因素是新气的密度。
提高进气密度，就可以增加气缸充气量，使更多的燃油完全燃烧，从而大幅度提高柴油机的功率。
而空气密度的增加对以通过提高进气压力和降低进气温度来实现。
中冷器的目的：
降低空气温度，提高空气密度，同时也降低柴油机的循环平均温度。
步骤三：
柴油机增压系统（40分钟）
1．机械增压：
图10-1
增压器直接由柴油机驱动。
随着增压压力的提高，柴油机所消耗的功率随之增大。
因此机械增压只适于增压压力小于（0.15～0.17）MPa的低增压柴油机。
2．废气涡轮增压：
图10-2
利用柴油机排出的废气吹动涡轮机，由涡轮机带动增压器。
可以从废气中回收部分能量，不仅提高了柴油机的功率，还提高了动力装置的经济性，因而获得广泛应用。
3．复合增压
1）串联增压系统：
图10-3
采用串联增压系统使柴油机起动容易，低负荷性能好。
当涡轮增压器损坏时，依靠第二级往复式压气机仍可使柴油机达到70％～80％的标定转速，因此不须另设应急鼓风机。
然而这种增压系统使柴油机结构复杂，重量增加。
2）串联旁通增压系统：
图10-4
利用扫气室中空气的压力变化防止废气倒冲，扫气效果好。
对于弯流扫气柴油机可以减小排气口高度。
活塞下部的增压泵可以改善柴油机的低负荷性能，而且结构比串联增压系统简单。
在采用定压增压时，由于在起动和低负荷时废气涡轮增压器供气不足，采用电动鼓风机与之串联工作。
3）并联增压系统：
图10-5
并联增压系统在低负荷时因涡轮增压器供气显著下降，而辅助增压泵的供气量远远不足，故柴油机在低负荷时的工作性能差，增压器在低负荷时易发生喘振。
为了防止在低负荷时增压器发生喘振和改善柴油机的性能，并联增压系统几经改进，取消了活塞下部辅助增压泵，变成了单独增压系统，并附设电动鼓风机与增压器串联供气。
步骤四：
归纳、小结，课外思考题：
（5分钟）
1．柴油机增压的目的是什么？
2．柴油机增压的方式有哪几种？
各有何特点？
武汉船舶职业技术学院《船舶内燃机使用及维修》课程教案
（课次：
29学时：
2）
（本课程适用专业：
轮机工程技术（船舶内燃机方向））
课题：
两种废气涡轮增压系统
教学目标：
知识目标：
掌握掌握两种废气涡轮增压系统的特点和结构。
能力目标：
能运用废气能量利用来分析两种废气涡轮增压系统的特点和结构。
教学重点：
两种废气涡轮增压系统的特点和结构。
教学准备：
教学地点：
多媒体专用教室
教具：
多媒体课件
教材：
《船舶柴油机》，徐立华主编
教学方案的设计：
步骤一：
回顾与引入（5分钟）
Q:
增压的目的是什么？
A:
提高进气压力，增加进气量，从而提高柴油机的功率。
Q:
柴油机的增压系统有哪几种形式？
A:
机械增压、废气涡轮增压和复合增压。
Q:
废气涡轮增压的工作原理是什么？
A:
废气涡轮和离心式压气机。
步骤二：
废气能量分析（20分钟）
废气的可用能量分成两部分：
一部分是废气由压力pb膨胀到pT膨胀能E1，称之为脉冲能。
另一部分是废气由压力pT膨胀到po的膨胀能E2，称之为定压能（亦称势能）。
废气能量E是脉冲动能E1和定压能E2之和。
能量E1和E2各在总能量中所占的百分数随着增压压力pk的不同而不同。
pk越低，则E1所占的比例越大；pk越高，则E2越大。
能量分析：
讲解图10-8。
指示功：
３－ａ－ｃ－ｙ－ｚ－ｂ－５－４－３
泵气功：
３－ａ－５－４－３
排气能量：
１－ｂ－ｆ－１
可取得能量：
１－５－ｅ′－ｆ′－１
活塞推动废气的膨胀功：
２－４－５－１－２
扫气能量：
i－ｇ－４－２－１
步骤三：
废气涡轮增压的两种基本形式（30分钟）
l．定压涡轮增压（图10-7）
特点：
进入废气涡轮增压器的废气压力基本上是稳定状态。
柴油机各缸的排气管连接到一根共用的容积足够大的排气总管上，涡轮就装在排气总管后面。
因为废气以基本不变的速度和压力进入涡轮，所以这种增压方式涡轮工作稳定，效率高。
2．脉冲涡轮增压
特点：
进入废气涡轮增压器的废气压力为脉动状态。
在结构上把各缸排气管经过分组直接与一个或几个废气涡轮相连，排气管短而细。
但由于涡轮在不稳定工况下工作，效率较低。
脉冲增压除了可以利用脉冲能外，还能较好地利用废气的定压能，故废气的能量利用增多。
这有利于涡轮机和压气机之间的功率平衡。
此外，扫气阶段正好是排气管中的低压阶段，扫气箱与排气管间压差较大，故有利于扫气。
3．两种增压方式比较
⑴定压增压系统排气管结构简单，这对于气缸数目很多的柴油机在结构布置上尤为重要。
而脉冲增压系统排气管要进行分支，使排气系统结构复杂，布置困难。
⑵定压增压由于进入涡轮的压力基本恒定，故涡轮效率较高。
脉冲增压涡轮为脉动进气，所以涡轮鼓风损失、窜气损失较大，涡轮效率较低。
⑶脉冲增压不仅能利用排气的定压能量，而且能利用排气的脉冲能量，进行有效扫气，尤其在柴油机起动和低负荷运转时，这一优点特别重要。
而定压增压不能利用脉冲能量。
⑷脉冲增压的加速加载性能较好。
⑸高增压柴油机排出的废气中，定压能量所占比例相对较大，故多采用定压增压。
步骤四：
脉冲增压系统排气管分支和脉冲转换增压（30分钟）
1．排气管分支
排气管分支的原则是一根排气管所连各气缸的排气相位应互不重叠或重叠很小，所连气缸的排气相位必须合理均匀错开。
对于气缸数是3的倍数的柴油机，采用脉冲增压是有利的。
2．脉冲转换增压
一般来说，大型低速二冲程柴油机的脉冲增压系统采用多台增压器。
而四冲程柴油机为使结构布置紧凑，往往只采用一台脉冲涡轮增压器。
脉冲转换增压是解决不利气缸数柴油机采用脉冲增压时的不利因素的有效措施。
1）简单脉冲转换器增压
简单脉冲转换器适用于不利气缸数为4、8、16缸的柴油机。
它是把发火间隔为360°CA的两个气缸连接一根排气管，并与另一根排气管通过脉冲转换器连到涡轮的一个进口，所以有4个180°CA的排气脉冲依次进入涡轮。
2）多脉冲转换增压
为了防止排气干扰，往往将废气涡轮的喷嘴环分隔开，采用多进口的布置方案。
将排气不重叠的气缸连到一根排气支管，然后再将数根排气支管通过一个多脉冲转换器连到涡轮进口。
多脉冲转换增压系统消除了简单脉冲转换器，增压对排气管长度、发火间隔角、进排气重叠角和柴油机转速的限制。
3）单管脉冲转换器增压系统
这种增压系统排气管布置简单，又不受柴油机缸数限制，其工作性能优于多脉冲转换增压系统。
步骤五：
归纳、小结，课外思考题（5分钟）
归纳：
在不同的增压压力下应当采用不同的增压方式。
在低、中增压时，即当pk介于0.13～0.20MPa之间时，采用脉冲增压可以更多地利用废气能量。
而随着增压压力的提高，定压能的比例也随之增高，因此，在高增压时均采用定压增压。
脉冲系统适用于缸数为3的倍数的中、低增压系统。
定压系统适用于高增压柴油机，与电动鼓风机配合已成为近代船舶柴油机的常用系统。
课外思考题：
1．试比较两种废气涡轮增压方式。
2．脉冲增压系统配备哪些脉冲转换装置？
适用于什么情况？
武汉船舶职业技术学院《船舶内燃机使用及维修》课程教案
（课次：
30学时：
2）
（本课程适用专业：
轮机工程技术（船舶内燃机方向））
课题：
废气涡轮增压器
教学目标：
知识目标：
掌握废气涡轮增压器的分类及型号，各种增压器的结构。
能力目标：
说明增压器牌号的含义，能运用废气涡轮增压器的工作原理，分析各种增压器的结构特点。
教学重点：
各种增压器的结构。
教学准备：
教学地点：
多媒体教室
教具：
多媒体课件
教材：
《船舶柴油机》，徐立华主编
教学方案的设计：
步骤一：
回顾与引入（3分钟）
Q:
废气的能量包含哪几个部分？
A:
脉冲能和定压能两部分。
Q:
废气涡轮增压器有哪几种形式？
A:
定压增压和脉冲增压。
Q:
采用脉冲增压应注意哪些问题？
A:
⑴排气管分支；⑵脉冲转换增压。
步骤二：
废气涡轮增压器分类及型号（32分钟）
1．分类方法
废气涡轮增压器由压气机和涡轮两个主要部分及支承装置、密封装置、冷却系统、润滑系统所组成。
其分类方法通常有三种：
⑴按涡轮壳体是否进行冷却分为水冷式和非水冷式涡轮增压器。
⑵按涡轮型式分类，分为轴流式涡轮增压器和径流式涡轮增压器两种。
⑶涡轮增压器的压气机多采用离心式压气机。
2．废气涡轮增压器型号表示法
国产增压器型号由数字和汉语拼音字母组成。
例如：
25GP44为标准大气状况下，实际供气量为4400m3/h的高增压、轴流式涡轮增压器。
该增压器在低增压压比时，其压气机接近最佳效率区工作时的供气量为2500m3/h。
步骤三：
50DP涡轮增压器结构（19分钟）
50DP涡轮增压器的标定转速为12000r／min，轴承为外置式。
根据作用的不同，将它分为以下四个组成部分。
讲解图10-19：
⑴涡轮机：
气的动能转化为机械能，带动转子轴转动；
⑵压气机：
机械能转化为进气的势能，压力增加；
⑶转子轴及其支承装置：
外置式；
⑷润滑、冷却及密封装置：
封闭的润滑油池，采用飞溅润滑，轴承的冷却分成两部分——压气端为气冷，涡轮端为水冷。
步骤四：
10ZJ涡轮增压器结构特点（18分钟）
10ZJ型涡轮增压器的额定转速为47000r／min，轴承采用内置式，主要供135、146型柴油机增压配套使用。
讲解图10-20：
⑴涡轮机：
壳体为整体；
⑵压气机：
无叶扩压器；
⑶转子轴及其支承装置：
内置式；
⑷润滑、冷却及密封装置：
与柴油机的润滑和冷却系统相连通，采用压力润滑和冷却。
步骤五：
VTR型涡轮增压器（15分钟）
VTR型涡轮增压器是在船用柴油机中应用广泛的一种增压器。
它由瑞士BBC公司制造，有0、1、4、4A系列四种产品，能满足200kW～37000kW范围内柴油机的匹配要求。
图10-21为VTR－0与VTR一1系列增压器的纵剖视图。
由图看出，它也主要由轴流式涡轮机、离心式压气机、转子轴及其轴承、油气密封装置、涡轮进排气壳、压气机进排气壳、润滑与冷却等部分组成，轴承采用外置式。
重点：
模拟演示涡轮增压器的各部分结构。
步骤六：
归纳、小结，课外思考题（3分钟）
1．柴油机增压器的分类与牌号。
2．各种典型柴油机增压器的结构特点。
武汉船舶职业技术学院《船舶内燃机使用与维修》课程教案
（课次：
31学时：
2）
（本课程适用专业：
轮机工程技术（船舶内燃机方向））
课题：
增压器与柴油机的配合
教学目标：
知识目标：
轴流式涡轮机和离心式压气机工作原理，增压器的喘振现象及避振方法；增压柴油机的特点。
能力目标：
能运用增压器的喘振现象正确配合柴油机，比较增压柴油机与非增压柴油机的特点和结构。
教学重点：
分析增压器的喘振及正确与柴油机的配合。
教学准备：
教学地点：
多媒体教室
教具：
多媒体课件
教材：
《船舶柴油机》，徐立华主编
教学方案的设计：
步骤一：
回顾与引入（3分钟）
Q:
增压器如何分类？
A:
⑴水冷与非水冷；⑵轴流和径流。
Q:
增压器的牌号代表代表什么含义？
A:
包括流量和结构形式等等。
Q:
增压器的主要由哪些部分组成？
A:
废气涡轮、压气机、转子轴及其支承装置、润滑、冷却及密封装置。
步骤二：
轴流式涡轮机工作原理（12分钟）
涡轮机的主要部件是固定的喷嘴环和回转的工作轮。
分析图10-22：
轴流式涡轮机各种气流参数的变化情况。
步骤三：
离心式压气机工作原理（10分钟）
离心式压气机分为进口、叶轮、扩压器、出口。
分析图10-23：
离心式压气机各种气流参数的变化情况。
步骤四：
离心式压气机的通流特性（18分钟）
1．压气机的主要参数
⑴空气流量Gk
⑵增压比πk
⑶压气机转速nk
⑷压气机效率（绝热效率）ηk
ηk其物理意义：
消耗在驱动压气机的功有多少转变为有用的压缩功，以此来表明压气机通流部分设计的完善程度。
2．压气机的通流特性
压气机的通流特性是指在一定环境条件下（p0、T0为一定时），在某一转速nk时，增压比πk和效率ηk随流量Gk而变化的关系曲线。
压气机特性曲线的变化具有如下主要特点：
⑴在等转速运行线上，随着空气流量Gk的增加，增压比πk开始时是增加的，当Gk增加至某一值时，πk达最大值。
之后再增压Gk，πk便逐渐下降，所以，增压特性线似马鞍形状。
⑵较低转速时，增压特性线变化较平坦；转速愈高，则增压特性线变化愈陡削，这说明在高转速时，较小的流量变化所对应的增压比的变化较大。
⑶有一条喘振线。
它是不同转速下压气机稳定运转的最小流量点的连线，即压气机稳定运转的边界线。
喘振线以左为喘振区，喘振线以有为稳定工作区。
最小流量点的数值是随着转速的升高向增大的方向移动。
3、离心式压气机的喘振
当空气流量减少到某一值时，压气机工作开始变得不稳定，流过压气机的气流出现强烈的振荡，引起叶片强烈振动，并产生很大噪声，压气机出口压力显著下降，并伴有很大波动，进气管内有“轰隆轰隆”的响声。
此时，柴油机工作也不稳定。
因此，绝不允许压气机在喘振下工作。
压气机产生喘振的原因，是由于流量过小时，在叶片扩压器和叶轮进口产生强烈的气流分离引起的。
⑴正常工况（即设计工况）
⑵转速不变而空气流量增大
⑶转速不变而空气流量减少
步骤五：
对增压器与柴油机匹配的要求（15分钟）
增压器和柴油机的正确匹配是得到柴油机良好性能的关键。
若二者匹配不当，即使性能良好的增压器和柴油机，也会使其增压后性能恶化。
对匹配的具体要求如下：
⑴在标定工况下，必须达到柴油机预期的增压压力和空气流量，使柴油机有足够的空气量进行扫气和燃烧，保证柴油机有预期的燃油消耗率、最高爆发压力、排气温度和烟度等，同时要使受热零部件的热负荷在允许范围内。
涡轮增压器在标定工况下不超过其设计转速，并在最高效率点运行。
⑵在低工况运行时，例如在低速大扭矩运行和带螺旋桨在低速运行时，过量空气系数不能下降很多，以防燃烧恶化、烟度增大、受热部件热负荷增加。
⑶在柴油机变工况运行的全部范围内，增压器压气机不发生喘振，同时运行应处处于高效率区。
步骤六：
产生增压器喘振的几种运转工况（15分钟）
由前述可知，只要增压器与柴油机匹配合适，则在正常工作范围内，压气机不会发生喘振现象。
但若工作条件发生变化并引起流量显著下降时，喘振现象才可能发生。
1．不同增压系统发生喘振的条件分析
⑴单独增压系统喘振条件
⑵串联增压系统喘振条件
⑶并联增压系统喘振条件
2．气流通道堵塞
3．环境温度过高
4．突卸或突增负荷
5．主机超负荷运转
6．脉冲增压柴油机一缸熄火或各缸负荷严重不均
步骤六：
柴油机零部件结构及工作参数的改变情况（5分钟）
⑴配气机构的改变情况
⑵燃油系统的改变情况
⑶压缩比的变化情况
⑷采用脉冲增压系统排气管要合理分支
步骤七：
柴油机特性指标的变化情况（9分钟）
分析图10-31所示为6135G型柴油机在标定转速1500r／min时，增压前后的负荷特性。
总结：
增压是提高柴油机动力性和经济性的重要措施之一。
柴油机增压后，功率增大，耗油率降低，动力性和经济性均得到较好的改善，但热负荷增加。
步骤八：
归纳、小结，课外思考题（3分钟）
1．增压器产生喘振的原因是什么？
各种增压系统发生喘振的条件是什么？
2．些运转工况易导致喘振的发生？
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