某船用柴油機(jī)增壓器喘振故障的排除

(海軍湛江地區(qū)裝備修理監(jiān)修室 周圣兵;海軍 4804工廠 楊騰輝;海軍駐廣州地區(qū)艦船配套軍事代表室 劉 浩供稿)

某型 1000t油船采用 8L 20/27柴油機(jī)作為主機(jī),增壓系統(tǒng)為定壓增壓,設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速為 1000 r/min,對(duì)應(yīng)輸出功率 800kW。2009年 7月進(jìn)廠修理前主機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較嚴(yán)重的喘振,經(jīng)修前試航確定機(jī)組在轉(zhuǎn)速達(dá)到 830 r/min時(shí)發(fā)生喘振,至850 r/m in時(shí)機(jī)組負(fù)荷難以繼續(xù)升高,同時(shí)該機(jī)排溫也偏高,屬于此次修理需要重點(diǎn)解決的問題之一。

1 故障原因分析

該船修前試航時(shí)柴油機(jī)啟動(dòng)正常,各轉(zhuǎn)速排氣煙色基本保持良好,可以排除燃油供油系統(tǒng)的故障。通過拆檢增壓器發(fā)現(xiàn)軸和軸承沒有異常磨損,通流部分的積垢程度也在正常范圍內(nèi)。問題在于噴嘴環(huán)上的葉片基本都出現(xiàn)了較大變形,有的甚至已經(jīng)變成 S型,并且有從壓力面向吸力面倒伏情況。

根據(jù)上述檢測(cè)結(jié)果可以判明,噴嘴葉片變形過大導(dǎo)致渦輪當(dāng)量流通面積減小過多是引發(fā)增壓器喘振的主要原因,同時(shí)葉片變形過大也會(huì)使渦輪的氣動(dòng)效率降低,引起排溫升高。進(jìn)一步對(duì)噴嘴變形原因進(jìn)行分析,初步認(rèn)為原噴嘴環(huán)在材料選用和熱處理兩方面存在一定不完備,導(dǎo)致高溫狀態(tài)下葉片的加工內(nèi)應(yīng)力釋放、以及葉片本身的熱應(yīng)力和氣動(dòng)力綜合作用,使噴嘴環(huán)整列葉片在機(jī)組運(yùn)行期內(nèi)產(chǎn)生不同程度的變形。

2 新噴嘴環(huán)的確定

增壓器匹配的關(guān)鍵在于,在滿足柴油機(jī)熱工參數(shù)的前提下,確定增壓器壓氣機(jī)出口壓力和流量、渦輪的當(dāng)量通流面積。渦輪的當(dāng)量通流面積由渦輪和噴嘴的出口喉部面積決定,實(shí)際調(diào)整時(shí)由于渦輪一般不變,主要調(diào)整噴嘴喉部面積。另外需要確定噴嘴環(huán)的選用材料和加工工藝,至少保證一個(gè)修期內(nèi)葉片不出現(xiàn)明顯變形。

1)通流尺寸的確定。

該型機(jī)為直列 8缸,汽缸內(nèi)徑 200mm,活塞行程 270mm,壓比 13.37。根據(jù)計(jì)算表明,在渦輪排氣背壓為 0.07MPa的情況下,經(jīng)過中冷后空氣壓力為 0.27MPa,空氣流量為 1.6cm3/s,如果渦輪進(jìn)口溫度為 506℃,則可以計(jì)算得到噴嘴的當(dāng)量面積為 53cm2。考慮到壓氣機(jī)的喘振裕度要大于20%,原機(jī)組設(shè)計(jì)的喉部總面積 58cm2是適當(dāng)?shù)?新噴嘴環(huán)可以按原型機(jī)的參數(shù)進(jìn)行制造。

葉片截面由一段圓弧 (吸力面)和一段直線(壓力面)構(gòu)成,類似機(jī)翼葉型。其平均喉口直徑10.34mm,葉片高度 23.4mm,喉口總面積 58cm2(根據(jù)喘振發(fā)生時(shí)柴油機(jī)的工況可以確定,因?yàn)槿~片變形,噴嘴面積縮小了約 31%),葉片安裝角 17.75°。

2)材料和加工工藝。

噴嘴環(huán)葉片產(chǎn)生嚴(yán)重變形的主要原因在于,原進(jìn)口機(jī)型的鑄造噴嘴改為了銑削加工,因?yàn)椴牧虾蜔崽幚聿煌陚涞脑?導(dǎo)致葉片的加工內(nèi)應(yīng)力在工作時(shí)的高溫狀態(tài)下釋放,加上葉片本身的熱應(yīng)力和氣動(dòng)力復(fù)合作用,使得葉片發(fā)生了不規(guī)則變形。

作為船用主機(jī)的柴油機(jī),增壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)機(jī)組的可靠工作有決定性影響。根據(jù)性價(jià)比最優(yōu)的原則,此次更換的噴嘴環(huán)采用耐熱鋼精密澆鑄工藝生產(chǎn),其喉部面積控制在 (58±0.7)c m2,同時(shí)對(duì)制造過程進(jìn)行全程跟蹤,對(duì)成品驗(yàn)收嚴(yán)密把關(guān),確保其裝船后可靠運(yùn)行。

3 實(shí)船試驗(yàn)和結(jié)論

新噴嘴環(huán)制造完成并經(jīng)檢驗(yàn)合格后回裝船上,試航取得成功。航行時(shí)驗(yàn)收轉(zhuǎn)速為 950 r/min,實(shí)際最高轉(zhuǎn)速達(dá)到 973 r/min,此時(shí)增壓壓力、爆炸壓力、排氣溫度等參數(shù)均符合試驗(yàn)大綱的要求。在出廠后的使用過程中,柴油機(jī)工作穩(wěn)定,喘振故障得以排除。

8L 20/27型柴油機(jī)設(shè)計(jì)采用定壓增壓,一般作為發(fā)電機(jī)組。在用作船用主機(jī)時(shí),因?yàn)轭l繁的變工況運(yùn)行,噴嘴環(huán)容易發(fā)生變形,使流通面積變小導(dǎo)致出現(xiàn)喘振。因此,噴嘴環(huán)材質(zhì)和加工工藝的選用至關(guān)重要,需要引起重點(diǎn)關(guān)注。