船舶廢氣渦輪增壓器喘振故障分析及排除

林穎毅

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建福州 350007）

目前，為了提高船舶柴油機(jī)的功率，廣泛采用廢氣渦輪增壓器，提高了柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，但增壓系統(tǒng)工作的好壞直接影響到船舶柴油機(jī)的工作性能。增壓器工作條件惡劣，柴油機(jī)長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行，有時(shí)引起增壓器喘振現(xiàn)象的發(fā)生，影響船舶的航行性能，因此，有必要對(duì)渦輪增壓器喘振故障進(jìn)行分析。

1 增壓器喘振機(jī)理分析

廢氣渦輪增壓器由廢氣渦輪和壓氣機(jī)所組成，柴油機(jī)的廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪來帶動(dòng)壓氣機(jī)，以來壓縮空氣，并送入氣缸，可以看出廢氣渦輪增壓器與柴油機(jī)本體無任何的機(jī)械聯(lián)系。只要增壓器與柴油機(jī)匹配在正常工作范圍內(nèi)，壓氣機(jī)是不會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象的。但當(dāng)空氣流量減少到某一值時(shí)，壓氣機(jī)工作變得不穩(wěn)定，流過壓氣機(jī)的氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈的振蕩，引起葉片強(qiáng)烈振動(dòng)并發(fā)出噪聲，而此時(shí)壓氣機(jī)出口壓力明顯下降并伴隨波動(dòng)，進(jìn)氣管發(fā)出“轟隆”的響聲，導(dǎo)致柴油機(jī)的工作不穩(wěn)定。壓氣機(jī)產(chǎn)生喘振的原因，是由于流量過小時(shí)，在葉片擴(kuò)壓器和葉輪進(jìn)口產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流分離引起的。

（1）設(shè)計(jì)工況

當(dāng)壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氣流能平順的進(jìn)入葉片通道，不會(huì)產(chǎn)生沖擊。

（2）轉(zhuǎn)速不變而空氣量增大

當(dāng)空氣量增大，氣流進(jìn)入工作葉片時(shí)沖至葉片背面，而在葉片正面產(chǎn)生渦流和分離，但是由于葉片向前轉(zhuǎn)動(dòng)以及氣體所產(chǎn)生的離心力，使分離現(xiàn)象減弱。氣流在擴(kuò)壓器中沖向葉片正面，在葉片背面也產(chǎn)生了分離，由于此時(shí)氣流按對(duì)數(shù)螺旋線運(yùn)動(dòng)，壓制了分離現(xiàn)象。所以，在這種工況下，不會(huì)引起壓氣機(jī)的工作不正常。

（3）轉(zhuǎn)速不變而空氣量減少

圖1 空氣流動(dòng)情況

圖1 中，C1a為絕對(duì)速度；ω1為相對(duì)速度；ü1為葉輪剖切處圓周速度；C2u為工作輪圓周速度；C2r為氣流相對(duì)速度；C2為氣流絕對(duì)速度。

當(dāng)空氣量減少，氣流進(jìn)入后在葉片的背面和擴(kuò)壓器葉片的正面均產(chǎn)生了強(qiáng)烈的氣流分離現(xiàn)象，而此時(shí)葉輪的氣體慣性力和進(jìn)入擴(kuò)壓器的氣流運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)增加了渦流區(qū)域，造成了氣流分離現(xiàn)象，使流量減少到一定值后，偏離角i達(dá)到17°～18°時(shí)在整個(gè)葉輪和擴(kuò)壓器中氣流會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振蕩和倒流現(xiàn)象，壓氣機(jī)此時(shí)產(chǎn)生喘振現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速越高，現(xiàn)象越明顯。通過以上分析我們可以知道導(dǎo)致壓氣機(jī)喘振的根本原因就是小流量，高背壓。

2 增壓器喘振原因分析

圖2 喘振故障樹圖

由圖2可知，對(duì)于二沖程柴油機(jī)來講，增壓器產(chǎn)生喘振一般是由于空氣流通阻力的增加、增壓器本身故障、柴油機(jī)長(zhǎng)期低速運(yùn)行以及增壓器和柴油機(jī)的運(yùn)行失配等，而最主要的原因就是氣流通道的堵塞。氣流行進(jìn)過程為：壓氣機(jī)進(jìn)口濾網(wǎng)——壓氣機(jī)——中冷器——掃氣箱——掃氣口——排氣口——排氣管——渦輪機(jī)——廢氣鍋爐，各部分的通道面積是固定的，雖然進(jìn)、排氣口按發(fā)火順序，但不管什么時(shí)候總有1或2缸的換氣通道是相通的，在整個(gè)管路中氣流是不會(huì)受堵的，如果在通道中產(chǎn)生臟污、結(jié)炭、變形、結(jié)垢等，就會(huì)增加空氣流通的阻力，造成壓氣機(jī)喘振。而其他的因素，如：

（1）環(huán)境溫度過高，空氣流量會(huì)減少；

（2）負(fù)荷劇烈波動(dòng)，主機(jī)轉(zhuǎn)速和增壓器轉(zhuǎn)速會(huì)失去匹配、供需失衡而引發(fā)瞬時(shí)喘振；

（3）高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，增壓器轉(zhuǎn)速升高，若主機(jī)轉(zhuǎn)速不變或降低，也會(huì)引起增壓器喘振。

（4）燃油油嘴故障，會(huì)使柴油機(jī)燃燒不充分，渦輪噴嘴、渦輪葉片積聚油垢，導(dǎo)致積碳嚴(yán)重，影響通道的流通面積。

（5）進(jìn)排氣未氣封，①燃?xì)饴┬?，新鮮空氣少，燃燒不充分，活塞上行后新鮮空氣進(jìn)入排氣管如遇高溫?zé)嵩匆鹑紵?，排氣管中壓力急劇升高，增壓器轉(zhuǎn)速隨之升高，產(chǎn)生喘振；而活塞下行，氣缸內(nèi)壓力降低，排氣管中的燃?xì)馔ㄟ^掃氣口再進(jìn)入掃氣箱，導(dǎo)致壓氣機(jī)背壓提高，產(chǎn)生喘振；②進(jìn)氣泄漏使壓氣機(jī)流量減小。

（6）渦輪噴嘴變形，噴嘴出口面積增大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低；噴嘴葉片變形嚴(yán)重時(shí)與渦輪葉片相碰或咬死，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 實(shí)例分析

3.1 故障現(xiàn)象

某輪主機(jī)匹配一臺(tái)增壓器定壓增壓，使用約三年時(shí)間后，車速降低，排溫升高，煙色變濃，且增壓器伴有微弱喘振聲。

該輪一年前放自來水吹洗葉片，沒有經(jīng)過軟化處理，自來水進(jìn)入高溫端后結(jié)成水垢，后煙灰有附在水垢上，排氣端鋼絲網(wǎng)上被煙灰黏附50%的面積，影響了進(jìn)氣量，造成通道的空氣阻力增加。清洗后，車速和排溫恢復(fù)正常。

3.2 故障現(xiàn)象

某輪車速在正常時(shí)，發(fā)出低沉喘振聲，后將車速降低，喘振消失。當(dāng)時(shí)，增壓器軸承油溫、油壓和油量正常，壓氣端進(jìn)口濾網(wǎng)無臟堵。

該輪當(dāng)時(shí)溫度很高，油味濃，進(jìn)出風(fēng)壓表損壞，開啟抽風(fēng)機(jī)運(yùn)行，整個(gè)機(jī)艙新鮮空氣量很少，導(dǎo)致增壓器吸入空氣量不足，掃氣壓力下降，燃燒不良，在渦輪機(jī)的葉片上，轉(zhuǎn)軸與密封環(huán)之間形成積炭，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)阻力增加，轉(zhuǎn)速下降，增壓器轉(zhuǎn)速與主機(jī)不匹配發(fā)生喘振。開啟送風(fēng)后正常。

1 杜天玉，黃加亮，蔡振雄，等.VTR 564D－32型廢氣渦輪增壓器喘振及故障排除［J］.中國(guó)修船，2008.

2 黃加亮，黃少竹，陳景鋒.船用增壓四沖程柴油機(jī)中冷器傳熱惡化對(duì)性能影響分析［J］.集美大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007.

3 鮑軍暉.某船主機(jī)增壓器故障探究［M］.中國(guó)修船，2010.

4 周明順.船舶柴油機(jī)［M］.大連海事大學(xué)出版社，2007

5 鄭仁勃，孫貴芳，洪哲.某輔機(jī)增壓器喘振故障分析與排除［J］.中國(guó)修船，2008

6 蔣德明.內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986