艦船廢氣渦輪增壓器喘振故障分析及排除

李洪松，劉永葆，余又紅，賀 星

(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

艦船廢氣渦輪增壓器喘振故障分析及排除

李洪松，劉永葆，余又紅，賀 星

(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

為了滿足現(xiàn)代艦船向高速化、大型化方向發(fā)展，作為主動力裝置的柴油機廣泛采用廢氣渦輪增壓器來提高其輸出功率。增壓器喘振是船用柴油機常見故障之一，文章詳細(xì)介紹2起增壓器喘振故障現(xiàn)象及排除過程，根據(jù)喘振機理建立喘振故障樹，分析喘振原因，為艦用柴油機科學(xué)管理與使用提供建議。

艦用柴油機；廢氣渦輪增壓器；喘振；故障樹

由于柴油機在經(jīng)濟性和機動性等方面具有優(yōu)勢，目前柴油機作為艦船主動力而被廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代艦船向高速化、大型化方向發(fā)展，對艦用柴油機在大功率方面提出了更高的要求。增壓是提高柴油機輸出功率的主要方法，艦用柴油機采用廢氣渦輪增壓器，使進(jìn)入汽缸的空氣壓力和密度增大，噴射的燃油量相應(yīng)增加，進(jìn)而達(dá)到提高功率的目的。廢氣渦輪增壓器喘振是艦用柴油機常見故障之一[1-3]，影響柴油機的正常運行和艦船的航行性能。

1 廢氣渦輪增壓器喘振機理分析

廢氣渦輪增壓器由壓氣機和廢氣渦輪同軸相連而組成，廢氣渦輪在柴油機排出的高溫和具有一定壓力的廢氣推動下轉(zhuǎn)動，通過轉(zhuǎn)軸帶動壓氣機轉(zhuǎn)動，壓縮空氣，提高進(jìn)氣壓力。

當(dāng)轉(zhuǎn)速一定，壓氣機的進(jìn)氣流量減小時，造成流道中氣體的速度不均勻和出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，壓氣機進(jìn)入不穩(wěn)定工作狀態(tài)，進(jìn)而出現(xiàn)空氣流量忽大忽小，壓力值波動劇烈，伴隨著壓氣機的劇烈振動，并發(fā)出吼叫聲或喘息聲，這種現(xiàn)象稱為壓氣機的喘振[4]。喘振會加速壓氣機葉片等內(nèi)部零件的疲勞損傷并快速擴展已有的裂紋，嚴(yán)重時會導(dǎo)致壓氣機的損壞。

當(dāng)壓氣機進(jìn)氣流量小于設(shè)計值很多的時候，在壓氣機葉片背面產(chǎn)生劇烈的氣流分離現(xiàn)象，進(jìn)而引起壓氣機喘振。圖1為進(jìn)氣流量變化時空氣在葉輪前緣的流動情況，圖中c1代表進(jìn)入壓氣機前緣時空氣的絕對速度，μ1代表葉輪的圓周速度，w1代表進(jìn)入壓氣機前緣時空氣的相對速度。

圖1 進(jìn)氣流量變化時空氣在葉輪前緣的流動情況

當(dāng)進(jìn)氣流量等于設(shè)計值時，氣流平順的進(jìn)入葉片通道，不會與葉片發(fā)生撞擊，如圖1(a)所示；當(dāng)進(jìn)氣流量大于設(shè)計值時，氣流撞擊葉背，在葉腹處發(fā)生氣流分離，但由于葉輪的旋轉(zhuǎn)，使葉片壓向分離的氣流，進(jìn)而使分離現(xiàn)象變?nèi)酰鐖D1(b)所示；當(dāng)進(jìn)氣流量小于設(shè)計值時，氣流撞擊葉腹，在葉背處發(fā)生氣流分離，一方面由于氣流在葉背部分加速流動，壓力降低，另一方面葉輪的旋轉(zhuǎn)使葉背處的氣流分離具有擴大的趨勢，如圖1(c)所示，進(jìn)而堵塞通道，使氣流在葉片流道內(nèi)的流動受阻，造成空氣在擴壓器前堆積，壓力升高，而排出壓力降低，空氣流量變小。當(dāng)擴壓器前后壓差增大到一定程度時，這種流道阻力被打破，堆積的大量空氣得以排出，引起增壓器強烈地振動，使得空氣流量和排出壓力劇烈地波動。但是因為流量變小沒有得到改變，葉片流道中又會出現(xiàn)氣流分離，這種現(xiàn)象周而復(fù)始，形成壓氣機喘振。

2 廢氣渦輪增壓器喘振原因分析

壓氣機發(fā)生喘振的根本原因是進(jìn)氣流量過小或者背壓過高，根據(jù)喘振機理及柴油機實際工作狀況，建立喘振故障樹[5]，如圖2所示。

圖2 喘振故障樹

3 喘振故障實例分析

3.1 故障實例1

1)故障現(xiàn)象及排除過程。大風(fēng)浪海況下，艦船搖晃角度較大，在此種情況下，廢氣渦輪增壓器在主機轉(zhuǎn)速為950 r/min的工況下發(fā)生喘振，各缸排氣溫度比正常運行時高15 ℃左右。喘振故障發(fā)生后首先降低主機轉(zhuǎn)速，降工況運行后喘振偶有發(fā)生，打開機帶海水泵前加裝的放氣閥門，對海水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行放氣，放氣后，喘振現(xiàn)象消除。

2)原因分析。大風(fēng)浪海況下，艦船橫搖角度較大，海底門進(jìn)入的海水夾雜著大量氣泡導(dǎo)致進(jìn)入主機空冷器的冷卻海水量減小，空冷器的冷卻能力降低，汽缸進(jìn)氣初溫升高，進(jìn)氣量減少，汽缸內(nèi)燃燒質(zhì)量變差，柴油機的排氣溫度升高，壓氣機的轉(zhuǎn)速、背壓升高，引起進(jìn)氣流量減小，壓氣機特性曲線中的運行點與設(shè)計點發(fā)生偏離，由A點移向高處A′點，離喘振邊界線B更近，導(dǎo)致喘振裕度減小，易發(fā)生喘振，如圖3所示，曲線C為等效率線。

圖3 離心式壓氣機特性曲線

3.2 故障實例2

1)故障現(xiàn)象及排除過程。海面風(fēng)浪較小的情況下，主機在840 r/min的轉(zhuǎn)速下運行，突然廢氣渦輪增壓器發(fā)生喘振；主機降速到600 r/min，增壓器喘振現(xiàn)象消失；主機升速到730 r/min，增壓器繼續(xù)發(fā)生喘振。

首先認(rèn)為主機海水管路堵塞或海底門濾網(wǎng)臟堵引起海水量減小，主機停止工作后立即拆開海底門濾網(wǎng)和海水管路各法蘭接頭處進(jìn)行檢查，經(jīng)檢查確定海水系統(tǒng)管路無堵塞。再次啟動柴油機，當(dāng)主機由空車轉(zhuǎn)入進(jìn)一工況時，主機冒黑煙嚴(yán)重且振動較大，轉(zhuǎn)入進(jìn)二工況時，廢氣渦輪增壓器發(fā)生喘振。主機冒黑煙一方面因為燃燒不充分，一方面因為超負(fù)荷，考慮到艦船剛經(jīng)歷中修，各缸噴油器產(chǎn)生霧化不良現(xiàn)象的概率較小，且主機齒輪箱接排前工作狀態(tài)良好，而一接排就發(fā)生上述問題，則認(rèn)為主機超負(fù)荷的概率較大，于是懷疑船底螺旋槳是否絞纏漁網(wǎng)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)螺旋槳纏上一大塊漁網(wǎng)，割除漁網(wǎng)后，主機工作運行正常，喘振現(xiàn)象消除。

2)原因分析。圖4為柴油機和螺旋槳的配合關(guān)系示意圖。

圖4 柴油機和螺旋槳的配合關(guān)系示意圖

曲線A為正常配合時的螺旋槳推進(jìn)特性線，曲線B為重載配合時螺旋槳的推進(jìn)特性線，C為柴油機特性曲線。螺旋槳絞纏漁網(wǎng)使得螺旋槳的推進(jìn)特性線由曲線A變?yōu)榍€B，柴油機在接排后負(fù)荷超載，如果要使柴油機轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值，機—槳配合點由H點變?yōu)镠′點，柴油機超負(fù)荷運行，供油量增多，排出廢氣的能量變大，導(dǎo)致增壓器轉(zhuǎn)速升高，壓氣機的排氣量增多，排出壓力升高，即導(dǎo)致壓氣機背壓升高，引起進(jìn)氣流量減少，進(jìn)而引發(fā)喘振。

4 結(jié)束語

1)大風(fēng)浪海況下主機應(yīng)降速運行，從而使廢氣渦輪增壓器的進(jìn)氣需求量減小，防止其因?qū)嶋H進(jìn)氣量比理論進(jìn)氣需求量小而引起喘振。同時，應(yīng)加強對海水冷卻系統(tǒng)的檢查，及時放掉海水冷卻管路中的空氣，防止因海水冷卻管路中夾雜大量空氣使冷卻效果變差導(dǎo)致增壓器發(fā)生喘振。

2)平時要加強對柴油機的維護(hù)與管理，定期清洗增壓器濾網(wǎng)等部件。發(fā)生故障后要根據(jù)故障現(xiàn)象全面系統(tǒng)地進(jìn)行分析，逐一進(jìn)行排查，并排除故障。

[1] 朱遠(yuǎn)龍，王磊，曾強洪．柴油機增壓器喘振故障診斷及排除[J] ．中國修船，2015，28(5)：6-12.

[2] 任榮社，王修敏，鄭發(fā)彬．12V20/27柴油機增壓器喘振的原因與排除[J] ．內(nèi)燃機，2007(6)：61-62.

[3] 洪哲，王建．某船柴油主機增壓器喘振故障分析及排除[J] ．柴油機，2012，34(4)：57-59.

[4] 杜天玉，黃加亮，蔡振雄，等． VTR564D-32型廢氣渦輪增壓器喘振及故障排除[J] ．中國修船，2008 ，21(1)：17-20.

[5] 林穎毅．船舶廢氣渦輪增壓器喘振故障分析及排除[J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2012(3)：41-43.

In order to meet the requirements that modern ships develop towards high-speed and large scale,exhaust gas turbocharger are widely used in diesel engine as main power device to increase the output power.As one of the common faults,surging of turbocharger often happens on marine diesel engine.In this article,two kinds of treatment are introduced to turbocharger surging，the fault tree is built up on the basis of its mechanism，the fault cause is analyzed and some advice is given for scientific use and management of marine diesel engine.

marine diesel engine;exhaust gas turbocharger;surging;fault tree

李洪松(1990-)，男，山東夏津人，在讀碩士研究生，研究方向為動力機械及熱力系統(tǒng)的設(shè)計、仿真與優(yōu)化。

U664.121

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.04.007

2017-03-08