船舶柴油機(jī)增壓器的故障分析與排除

劉建安，郭家建

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007)

目前，國際商船上的船舶柴油機(jī)普遍采用廢氣渦輪增壓的方式來提高功率。具體過程：柴油機(jī)排放的廢氣通過增壓器的廢氣渦輪端，并在其中做功，使廢氣中的能量通過廢氣渦輪機(jī)輸出，驅(qū)動同軸的增壓器壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)，壓氣機(jī)將被壓縮的增壓空氣送入柴油機(jī)。因?yàn)樵鰤嚎諝獾膲毫ι?，其空氣密度增大，從而增加進(jìn)入汽缸的進(jìn)氣量，使汽缸內(nèi)的油氣混合物燃燒地更充分，因此大幅度提高了柴油機(jī)的功率和做功熱效率。廢氣渦輪增壓器的使用使柴油主機(jī)的輸出功率和柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性都得到顯著的提高。[1]

1 故障經(jīng)過

某船柴油主機(jī)型號：MAN B&W 6S50 MEC，廢氣渦輪增壓器型號：VTR500，柴油主機(jī)和副機(jī)都使用重油(180cst)，經(jīng)濟(jì)服務(wù)航速12.0 kn(約為主機(jī)55%額定功率下的降速航速)， 環(huán)球航線。2015年至2017年，因?yàn)閺U氣渦輪增壓器的原因使主機(jī)工況惡化，航速下降，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)時(shí)，主機(jī)額定轉(zhuǎn)速為120 r/min，加速到115 r/min左右時(shí)，增壓器喘振現(xiàn)象出現(xiàn)，某些缸單缸排溫過高，排煙總管內(nèi)在增壓器渦輪進(jìn)口處的溫度達(dá)到了497 ℃，在炎熱海域，有時(shí)最高可達(dá)到526 ℃。經(jīng)技術(shù)咨詢和確認(rèn)，同機(jī)型的主機(jī)在該工況下，通常各缸排煙溫度在350 ℃左右，增壓器廢氣渦輪端進(jìn)氣排煙溫度為430 ℃左右。[2]

這種故障現(xiàn)象持續(xù)了很長一段時(shí)間，剛開始影響不明顯，后來持續(xù)積累惡化，最終導(dǎo)致主機(jī)因排溫過高而自動降速，如果不進(jìn)行處理，后期會影響船舶安全航行。

翻閱以前的資料，包括輪機(jī)日志、工作記錄等，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象自2016年10月開始，一直延續(xù)至2017年。該船在做年度檢驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行了增壓器空氣濾網(wǎng)清洗、更換，人員進(jìn)入掃氣箱中檢查，將增壓器解體清洗，軸承和氣封換新，空氣冷卻器用外接清洗泵酸洗除垢，進(jìn)行了主機(jī)各缸吊缸等相關(guān)工作。主機(jī)啟動檢查，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象有改善，但工況仍不能恢復(fù)到正常狀態(tài)。

調(diào)節(jié)柴油機(jī)的噴油定時(shí)，結(jié)合早期正常工況下測取的汽缸示功圖的爆發(fā)壓力、壓縮壓力、燃燒狀態(tài)，分析研究柴油機(jī)增壓器故障引起后繼柴油機(jī)排溫過高的原因。

2 故障原因診斷分析

以2015年8月在主機(jī)早期正常工況下測取的熱工參數(shù)與2017年故障狀態(tài)時(shí)的熱工參數(shù)進(jìn)行對比，見表1、表2。

表1 主機(jī)主要熱工參數(shù)對照表

表2 主機(jī)其他熱工參數(shù)對照表

從表 1和表2 可以看出，在同樣工況下，2017年10月的最高爆發(fā)壓力和壓縮壓力比2015年8月降低許多，主機(jī)排溫平均每缸升高50～60 ℃，掃氣壓力也降低0.013 MPa。增壓器廢氣進(jìn)口溫度增加了約70 ℃，出口溫度增加了約60 ℃，說明主機(jī)工況惡化。

柴油機(jī)的燃燒過程主要受燃油品質(zhì)、噴油正時(shí)、換氣質(zhì)量、霧化質(zhì)量等工況因素影響。因此，本文案例中，柴油機(jī)的排溫?zé)嶝?fù)荷增大引起故障降速，不難確定是由于增壓器喘振，進(jìn)、出口廢氣溫度過高引起的[3]。

3 故障原因分析及排除

2015年與2017年的汽缸掃氣溫度變化不大，因此，排除空氣冷卻器冷卻側(cè)臟堵的原因。另一方面，在航行中，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速增加到101～105 r/min時(shí)，增壓器發(fā)出喘振聲；當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至115 r/min以上時(shí)，隨著增壓器轉(zhuǎn)速升高，掃氣壓力增加，增壓器喘振加劇，且本體振動劇烈，同時(shí)主機(jī)排溫顯著增高。綜合分析主機(jī)增壓器喘振故障的原因，當(dāng)增壓器壓氣機(jī)端氣流實(shí)際流量<設(shè)計(jì)工況流量時(shí)，氣流會沖擊葉輪進(jìn)口處葉片凹面，并在凸面分離氣流，從而引起增壓器喘振，同時(shí)掃氣增壓效率下降。

有關(guān)技術(shù)資料將喘振原因分為增壓器氣體流動管道堵塞和增壓器氣體流動非管道堵塞2種[4]。

3.1 增壓器氣體流動管道堵塞

柴油機(jī)正常工況下工作時(shí)，增壓系統(tǒng)的增壓器流動管道氣流流動線路為：空氣→空氣濾網(wǎng)→消音器→葉輪(壓氣機(jī)側(cè))→空冷器→主機(jī)掃氣箱→進(jìn)氣口(掃氣口)→柴油機(jī)汽缸→排氣口→排氣總管→渦輪端噴嘴環(huán)→葉輪(廢氣渦輪側(cè))→廢氣鍋爐→排出。在這條氣體流動線路中，若有一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生故障，就會影響柴油機(jī)氣體流通性，造成柴油機(jī)增壓器喘振、增壓器性能效率和增壓掃氣壓力下降，以及主機(jī)排溫升高等，若等主機(jī)排溫升高到一定值后，就可能出現(xiàn)故障報(bào)警、自動降速或停車的現(xiàn)象。表3為船舶增壓器故障和可能原因?qū)?yīng)表，通過表3來分析、判斷增壓器故障的相關(guān)現(xiàn)象和原因，并針對性解決。

3.2 增壓器氣體流動非管道堵塞

1)增壓器工作環(huán)境溫度發(fā)生變化。船舶在較高氣溫的海域或季節(jié)航行時(shí)，其周圍空氣密度較小，因而增壓器的進(jìn)氣流量會減少，工作使排氣壓力下降，廢氣渦輪獲得的能量減少，在主機(jī)油門加大提高轉(zhuǎn)速的過程中，易產(chǎn)生增壓器喘振現(xiàn)象。

2)空冷器冷卻效果變差?？绽淦鞯目諝鈧?cè)和冷卻水側(cè)臟堵、產(chǎn)生結(jié)垢會使熱交換效果變差，從而使冷卻能力下降，柴油機(jī)排氣溫度升高，增壓器轉(zhuǎn)速升高，流量增大，易引起喘振。

3)船舶航行阻力增大。當(dāng)柴油機(jī)在高負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)噴油量必須有所增加，提高轉(zhuǎn)速，才能保持一定的航速。但此時(shí)由于高負(fù)荷阻力的原因，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速反而有所降低，增壓空氣的流量反而減小，氣體流通過程中在渦輪側(cè)和壓氣機(jī)側(cè)產(chǎn)生流量上不匹配的矛盾，因而增壓器更易發(fā)生喘振。[5]

表3 船舶增壓器故障和可能原因?qū)?yīng)表

4)柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)故障。若柴油機(jī)燃燒噴油系統(tǒng)發(fā)生故障，會產(chǎn)生燃燒后燃加劇，主機(jī)排溫升高，燃燒終點(diǎn)滯后，使增壓器轉(zhuǎn)速升高，壓氣機(jī)壓縮氣體流量增大，與渦輪側(cè)氣體流量不匹配，易發(fā)生喘振。

5)柴油機(jī)單缸不工作或柴油主機(jī)手柄操車速度過猛。在柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，若單缸熄火(主動單缸停油)或者短時(shí)間內(nèi)急速減速、加速或停車，由于增壓器仍保持較大的轉(zhuǎn)動慣量，不能立即減速或停轉(zhuǎn)，同時(shí)，增壓器的渦輪側(cè)空氣流量減少，而壓氣機(jī)側(cè)背壓仍處于較高狀態(tài)，在高背壓、小流量下運(yùn)行的增壓器，易引起喘振。[6]

經(jīng)大量的實(shí)踐調(diào)查，船舶航行過程中，主機(jī)增壓器氣體流動管道堵塞也是引起增壓器喘振的主要原因。

對比2015年和2017年的數(shù)據(jù)，2年內(nèi)都不同程度的對柴油機(jī)增壓器相關(guān)設(shè)備進(jìn)行清潔、檢修處理(包括增壓器壓氣機(jī)葉輪、擴(kuò)壓器、噴嘴環(huán)、廢氣葉輪等部件)，還有進(jìn)口濾器、掃氣箱和排氣口等都進(jìn)行了清潔，增壓器甚至解體，對迷宮式密封、轉(zhuǎn)子軸封、氣封都進(jìn)行了修理或換新。但重新裝復(fù)測試后，增壓器和主機(jī)的運(yùn)行工況還是沒有得到太大改善。

因此，將柴油機(jī)正常工況運(yùn)行參數(shù)作為基準(zhǔn)，以近2年檢修改善增壓器工況的檢修工作為基礎(chǔ)，分析判斷以上故障產(chǎn)生的主要原因應(yīng)該是：增壓器渦輪側(cè)葉輪的葉片或者噴嘴環(huán)噴嘴葉片變形。后經(jīng)拆檢，對增壓器轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡試驗(yàn)(動、靜平衡試驗(yàn))，確認(rèn)葉輪工作葉片有腐蝕以及一定程度的變形，為此，更換渦輪側(cè)葉輪，換新噴嘴環(huán)，試運(yùn)行主機(jī)，增壓器本體振動減小，加速區(qū)喘振消失，主機(jī)運(yùn)行工況良好，各缸排氣溫度恢復(fù)到360 ℃左右正常狀態(tài)。

4 日常維護(hù)管理

在柴油機(jī)增壓系統(tǒng)日常管理中，應(yīng)依照各船實(shí)際情況和增壓系統(tǒng)說明書、保養(yǎng)手冊制訂出合理的維護(hù)管理工作流程。

1)柴油機(jī)在良好工況運(yùn)行時(shí)，仍應(yīng)按照輪機(jī)日志等技術(shù)文檔具體要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)記錄各項(xiàng)重要運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)(如各缸排溫、增壓器渦輪進(jìn)氣/排氣溫度、轉(zhuǎn)速、空冷器溫差和壓降等重要工況參數(shù))，這些重要參數(shù)既作為監(jiān)測對象，也是后期發(fā)生故障后分析、排除的基本依據(jù)。

2)柴油機(jī)操作應(yīng)盡量平緩，柴油機(jī)增、減速操作不能動作太迅猛，避免發(fā)生喘振現(xiàn)象，除非緊急情況。

3)船舶柴油主機(jī)高負(fù)荷條件下，不應(yīng)該為保持航速而加大噴油量，造成主機(jī)超負(fù)荷，而應(yīng)根據(jù)具體情況適當(dāng)降低主機(jī)噴油量。

4)輕油和重油燃燒轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整噴油提前角，輕油轉(zhuǎn)換為重油，應(yīng)適當(dāng)調(diào)大噴油提前角，以減少后燃，從而達(dá)到降低主機(jī)排溫的目的，反之亦然。

5)根據(jù)說明書要求和具體情況，清洗和拆檢主機(jī)增壓器和空冷器。

6)定期進(jìn)行鍋爐吹灰工作。

7)注意增壓器軸承的維護(hù)和保養(yǎng)。