船舶主柴油機(jī)排氣系統(tǒng)布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

袁小秋

摘 要：本文以工程船主柴油機(jī)上排氣系統(tǒng)為例，通過(guò)分析優(yōu)化前的排氣系統(tǒng)布置中廢氣渦輪增壓器頻頻出現(xiàn)裂紋故障的原因，同時(shí)應(yīng)用排氣管熱力學(xué)分析方法，提出主柴油機(jī)排氣系統(tǒng)布置優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，新設(shè)計(jì)方案有效地杜絕了類似故障的再次發(fā)生，并降低了船舶運(yùn)營(yíng)成本和提高了經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：廢氣渦輪;增壓器;膨脹節(jié);主柴油機(jī);防范措施

1前言

船舶主柴油機(jī)，即船舶動(dòng)力裝置，是為各類船舶提供動(dòng)力的機(jī)械，更是全船的心臟，主柴油機(jī)對(duì)船舶的作用無(wú)可替代。20世紀(jì)初，柴油機(jī)開(kāi)始用于運(yùn)輸船舶，第一艘遠(yuǎn)洋柴油機(jī)船是1912年丹麥建造的“錫蘭迪亞”號(hào)，主柴油機(jī)為兩臺(tái)四沖程八缸柴油機(jī)，共1250馬力，每分鐘140轉(zhuǎn)，直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)螺旋槳。1914年柴油機(jī)船占全世界船舶總噸位0.5%，到1940年上升為20%。柴油機(jī)動(dòng)力裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是熱效率高，燃料消耗明顯地低于蒸汽機(jī)動(dòng)力裝置。隨著技術(shù)的發(fā)展，柴油機(jī)動(dòng)力裝置有了一系列的改進(jìn)，其中主要之一的技術(shù)革新是出現(xiàn)了增壓器的配置，增壓器提高了柴油機(jī)的功率和經(jīng)濟(jì)性能，也使柴油機(jī)在發(fā)出同樣功率的條件下，柴油機(jī)的機(jī)體體積可以做的較小。船舶主柴油機(jī)排氣系統(tǒng)主要由管道、消音器、膨脹節(jié)、增壓器等組成。工程船上的主柴油機(jī)大部分采用中速?gòu)U氣渦輪增壓機(jī)型，廢氣渦輪增壓器將主柴油機(jī)排出廢氣的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，帶動(dòng)壓氣機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生虹吸作用，新鮮空氣被吸入壓氣機(jī)殼并使其密度增加和壓力提高，從而實(shí)現(xiàn)提高柴油機(jī)功率目的。由此可見(jiàn)，廢氣渦輪增壓器部件是否正常運(yùn)行對(duì)柴油機(jī)工作非常重要。

此類主柴油機(jī)在工作狀態(tài)下時(shí)，從廢氣渦輪增壓器排出的廢氣溫度范圍為300℃-550℃之間，排氣管和廢氣渦輪增壓器長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境下工作。優(yōu)化前的主柴油機(jī)排氣系統(tǒng)布置方案沒(méi)有充分考慮廢氣渦輪增壓器的工作環(huán)境，而只是在主柴油機(jī)排氣管中設(shè)置了垂向膨脹節(jié)，排氣管和廢氣渦輪增壓器在高溫工作環(huán)境下，會(huì)由于熱脹原理產(chǎn)生橫向和垂向（相對(duì)于主柴油機(jī)排氣管布置方向）變形，垂向變形會(huì)被設(shè)置的垂向膨脹節(jié)吸收，而橫向變形不能被吸收會(huì)產(chǎn)生附加作用力，附加應(yīng)力作用在廢氣渦輪增壓器本體上并使其產(chǎn)生裂紋，從而影響主柴油機(jī)的正常運(yùn)行。

為了糾正主柴油機(jī)排氣系統(tǒng)布置的設(shè)計(jì)缺陷，消除附加應(yīng)力對(duì)廢氣渦輪增壓器的影響，杜絕廢氣渦輪增壓器產(chǎn)生裂紋故障的現(xiàn)象，重新對(duì)主柴油機(jī)排氣管路的布局及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出在主柴油機(jī)排氣管在高溫工作環(huán)境下發(fā)生變形的橫向及垂直方向均設(shè)置能夠吸收其膨脹變形的膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)實(shí)踐證明，廢氣渦輪增壓器再未出現(xiàn)裂紋故障。

2優(yōu)化前設(shè)計(jì)缺陷成因分析

2.1優(yōu)化前的設(shè)計(jì)說(shuō)明

工程船上主柴油機(jī)排氣管路布置成∽型，由壁厚為5mm、外徑為φ460mm左右的無(wú)縫鋼管加工而成，材質(zhì)為Q235-A。主柴油機(jī)在工作狀態(tài)下，從廢氣渦輪增壓器排出的廢氣溫度范圍在300℃-550℃之間，主柴油機(jī)排氣管和廢氣渦輪增壓器長(zhǎng)時(shí)間在高溫條件下工作。

在優(yōu)化前的設(shè)計(jì)中，考慮到主柴油機(jī)排氣管受熱膨脹變形的影響，在主柴油機(jī)排氣管的下端（與廢氣渦輪增壓器上法蘭連接處）設(shè)置了有吸收主柴油機(jī)排氣管變形的膨脹節(jié)（見(jiàn)圖1），然而，此設(shè)計(jì)方案中的膨脹節(jié)只能吸收主柴油機(jī)排氣管的垂向變形，主柴油機(jī)排氣管的橫向變形無(wú)法得到有效釋放。主柴油機(jī)排氣管在高溫條件下受熱膨脹影響產(chǎn)生的附加作用力過(guò)大導(dǎo)致廢氣渦輪增壓器連接法蘭產(chǎn)生裂紋。

2.2 廢氣渦輪增壓器安裝容許力

根據(jù)廢氣渦輪增壓器安裝要求，主柴油機(jī)排氣管受熱膨脹變形影響對(duì)廢氣渦輪增壓器的作用力不得超過(guò)圖2所列的值，為便于比較，將其轉(zhuǎn)換為kN-m的單位制（見(jiàn)表1）。

2.3 主柴油機(jī)排氣管對(duì)廢氣渦輪增壓器作用力校核

通過(guò)采用主柴油機(jī)排氣管的熱力學(xué)分析方法得到了優(yōu)化前排氣管系統(tǒng)高溫條件下對(duì)廢氣渦輪增壓器的附加作用力，結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3及圖4可知，優(yōu)化前設(shè)計(jì)（對(duì)應(yīng)工況1）中，排氣管膨脹變形產(chǎn)生的附加作用力隨著溫度的升高而增加，溫度在300℃-550℃間變化時(shí)，其附加作用力：①軸向作用力RFx在130kN-210kN之間變化;②附加彎矩RMz在190kNm-311.6kNm之間變化。

可見(jiàn)，無(wú)論是軸向作用力還是附加彎矩均大大超過(guò)了廢氣渦輪增壓器安裝容許力要求，考慮到主柴油機(jī)排氣管上端的微小變形，主柴油機(jī)排氣管下端對(duì)廢氣渦輪增壓器的作用力比計(jì)算值要小，可以推斷其值仍會(huì)超過(guò)廢氣渦輪增壓器的安裝容許值;需要說(shuō)明的是，工況2對(duì)應(yīng)的是在主柴油機(jī)排氣管中只設(shè)置橫向膨脹節(jié)的方案，在這種布置方案下，排氣管對(duì)廢氣渦輪增壓器產(chǎn)生的附加作用力也大大超過(guò)了增壓器安裝容許力，但比在主柴油機(jī)排氣管中設(shè)置垂向膨脹節(jié)的方案產(chǎn)生的附加作用力要小。由此可見(jiàn)，在主柴油機(jī)排氣管中只設(shè)置垂向或橫向膨脹節(jié)的方案不能有效地保護(hù)廢氣渦輪增壓器，都會(huì)在廢氣渦輪增壓器上產(chǎn)生大于容許值的附加作用力，最終導(dǎo)致廢氣渦輪增壓器產(chǎn)生裂紋。

3優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的理論依據(jù)

工程船上主柴油機(jī)排氣管路布置成∽型，通過(guò)采用熱力學(xué)分析方法可得出主柴油機(jī)排氣管在高溫工作條件下熱膨脹變形值，結(jié)果如圖5-圖7所示。由圖可知，溫度越高，變形量越大。如果在主柴油機(jī)排氣管中只設(shè)置垂向膨脹節(jié)，排氣管的最大垂向變形量將達(dá)到27mm;如果在主柴油機(jī)排氣管中只設(shè)置橫向膨脹節(jié)時(shí)，排氣管的最大橫向變形量為18mm;如果在主柴油機(jī)排氣管中設(shè)置橫向和縱向膨脹節(jié)，排氣管在兩個(gè)方向的最大變形量分別為10mm和16mm。這意味著我們?cè)谶x用膨脹節(jié)時(shí)，必須選用能吸收變形量超過(guò)30mm的膨脹節(jié)，考慮到其中一個(gè)膨脹節(jié)失效的特殊情況。

4優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

由以上分析可知，在現(xiàn)有工程船主柴油機(jī)排氣管系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上的優(yōu)化措施為：在主柴油機(jī)排氣管在高溫工作條件下發(fā)生變形的兩個(gè)方向均設(shè)置能夠吸收其膨脹變形的膨脹節(jié)。膨脹節(jié)的選用規(guī)格為能夠吸收30mm變形量，這樣就可以防止主柴油機(jī)廢氣渦輪增壓器因受外力而損壞。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案示意圖見(jiàn)圖8。

5應(yīng)用效果分析

工程船上主柴油機(jī)運(yùn)行2～3年后，廢氣渦輪增壓器容易出現(xiàn)不同程度的裂縫故障。廢氣渦輪增壓器一旦出現(xiàn)裂縫，必須立即停航搶修，一般情況搶修需花費(fèi)一天時(shí)間。修理費(fèi)用約8000元，工程船停航一天的損失約100000元，修理費(fèi)用及停航一天帶來(lái)的損失較大。通過(guò)對(duì)主柴油機(jī)排氣布置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主柴油機(jī)廢氣渦輪增壓器未出現(xiàn)裂縫故障。因此，工程船上主柴油機(jī)排氣布置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，成功杜絕了廢氣渦輪增壓器的裂縫故障的發(fā)生，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

6結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)放緩，航運(yùn)業(yè)發(fā)展前景十分悲觀，航運(yùn)業(yè)供過(guò)于求的行情依然持續(xù)，我國(guó)航運(yùn)企業(yè)特別是小型航運(yùn)企業(yè)眾多，除少數(shù)幾家中央大型航運(yùn)企業(yè)集團(tuán)外，其他航運(yùn)企業(yè)尤其是沿海航運(yùn)企業(yè)面臨的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。一家小型航運(yùn)企業(yè)要想在如此惡劣環(huán)境下生存下去，就必須加強(qiáng)內(nèi)部管理，減少設(shè)備故障率，增加船舶出勤率，而對(duì)工程船上主柴油機(jī)排氣管系布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是一項(xiàng)加強(qiáng)船舶設(shè)備管理和降低船舶運(yùn)營(yíng)成本的措施，同時(shí)也在惡劣的外部環(huán)境下提升了競(jìng)爭(zhēng)力。

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