RTA型主機(jī)增壓器喘振分析

林建偉

摘? ? 要：結(jié)合RTA型柴油機(jī)增壓器喘振故障實(shí)例，介紹了RTA型主機(jī)增壓器結(jié)構(gòu)及工作原理，分析了增壓器喘振的機(jī)理及原因，同時(shí)介紹了RTA型主機(jī)的噴油定時(shí)調(diào)整方法和注意事項(xiàng)。最終，消除并解決了RTA型主機(jī)增壓器喘振故障，為類(lèi)似的主機(jī)修理提供參考。

關(guān)鍵詞：RTA機(jī)型;主機(jī)增壓器;喘振;高壓油泵;噴油定時(shí)調(diào)整

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.12 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： With RTA diesel engine turbocharger surge failure as an example， this paper introduces the structure and working principle of the RTA turbocharger， analyzes the mechanism and reason of the turbocharger surge， states the RTA main engine fuel injection timing adjustment method and points for attention， eventually eliminates and solves the turbocharger surge fault. It provides reference for the maintenance of similar mainframes.

Key words： RTA model; Main engine turbocharger; Surge; High pressure oil pump; Fuel injection timing adjustment

1? ? 前言

78 000 DWT《盛XX》散貨船于2008年投入營(yíng)運(yùn)。2019年5月在航行過(guò)程中，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到88 r/min時(shí)，主機(jī)增壓器發(fā)生喘振，主機(jī)無(wú)法加負(fù)荷，船東決定停航修理。

2? ? 主機(jī)增壓器工作原理、喘振機(jī)理及原因分析

該船采用RTA型主機(jī)，其主要參數(shù)如下：

2.1? ?增壓器工作原理

柴油機(jī)在排氣沖程中，當(dāng)高溫高壓的廢氣通過(guò)廢氣渦輪增壓器的廢氣端時(shí)，推動(dòng)廢氣葉輪高速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)同軸的壓氣葉輪高速旋轉(zhuǎn);當(dāng)壓氣葉輪旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，在葉輪間的空氣隨葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，氣體往葉輪外端流動(dòng)，并在空氣進(jìn)口端產(chǎn)生負(fù)壓，使新鮮空氣被吸入進(jìn)氣道;由于進(jìn)氣道是漸縮流道，在進(jìn)氣道中流速提高，壓力、溫度略有降低，氣流以均勻、軸向地進(jìn)入壓氣葉輪，隨葉輪高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生離心力，空氣向葉輪外緣流動(dòng)并被壓縮，氣體的流速、壓力、溫度都提高了。這是由于葉輪對(duì)氣體做功，把葉輪的機(jī)械能變成了氣體的動(dòng)能和壓力能，起到了增壓的作用，氣體被壓縮時(shí)也升高了溫度。

2.2? ?增壓器喘振的機(jī)理分析

增壓器產(chǎn)生喘振的機(jī)理：當(dāng)空氣流量小于一定設(shè)計(jì)值時(shí)，會(huì)在葉輪進(jìn)口和擴(kuò)壓器葉片內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流分離，如圖1、圖2所示。

（1） 當(dāng)流量等于或接近設(shè)計(jì)流量值時(shí)，氣流平順地流進(jìn)葉片前緣和擴(kuò)壓器，與葉輪葉片、擴(kuò)壓器葉片既不發(fā)生撞擊，也不產(chǎn)生分離，故不會(huì)產(chǎn)生喘振，見(jiàn)圖1 a）、圖2 a）所示;

（2） 當(dāng)流量大于設(shè)計(jì)流量值時(shí)，氣流在葉輪葉片前緣沖向葉片的凸面，與葉片的凹面發(fā)生分離（見(jiàn)圖1 b）、圖2 b）所示）;在擴(kuò)壓器中氣流沖向葉片的凹面，由于葉輪葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)壓向氣流的分離區(qū)，擴(kuò)壓器中氣流的圓周流動(dòng)也壓向氣流的分離區(qū)，氣流的分離區(qū)受到限制，不會(huì)隨流量的增加而過(guò)分地?cái)U(kuò)大，故不會(huì)產(chǎn)生喘振;

（3） 當(dāng)流量小于設(shè)計(jì)流量時(shí)（見(jiàn)圖1 c）、圖2 c）所示），氣流在葉輪葉片前緣沖向葉片的凹面，與葉片的凸面發(fā)生分離;擴(kuò)壓器中的氣流沖向葉片的凸面，與葉片的凹面發(fā)生分離。由于葉輪葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)中要離開(kāi)氣流分離區(qū)，而擴(kuò)壓器中氣流的圓周流動(dòng)也使氣流離開(kāi)氣流分離區(qū)，氣流分離區(qū)有擴(kuò)展的趨勢(shì)，隨著流量的減少，氣流分離區(qū)會(huì)愈來(lái)愈大，在葉輪和擴(kuò)壓器中形成了倒流，發(fā)生不穩(wěn)定流動(dòng)，最終導(dǎo)致喘振的產(chǎn)生;擴(kuò)壓器葉片內(nèi)氣流分離的擴(kuò)展是喘振的主要原因，而葉輪進(jìn)口處氣流分離的擴(kuò)展會(huì)使喘振加劇。

2.3? ?增壓器喘振原因分析

造成增壓器喘振的原因較多，最根本原因是由于壓氣機(jī)的實(shí)際流量小于該轉(zhuǎn)速下引起喘振的限制流量，造成氣流與葉片的強(qiáng)烈撞擊與脫離。具體原因如下：

（1） 壓氣機(jī)、渦輪機(jī)氣流通道賭塞，是增壓器發(fā)生喘振最常見(jiàn)的原因。如臟污、結(jié)炭、變形等，都會(huì)因流阻增大而使壓氣機(jī)流量減少、背壓升高，引起喘振。其中，容易臟堵的部件是進(jìn)口濾器、壓氣機(jī)葉輪和擴(kuò)壓器、氣缸進(jìn)氣口和排氣口、渦輪的噴嘴環(huán)和葉輪等;

（2） 因航行條件變化導(dǎo)致喘振。當(dāng)船舶滿(mǎn)載頂風(fēng)航行時(shí)，因阻力增加造成主機(jī)負(fù)荷加大。柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)、高負(fù)荷下運(yùn)行，容易引起增壓器和柴油機(jī)的運(yùn)行不匹配，從而出現(xiàn)喘振;船舶在風(fēng)浪較大海況航行時(shí)，柴油機(jī)的負(fù)荷時(shí)大時(shí)小，也會(huì)發(fā)生喘振;

（3） 柴油機(jī)本身的故障，會(huì)造成增壓器與柴油機(jī)的運(yùn)行失配而導(dǎo)致喘振。若柴油機(jī)噴油設(shè)備出現(xiàn)故障，如噴油定時(shí)有誤會(huì)造成柴油機(jī)燃燒不良、后燃嚴(yán)重，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降、排溫升高、廢氣能量增加，使增壓器轉(zhuǎn)速升高、供氣量增加，破壞了柴油機(jī)和增壓器正常的匹配關(guān)系，導(dǎo)致壓氣機(jī)在高背壓、小流量的狀態(tài)下工作，發(fā)生增壓器喘振。

3? ? ?主機(jī)增壓器喘振實(shí)例及原因分析

3.1? ? 故障現(xiàn)象

《盛XX》輪航行過(guò)程中，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到88 r/min時(shí)主機(jī)增壓器發(fā)生喘振，主機(jī)無(wú)法加負(fù)荷，柴油機(jī)的負(fù)荷限制與燃油限制也常有動(dòng)作。

根據(jù)航行記錄，主機(jī)在低負(fù)荷的情況下排溫偏高，如表1所列。

3.2? ?原因分析

根據(jù)增壓器喘振的理論分析，結(jié)合《盛XX》輪航行過(guò)程中主機(jī)增壓器發(fā)生喘振情況，進(jìn)行了案例原因分析：

（1） 《盛XX》輪于2019年3月對(duì)增壓器進(jìn)行拆檢時(shí)，對(duì)掃氣道進(jìn)行了清潔，故臟堵造成增壓器喘振的原因可以排除;

（2） 在內(nèi)航道航行時(shí)（空載、無(wú)風(fēng)浪），《盛XX》輪主機(jī)增壓器仍有喘振現(xiàn)象，故因航行條件大變化而造成增壓器喘振的原因可以排除;

（3） 由于柴油機(jī)本身存在故障，噴油定時(shí)有誤是造成《盛XX》輪主機(jī)增壓器喘振現(xiàn)象的主要原因。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員所反饋的情況和運(yùn)行參數(shù)，從排溫高、無(wú)法加負(fù)荷、冒黑煙、增壓器喘振等現(xiàn)象判斷，可以初步推斷柴油機(jī)發(fā)生了后燃，故決定對(duì)噴油定時(shí)做進(jìn)一步復(fù)核。

3.3? ?噴油定時(shí)復(fù)核

SULZER 5RTA62U主機(jī)的高壓油泵是始終點(diǎn)組合式高壓油泵。復(fù)核一次定時(shí)需要的時(shí)間長(zhǎng)、檢查的數(shù)據(jù)多，為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性需要認(rèn)真對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核;經(jīng)過(guò)重新對(duì)主機(jī)定時(shí)的復(fù)核，發(fā)現(xiàn)除了NO.4缸外，其他4個(gè)缸的噴油提前角都有不同程度的滯后，其中NO.2缸滯后特別嚴(yán)重，如表2所列。

從表2的定時(shí)復(fù)核數(shù)據(jù)可以看出：該主機(jī)的噴油提前角明顯滯后，從而造成了柴油機(jī)的燃燒工況不良、后燃嚴(yán)重、排溫高、冒黑煙、功率下降、增壓器喘振等后果。為此，決定對(duì)該柴油機(jī)噴油定時(shí)全部進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整之后，經(jīng)過(guò)實(shí)船試驗(yàn)與檢驗(yàn)，排溫高、無(wú)法加負(fù)荷、冒黑煙、增壓器喘振等故障得到了消除。

4? ? 始終點(diǎn)式高壓油泵原理及調(diào)整

當(dāng)驅(qū)動(dòng)滾輪走到基圓終點(diǎn)時(shí)，柱塞就開(kāi)始上升，只要進(jìn)油閥（S）仍開(kāi)著，噴油泵還不能開(kāi)始噴油（見(jiàn)圖3a），這時(shí)泵的壓油空間與進(jìn)油空間是連通的，只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)活塞進(jìn)一步上升，通過(guò)控制杠桿讓進(jìn)油閥的頂桿降低到使進(jìn)油閥（S）落到閥座上時(shí)（見(jiàn)圖3 b）），燃油才能從高壓油管排出并通過(guò)噴油器噴出，這個(gè)時(shí)刻稱(chēng)為有效噴油始點(diǎn)，此時(shí)的柴油機(jī)飛輪轉(zhuǎn)角為噴油提前角。

出油閥不是機(jī)械控制的，它的作用如同一個(gè)止回閥，只要閥前壓力大于閥后壓力就會(huì)保持開(kāi)啟，當(dāng)柱塞繼續(xù)上升時(shí)，回油閥（U）頂桿繼續(xù)上升（見(jiàn)圖3c）），當(dāng)回油閥（U）一開(kāi)，出油閥立即自動(dòng)關(guān)閉，這個(gè)時(shí)刻為有效噴油終止點(diǎn)，稱(chēng)為噴油終點(diǎn)。噴油終點(diǎn)是可以根據(jù)偏心軸的調(diào)節(jié)位置而改變的，回油閥開(kāi)得晚些有效噴油行程就大些，反之行程就小些。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)到凸輪的頂圓上時(shí)，回油閥根據(jù)偏心軸的調(diào)節(jié)位置的不同保持開(kāi)啟狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)滾輪一過(guò)燃油凸輪頂點(diǎn)，柱塞的吸油行程就開(kāi)始，這時(shí)在柱塞的抽吸作用和進(jìn)油空間壓力的共同作用下進(jìn)油閥開(kāi)啟;當(dāng)柱塞向下完成全部有效行程后，進(jìn)油閥又被頂桿頂開(kāi)，直到下一個(gè)有效行程開(kāi)始為止。，此后，上述動(dòng)作就重復(fù)循環(huán)。

5? ? RTA機(jī)型噴油定時(shí)調(diào)整的方法

RTA機(jī)型的定時(shí)調(diào)整，與上述始終點(diǎn)式高壓油泵的調(diào)整方法一樣。在調(diào)整之前，一定要將定時(shí)調(diào)節(jié)桿先鎖死在0o的位置（見(jiàn)圖4），否則調(diào)整出來(lái)的定時(shí)是不正確的。由于RTA型主機(jī)有一套隨主機(jī)的負(fù)荷不同而改變噴油定時(shí)的裝置，在負(fù)荷和轉(zhuǎn)速較低的情況下提前角會(huì)變小;在負(fù)荷和轉(zhuǎn)速較高的情況下，提前角會(huì)變大，從而加大各缸爆炸壓力，達(dá)到設(shè)計(jì)工況。

RTA62U型主機(jī)的噴油提前角較?。ò凑f(shuō)明書(shū)要求調(diào)整的提前角為2°）。當(dāng)沒(méi)有將調(diào)節(jié)桿鎖死的時(shí)候，柴油機(jī)的連鎖裝置會(huì)按柴油機(jī)高負(fù)荷的狀態(tài)將提前角置于最大的角度，也就是提前角會(huì)加大2.5°，所以在調(diào)定2°提前角的時(shí)候如果沒(méi)有將調(diào)節(jié)桿置先鎖死在0°位置，按柴油機(jī)在最大負(fù)荷狀況下調(diào)整出來(lái)的數(shù)據(jù)提前角就減小了2.5°;當(dāng)柴油機(jī)在低負(fù)荷及低速工作的時(shí)候，提前角是在上死點(diǎn)后0.5°或以上;在高速或負(fù)荷大的情況下，提前角是2.5°;假如主機(jī)在高負(fù)荷正常運(yùn)轉(zhuǎn)的話(huà)，柴油機(jī)的提前角應(yīng)達(dá)到4.5°，因此在調(diào)定時(shí)調(diào)節(jié)桿位置時(shí)先鎖死在0°位置是非常關(guān)鍵的，調(diào)節(jié)桿角度不同提前角也不同，不能簡(jiǎn)單按說(shuō)明書(shū)要求調(diào)整2°提前角。

6? ? ?結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)此次《盛XX》輪RTA型主機(jī)喘振現(xiàn)象實(shí)例分析，排查出主機(jī)喘振的主要原因，最終消除和解決了主機(jī)增壓器喘振故障。該輪在往后的營(yíng)運(yùn)中，沒(méi)有再出現(xiàn)排溫高、無(wú)法加負(fù)荷、冒黑煙等現(xiàn)象，為今后類(lèi)似的主機(jī)修理積累了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] SULZER RTA52 主機(jī)說(shuō)明書(shū).

[2] 黃步松，呂鳳鳴. 船舶柴油機(jī)[M].北京：人民交通出版社.