船舶柴油機(jī)廢氣渦輪增壓器喘振故障分析與排除

宋承健

摘 要：分析造成船舶柴油機(jī)廢氣渦輪增壓器喘振的故障原因，并結(jié)合柴油機(jī)本身的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、頻繁的工況轉(zhuǎn)換、以及遠(yuǎn)洋船舶的航區(qū)廣泛的特點(diǎn)，分析并研究船舶柴油機(jī)廢氣渦輪增壓器發(fā)生喘振故障的原因、以及發(fā)生喘振故障后的排除方法和解決方式。

關(guān)鍵詞：船舶廢氣渦輪增壓器;故障分析;故障排除

0 引言

為了提高船舶柴油機(jī)的功率以及廢氣能量的再利用，世界各國(guó)的船舶柴油機(jī)多數(shù)采用廢氣渦輪增壓器。但隨著船齡的增加，廢氣渦輪增壓器不免會(huì)產(chǎn)生故障[1]。其中廢氣渦輪增壓器最常見的故障—喘振是很難分析和排除的故障。喘振事故一旦發(fā)生，就會(huì)嚴(yán)重影響柴油機(jī)的正常運(yùn)行，甚至?xí)a(chǎn)生破壞性的事故，影響船舶的正常航行。

1 喘振的故障機(jī)理

廢氣渦輪增壓器由壓氣機(jī)和廢氣渦輪兩部分組成如圖1所示。柴油機(jī)的廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪來(lái)帶動(dòng)壓氣機(jī)來(lái)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(wú)任何的機(jī)械聯(lián)系。只要增壓器與柴油機(jī)匹配合適在正常工作范圍內(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(guò)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)定如圖1所示。

2 廢氣渦輪增壓器喘振原因分析

壓氣機(jī)產(chǎn)生喘振的原因，是由于流量過(guò)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。喘振的根本原因就是小流量，高背壓。

對(duì)于二沖程柴油機(jī)來(lái)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)行原因以及增壓器和柴油機(jī)的運(yùn)行失配等[2]，而最主要的原因就是氣流通道的堵塞，氣流行進(jìn)過(guò)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，但如果在通道中產(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。

2.1 增壓器離喘振故障機(jī)理的數(shù)學(xué)分析

離心式壓氣機(jī)的特性曲線可用一條拋物線來(lái)描述。該特性曲線描述在低流量范圍內(nèi)，可壓縮流體的絕熱壓頭H與吸入氣體流量Q之間的關(guān)系，在低壓縮比下，H與壓縮比（p2/p1）近似成線性關(guān)系。假設(shè)線性關(guān)系成立，則有：

H=（p2/p1-1）（TS/W）=KsQ2

式中：Ks為比例系數(shù);p1、p2分別為增壓器壓氣機(jī)的入口壓力、出口壓力;TS為氣體熱力學(xué)溫度;Q為增壓器壓氣機(jī)入口體積流量;W為氣體的相對(duì)分子質(zhì)量。已知壓縮比，壓縮比p2/p1與流量Q近似呈拋物線關(guān)系。通過(guò)數(shù)學(xué)分析，可得出如圖2所示的離心式壓氣機(jī)特性曲線。

從圖2中可以看出：

（1）只要壓氣機(jī)的進(jìn)氣流量下降，無(wú)論轉(zhuǎn)速大小，增壓器都有可能出現(xiàn)喘振。

（2）在運(yùn)行工況發(fā)生比較劇烈的變化時(shí)，無(wú)論轉(zhuǎn)速和溫度高低，工況都有可能變化到喘振區(qū)，導(dǎo)致出現(xiàn)喘振故障。

（3）當(dāng)壓縮比增大（出口壓力增大或進(jìn)口壓力下降，即進(jìn)氣背壓增加）時(shí)，很容易出現(xiàn)喘振。

（4）轉(zhuǎn)速越大，柴油機(jī)穩(wěn)定工作區(qū)相對(duì)窄一些，容易出現(xiàn)喘振。

（5）同種轉(zhuǎn)速下，相對(duì)分子質(zhì)量越大越容易喘振。

（6）同種轉(zhuǎn)速下，溫度越高越容易出現(xiàn)喘振。

3 廢氣渦輪增壓器喘振的解決方式

3.1 在柴油機(jī)增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)中進(jìn)行故障排查

在該階段先檢查柴油機(jī)增壓器是否存在內(nèi)部問題。喘振故障發(fā)生后，工作人員將柴油機(jī)增壓器的護(hù)罩和外殼拆解下來(lái)，發(fā)現(xiàn)增壓器內(nèi)部清潔狀況良好，沒有異物存在，壓氣端轉(zhuǎn)軸運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沒有卡滯現(xiàn)象，而且增壓器進(jìn)氣濾網(wǎng)是進(jìn)氣更換的，沒有臟堵的可能。隨后，工作人員在對(duì)空氣冷卻器進(jìn)行故障排查，該船舶之前進(jìn)廠塢修時(shí)，空氣冷卻器已經(jīng)經(jīng)過(guò)了拆解、清潔、密封試驗(yàn)等維修步驟。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)人們對(duì)空氣冷卻器加以檢查，發(fā)現(xiàn)空氣冷卻器進(jìn)出冷卻水的壓力、水溫正常，且冷凝水放水孔沒有任何堵塞現(xiàn)象[3]。

3.2 將柴油機(jī)增壓器靠碼頭拆檢

初步檢查發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)增壓器表面故障問題，接下來(lái)應(yīng)將增壓器靠碼頭拆檢。先檢查增壓器的噴油器，如果單缸或兩缸不發(fā)火，這說(shuō)明主機(jī)各缸符合不均勻，柴油機(jī)增壓器因此而出現(xiàn)喘振故障。將船舶靠近碼頭后，維修人員深入檢查了增壓機(jī)主機(jī)各缸噴油器情況，打開壓力后觀察其霧化狀態(tài)。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)噴油器存在積炭堵塞情況和滴油現(xiàn)象。隨后，將完成校正的新噴油器安裝好，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)增壓器依然存在喘振故障問題。

檢查柴油機(jī)增壓器的進(jìn)排氣閥。因積碳嚴(yán)重問題導(dǎo)致閥門無(wú)法關(guān)閉嚴(yán)密，柴油機(jī)增壓器也會(huì)因此出現(xiàn)喘振問題。當(dāng)船舶停靠在碼頭后，工作人員對(duì)增壓器排氣門的密封情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)氣閥之間沒有間隙，閥桿與閥門底座之間的密封狀態(tài)良好，也沒有積碳現(xiàn)象。

對(duì)柴油機(jī)增壓器進(jìn)行高壓油泵的檢工作查。造成增壓器喘振故障的原因主要來(lái)自于高壓油泵無(wú)法正常供油，或者供油不均勻，導(dǎo)致各個(gè)缸的負(fù)荷情況不平衡。經(jīng)過(guò)拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)各高壓油泵沒有異常。檢查后，該船繼續(xù)出海，增壓器喘振故障依然存在，聯(lián)系廠家后決定更換增壓器。在廠家建議下，船舶避開主機(jī)在850 r/min～890 r/min的轉(zhuǎn)速下航行。

3.3 將柴油機(jī)增壓器進(jìn)廠修理

在固定轉(zhuǎn)速下，柴油機(jī)增壓器依然帶有喘振故障，該船舶進(jìn)場(chǎng)修理。工作人員對(duì)柴油機(jī)增壓器、空冷器、噴油器、進(jìn)排氣閥門等部件進(jìn)行檢查，對(duì)增壓器渦輪轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡檢查，未發(fā)現(xiàn)任何故障問題。最后發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)出廠時(shí)，柴油機(jī)與增壓器存在匹配問題，空冷器上有一個(gè)空氣導(dǎo)流板中途被拆除，重新定做并安裝空氣導(dǎo)流板后，喘振故障消失。

3.4 故障排除啟示與相關(guān)建議

根據(jù)以上故障排查的過(guò)程分析，遵循先判斷后檢驗(yàn)的原則分析增壓器是否存在故障情況。如果柴油機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有問題，且排煙正常，這說(shuō)明燃油系統(tǒng)可能不存在故障問題。采用海水冷卻方法進(jìn)行故障排除分析，由于其他轉(zhuǎn)速情況下柴油機(jī)能夠正常運(yùn)行，這說(shuō)明中冷器沒有因結(jié)垢而出現(xiàn)制冷效果降低的問題。因此，該柴油機(jī)增壓器的故障可能與進(jìn)排氣系統(tǒng)和中冷器冷卻效果差有關(guān)。打開外部罩殼，查看氣門間隙是否正?；蛴行孤?，打開柴油機(jī)增壓器罩殼，查看內(nèi)部清潔良好，拆下中冷器發(fā)現(xiàn)沒有空氣導(dǎo)流板，排除故障。

關(guān)于柴油機(jī)增壓器喘振故障的排除建議，具體如下：（1）喘振故障排除啟示。柴油機(jī)進(jìn)廠塢修或大修時(shí)，應(yīng)安排柴油機(jī)使用者積極參與到柴油機(jī)修理工作中，提升使用者的維修能力，加強(qiáng)對(duì)各方面知識(shí)的了解，以便更好地掌握與柴油機(jī)有關(guān)的故障問題。廠家在柴油機(jī)出廠組裝時(shí)應(yīng)以書面形式向用戶提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，方便用戶及時(shí)檢查柴油機(jī)的故障問題。船舶柴油機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要長(zhǎng)期在惡劣的環(huán)境下工作，分析并排除故障時(shí)不能只依靠經(jīng)驗(yàn)，還要根據(jù)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合故障機(jī)理找出故障[4]。（2）柴油機(jī)增壓器使用維護(hù)建議。因柴油機(jī)長(zhǎng)期高負(fù)荷與頻繁改變工況，導(dǎo)致柴油機(jī)性能下降，應(yīng)縮短柴油機(jī)在空車時(shí)的運(yùn)行時(shí)間，減少噴油器積碳。柴油機(jī)在超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，設(shè)備供油量、供氣量變化十分大，應(yīng)避免柴油機(jī)在超負(fù)荷狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，時(shí)刻關(guān)注冷卻系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，避免因冷卻效果不理想而引發(fā)柴油機(jī)喘振。某船在海上航行時(shí)，直列式柴油機(jī)在加速至 880 r/min時(shí)，增壓器開始斷續(xù)性喘振，輪機(jī)值班人員檢查后在中冷器、增壓器壓力均正常情況下，隨即請(qǐng)示駕駛室降速運(yùn)行。當(dāng)轉(zhuǎn)速降至840 r/min時(shí)，增壓器斷續(xù)喘振消失，隨后駕駛室試著給主機(jī)繼續(xù)加速，加速至900 r/min時(shí)也無(wú)喘振發(fā)生，也就是說(shuō)增壓器喘振在主機(jī)運(yùn)行850 r/min～890 r/min時(shí)產(chǎn)生。故障發(fā)生前，本船主機(jī)急減速至840 r/min左右時(shí)，偶爾喘振一下，但沒有斷續(xù)性的喘振。

4 結(jié)論

柴油機(jī)喘振是柴油機(jī)管理中常發(fā)的惡性故障，會(huì)引起增壓器轉(zhuǎn)子的劇烈振動(dòng)，造成軸承及葉片嚴(yán)重?fù)p壞，在柴油機(jī)使用管理中必須引起高度重視。大型船舶主柴油機(jī)由于增壓器串并聯(lián)轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，牽連設(shè)備多，需要加強(qiáng)日常進(jìn)排氣通道的檢查以及轉(zhuǎn)換裝置的保養(yǎng)，確保各種閥順利開閉。

大管輪在航行中若發(fā)生主機(jī)喘振現(xiàn)象，首先要詳細(xì)研讀主機(jī)說(shuō)明書，然后科學(xué)全面分析故障原因，合理判斷故障，最后有效排除故障，避免在排除故障時(shí)走彎路，做無(wú)用功，保證主機(jī)時(shí)刻處于最佳工況下運(yùn)行。同時(shí)也提醒我們的輪機(jī)管理人員，平時(shí)要多注重柴油機(jī)相關(guān)理論的學(xué)習(xí)，養(yǎng)成一絲不茍，嚴(yán)肅認(rèn)真，做到精通理論，技藝熟練，觀察敏銳，善于在錯(cuò)綜復(fù)雜的故障現(xiàn)象中，抓住主要矛盾，由表及里，去偽存真，不受表面現(xiàn)象的迷惑，找出真正的原因，給予正確的處置。

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