某船舶主機(jī)相繼增壓系統(tǒng)故障排查分析

李岐槽

（中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214400）

0 引言

相繼增壓系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代末德國(guó)MTU公司首先采用的新技術(shù)，設(shè)計(jì)主要是為了擴(kuò)大低壓縮比、高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍，增大發(fā)動(dòng)機(jī)的低速扭矩和降低部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的燃油消耗率。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷時(shí)燃油消耗率較低，簡(jiǎn)化增壓系統(tǒng)，相繼增壓系統(tǒng)往往采用定壓增壓或MPC增壓。

柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，增壓壓力和空氣流量急劇下降，為了擴(kuò)大高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行范圍，增大發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)矩，降低部分負(fù)荷的油耗，采用相繼渦輪增壓系統(tǒng)。相繼增壓系統(tǒng)簡(jiǎn)稱STC系統(tǒng)，由2臺(tái)或2臺(tái)以上渦輪增壓器并聯(lián)組成增壓系統(tǒng)，隨著增壓柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增長(zhǎng)，相繼按順序投入運(yùn)行。在轉(zhuǎn)速或負(fù)荷低于某設(shè)定值時(shí)，切斷1臺(tái)或幾臺(tái)增壓器渦輪的廢氣及壓氣機(jī)的空氣供給，增加廢氣流量，提高渦輪效率，從而能夠充分利用廢氣能量，提高增壓壓力，改善柴油機(jī)低工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性。而當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速或負(fù)荷高于某設(shè)定值時(shí)，令被切斷的1臺(tái)或幾臺(tái)增壓器重新投入使用，以保證柴油機(jī)的高工況性能。

1 某輪主機(jī)相繼增壓系統(tǒng)原理

某輪主機(jī)型號(hào)16VPAG280，16缸V型機(jī)，分A、B兩列各8個(gè)缸（飛輪端為1號(hào)缸），從飛輪端向自由端看，左側(cè)為A列8個(gè)缸，右側(cè)為B列8個(gè)缸。配備2臺(tái)JT304增壓器，并排安裝在飛輪端上方，左側(cè)為A列增壓器即基本增壓器，右側(cè)為B列增壓器即受控增壓器。該主機(jī)為陜西柴油機(jī)廠制造，采用了相繼增壓系統(tǒng)STC運(yùn)行模式。

相繼增壓系統(tǒng)STC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理如圖1所示。A、B兩列排氣管在靠近增壓器渦輪進(jìn)口處用1根聯(lián)通管連通，在B列增壓器（受控增壓器）渦輪前的排氣管段上，連通支管前安裝1個(gè)氣動(dòng)遙控蝶閥（稱為燃?xì)忾y），在壓氣機(jī)出口至空冷器之間的進(jìn)氣管上安裝1個(gè)氣動(dòng)遙控蝶閥（稱為空氣閥），這2個(gè)蝶閥處于關(guān)閉狀態(tài)，因此B列氣缸的廢氣經(jīng)過連通管與A列氣缸的廢氣一道進(jìn)入A列增壓器，即基本增壓器的渦輪，使A列增壓器（基本增壓器）處于高效工作狀態(tài)即為1TC狀態(tài)。當(dāng)主機(jī)負(fù)荷升高，A列增壓器的轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)A列增壓器轉(zhuǎn)速達(dá)到24800 r/min及以上，或者主機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到730 r/min及以上，或進(jìn)氣管內(nèi)壓力達(dá)到0.215 MPa及以上，STC控制儀根據(jù)信號(hào)控制燃?xì)忾y先打開，2～4 s后打開空氣閥，隨之B列增壓器投入運(yùn)行即為2TC狀態(tài)，A列增壓器轉(zhuǎn)速慢慢下降，B列增壓器轉(zhuǎn)速慢慢升高，2臺(tái)增壓器達(dá)到相同轉(zhuǎn)速，趨于平衡，同步工作。相反，主機(jī)從高工況向低工況運(yùn)行時(shí)，當(dāng)A列增壓器轉(zhuǎn)速降到12400 r/min及以下，或主機(jī)的轉(zhuǎn)速降到730 r/min及以下，或進(jìn)氣管內(nèi)壓力低于0.215 MPa時(shí)，STC控制儀將自動(dòng)關(guān)閉燃?xì)忾y和空氣閥，切除受控增壓器，使主機(jī)進(jìn)入1臺(tái)增壓器工作的狀態(tài)即1TC狀態(tài)[1]。

圖1 主機(jī)相繼增壓系統(tǒng)原理

A、B列氣缸廢氣管聯(lián)通管處設(shè)置1個(gè)氣動(dòng)遙控碟閥（稱為旁通閥），與空冷器進(jìn)氣管連接，主要是STC轉(zhuǎn)換時(shí)利用進(jìn)氣管內(nèi)高壓助推增壓器旋轉(zhuǎn)?？绽淦魃锨贿M(jìn)氣管設(shè)置一個(gè)氣動(dòng)遙控碟閥（稱為放氣閥），主要是當(dāng)進(jìn)氣管內(nèi)壓力大于0.4 MPa時(shí)泄放進(jìn)氣管內(nèi)高壓，防止增壓器喘振，進(jìn)氣管內(nèi)壓力低于0.35 MPa時(shí)關(guān)閉。

2 故障排查案例一

2.1 故障現(xiàn)象

某輪在試航過程中1號(hào)主機(jī)相繼增壓系統(tǒng)（STC）出現(xiàn)了故障，A列增壓器轉(zhuǎn)速達(dá)到24800 r/min、主機(jī)轉(zhuǎn)速也達(dá)到了730 r/min以上，STC控制儀自動(dòng)打開B列增壓器的燃?xì)忾y、空氣閥，但是B列增壓器沒有轉(zhuǎn)速顯示，A列增壓器轉(zhuǎn)速急劇下降，主機(jī)進(jìn)氣壓力下降，主機(jī)各缸排溫直線上升，以至于報(bào)警停車。反復(fù)多次試驗(yàn)，B列增壓器均顯示無轉(zhuǎn)速，相繼增壓失敗。

2.2 故障排查

1）檢查增壓器的測(cè)速探頭及傳輸信號(hào)線。A、B列的測(cè)速探頭及信號(hào)線互換，動(dòng)車試驗(yàn)，結(jié)果集控臺(tái)顯示B列增壓器有轉(zhuǎn)速，而A列增壓器無轉(zhuǎn)速，說明A、B列的測(cè)速探頭及信號(hào)線沒問題，問題出在B列增壓器本身。

2）檢查增壓器。增壓器的吸口濾網(wǎng)拆開，壓氣葉輪旋轉(zhuǎn)正常，軸向串動(dòng)間隙為0.20 mm，壓氣葉輪與壓氣殼間隙正常，沒發(fā)現(xiàn)明顯問題[2]。

3）懷疑B列增壓器進(jìn)出口的2個(gè)氣動(dòng)遙控蝶閥有問題，可能控制信號(hào)過來，蝶閥動(dòng)力部分運(yùn)作，反饋信號(hào)也有，閥頭沒動(dòng)作，即閥頭與閥桿連接鍵無效。拆開燃?xì)忾y、空氣閥、旁通閥及空冷器放氣閥，檢查沒問題。模擬STC控制信號(hào)，開關(guān)4個(gè)蝶閥，工作正常沒問題。

4）再次回過來，還是重點(diǎn)懷疑增壓器，將B列增壓器的測(cè)速探頭拆出，直接啟動(dòng)主機(jī)再次試驗(yàn)，當(dāng)開始2TC狀態(tài)時(shí)，從測(cè)速探頭的安裝孔中觀察增壓器的轉(zhuǎn)子，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子根本就沒有運(yùn)轉(zhuǎn)，而正常情況下此時(shí)B列增壓器轉(zhuǎn)速應(yīng)為12000 r/min。再次拆開增壓器濾網(wǎng)，仔細(xì)檢查，據(jù)了解此次修理工程中增壓器沒有解體修理，只是將濾網(wǎng)拆進(jìn)車間解體清潔了一下，現(xiàn)在目光全部集中在濾網(wǎng)上。圖2為該增壓器的剖面圖，再次細(xì)致察看剖面圖，發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)安裝測(cè)速探頭的殼體（見圖3）部分是突出濾網(wǎng)安裝法蘭面的，并延伸至壓氣殼內(nèi)，與葉輪端面（見圖4）非常接近，技術(shù)參數(shù)中沒有具體的間隙要求。再看濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，5片羊毛氈板由幾根貫穿螺栓緊固，羊毛氈板間又沒有定距套限定，貫穿螺栓的松緊會(huì)直接影響到安裝測(cè)速探頭的殼體與葉輪端面的間隙，間隙一旦過小或過盈，將會(huì)頂住葉輪，使轉(zhuǎn)子無法轉(zhuǎn)動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量安裝測(cè)速探頭的殼體與葉輪端面的間隙為-0.30 mm，而增壓器推力間隙為0.20 mm，兩者已經(jīng)有頂住的痕跡，問題已經(jīng)清楚，濾網(wǎng)頂住了轉(zhuǎn)子端面，導(dǎo)致增壓器無法轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 增壓器剖面

圖3 增壓器濾網(wǎng)

圖4 增壓器葉輪端面

2.3 故障解決

由于濾網(wǎng)設(shè)計(jì)缺陷，各羊毛氈板之間沒有定距套，濾網(wǎng)拆解不能確保安裝測(cè)速探頭的殼體與葉輪端面的間隙，且此間隙在技術(shù)參數(shù)中又沒有明確標(biāo)準(zhǔn)要求，所以導(dǎo)致故障發(fā)生。整改方法：在濾網(wǎng)各羊毛氈板間墊上合適的墊片，確保螺栓上緊后安裝測(cè)速探頭的殼體與葉輪端面間有一定的間隙。整改后1號(hào)主機(jī)航行試驗(yàn)相繼增壓系統(tǒng)工作正常，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足試驗(yàn)要求。

3 故障排查案例二

3.1 故障現(xiàn)象

某輪在試航過程中2號(hào)主機(jī)由進(jìn)三向進(jìn)四提速時(shí)加不上速，A列增壓器轉(zhuǎn)速達(dá)到18500 r/min左右，主機(jī)給定轉(zhuǎn)速905 r/min，而實(shí)際只達(dá)到了700 r/min，進(jìn)氣管內(nèi)壓力只達(dá)到0.15 MPa，轉(zhuǎn)速上不去，各缸排溫已高溫報(bào)警，煙囪濃煙滾滾，2TC狀態(tài)始終達(dá)不到轉(zhuǎn)換要求，但B列增壓器已有1080 r/min的轉(zhuǎn)速。

3.2 故障排查

1）按常規(guī)慣例，主機(jī)由進(jìn)三向進(jìn)四提速，A列增壓器轉(zhuǎn)速應(yīng)達(dá)到24800 r/min左右，主機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速905 r/min，STC控制儀應(yīng)自動(dòng)打開B列增壓器的2個(gè)蝶閥，開始2TC狀態(tài)工作。而現(xiàn)在該主機(jī)轉(zhuǎn)速、增壓器轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力都上不去，達(dá)不到2TC狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件，反而B列增壓器有1080 r/min的轉(zhuǎn)速，STC控制儀顯示正常，4個(gè)氣動(dòng)遙控碟閥顯示關(guān)閉。據(jù)施工鉗工反映，STC 4個(gè)氣動(dòng)遙控碟閥修理過，更換了氣動(dòng)部分的密封裝置。再據(jù)施工電工反映，STC 4個(gè)氣動(dòng)遙控碟閥安裝后模擬試驗(yàn)不正常，其中一個(gè)燃?xì)忾y開關(guān)顯示是反的，通知鉗工進(jìn)行確認(rèn)，說閥安裝沒問題。電工也沒再深究，直接將碟閥開關(guān)顯示反饋裝置內(nèi)行程凸輪重新設(shè)置了。問題集中在燃?xì)忾y上。

2）手動(dòng)控制模擬操作STC控制裝置，控制空氣正常輸入，開關(guān)放在1TC位置，STC控制裝置顯示4個(gè)遙控碟閥都處于關(guān)閉狀態(tài)，檢查4個(gè)遙控碟閥實(shí)際狀態(tài)，指示裝置都在關(guān)閉位置。手動(dòng)將開關(guān)放在2TC位置，STC控制裝置顯示放氣閥、旁通閥處于關(guān)閉狀態(tài)，燃?xì)忾y、空氣閥處于開啟狀態(tài)，檢查4個(gè)遙控碟閥實(shí)際狀態(tài)，與STC控制裝置顯示一致。但是發(fā)現(xiàn)燃油閥閥桿打開、關(guān)閉旋轉(zhuǎn)的方向與其它閥不一樣，從閥開到關(guān)閉閥桿應(yīng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而現(xiàn)在是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可以確定燃?xì)忾y開關(guān)方向不對(duì)，導(dǎo)致沒有關(guān)閉到位[3]。

3）解體檢查燃?xì)忾y及動(dòng)力執(zhí)行裝置，發(fā)現(xiàn)碟閥閥頭關(guān)閉旋轉(zhuǎn)方向錯(cuò)誤，閥頭關(guān)閉不密封。如圖5所示，為氣動(dòng)碟閥動(dòng)力執(zhí)行裝置原理，中間黑色齒輪為閥桿傳動(dòng)齒輪，與之配合的是2個(gè)活塞齒條。如圖5（a）所示，壓縮空氣由A口輸入，使左右的活塞齒條向兩邊運(yùn)動(dòng)，輸出軸逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，兩活塞外側(cè)的空氣由B口排出。如圖5（b）所示，壓縮空氣由B口輸入，使左右活塞向中間運(yùn)動(dòng)，輸出軸順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)閉閥門，兩活塞內(nèi)側(cè)的空氣由A口排出。若圖5中2個(gè)活塞齒條分別徑向轉(zhuǎn)動(dòng)180°安裝，運(yùn)行時(shí)就會(huì)帶動(dòng)中間的黑色傳動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)方向與原來的相反。

圖5 氣動(dòng)碟閥動(dòng)力執(zhí)行裝置原理圖

3.3 故障解決

故障原因是動(dòng)力執(zhí)行裝置的2個(gè)活塞齒條安裝時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)了180°，帶動(dòng)傳動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)閥方向發(fā)生變化，導(dǎo)致碟閥閥頭關(guān)閉位置錯(cuò)誤，不能密封。進(jìn)而使B列增壓器燃?xì)忾y沒有關(guān)閉到位，泄漏廢氣能量，A列增壓器達(dá)不到正常轉(zhuǎn)速，主機(jī)提不起轉(zhuǎn)速，2TC狀態(tài)始終達(dá)不到轉(zhuǎn)換要求。整改方法：正確安裝動(dòng)力執(zhí)行裝置的2個(gè)活塞齒條，重新設(shè)置開關(guān)指示信號(hào)。2號(hào)主機(jī)航行試驗(yàn)相繼增壓系統(tǒng)工作正常，提速正常，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足試驗(yàn)要求。

4 結(jié)語

相繼增壓系統(tǒng)是解決柴油機(jī)與增壓器匹配矛盾，提高柴油機(jī)低工況性能的有效方法。相繼增壓技術(shù)在柴油機(jī)上應(yīng)用由來已久，尤其在船舶上應(yīng)用較廣，對(duì)于剛剛涉及船舶的修理者掌握這些知識(shí)十分必要。對(duì)于船舶修理要以“嚴(yán)肅認(rèn)真、周到細(xì)致、穩(wěn)妥可靠、萬無一失”十六字方針為指導(dǎo)，做好船舶修理工作。