船舶渦輪增壓器的常見故障診斷與改進措施

俞 劍 李飛宇 徐 飛

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

從船舶增壓器發(fā)展歷程來看，初期應(yīng)用的都是機械增壓技術(shù)，機械增壓器是以汽油機尾氣排量不增加為前提，使得動力輪輸出有所提高，直接借助汽油機的局部動力以帶動增壓器，再將增壓后的高密度空氣壓送到氣缸內(nèi)以促使汽油機輸出功率的提高。然而，在汽油機高速運行時，機械增壓則會發(fā)生進氣效率低的問題，進而造成增壓器效率相對偏低，無法達到既定效果。在此背景下，人們以機械增壓器為前提開發(fā)出了渦輪增壓器，同時將其大量運用于船舶主體中。

1 船舶渦輪增壓器概述

渦輪增壓器屬于空氣壓縮機范疇，主要是利用壓縮空氣以提高進氣量。其通過發(fā)動機所排出的廢氣慣性沖力以帶動渦輪室中的渦輪，再由渦輪帶動著同軸的葉輪；從空氣濾清器管道中進入的空氣，由葉輪壓送到氣缸中。如果發(fā)動機的轉(zhuǎn)動速度增加，則渦輪轉(zhuǎn)動速度和廢氣排出速度同樣會隨之增加，就會有更多的空氣通過葉輪壓入到氣缸中，空氣密度及壓力的增加會消耗更多的燃料，對應(yīng)地調(diào)整發(fā)動機轉(zhuǎn)動速度及燃料量，便能夠大大提高發(fā)動機的輸出功率。渦輪增壓器的優(yōu)缺點如下：

從渦輪增壓器的優(yōu)點來看，渦輪增壓器可以在柴油機運行容積不發(fā)生變化的基礎(chǔ)上，使得柴油發(fā)動機的扭矩和功率有所提高，同時可以減少排放和油耗及；完全滿足當前“功率大、船型小”的需求。

從渦輪增壓器的缺點來看，一方面，渦輪遲滯。由于渦輪增壓主要是利用廢氣驅(qū)動的方式，首先應(yīng)形成廢氣，增壓器才可運作，因此渦輪增壓器的工作與柴油發(fā)動機汽缸相比具有一定的滯后性，并且因為泵輪和渦輪高速轉(zhuǎn)動時有著極大的慣性，在發(fā)動機工況發(fā)生變化時，增壓器響應(yīng)有所遲滯，尤其是加速性能相較于自然吸氣發(fā)動機比較差，此即渦輪遲滯問題。例如：在柴油快艇對航道進行日常巡查時，主機在轉(zhuǎn)速達到3600 轉(zhuǎn)時急劇減少油門、降低轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速漸漸降至1000 轉(zhuǎn)，此時再次加大油門、提高轉(zhuǎn)速，此時因為之前減少油門、降低轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致進氣壓力下降，如果再次加大油門，則需重新形成高進氣壓力，從加大油門至增壓空氣燃燒，在此過程中有著較長的時間差，便可以體會到此種渦輪遲滯。另一方面，不得長期渦輪怠速。渦輪增壓器要想保持正常運行狀態(tài)，則需形成廢氣構(gòu)建相應(yīng)的壓力，若柴油機長期保持低轉(zhuǎn)速怠速狀態(tài)，不但會導(dǎo)致機油壓力無法建立、主機潤滑效果較差，對柴油機潤滑系統(tǒng)產(chǎn)生影響，還會引起機損事故[1]；與此同時，轉(zhuǎn)速較低難以吹動渦輪，造成氣缸進氣量大幅縮減，極易形成積碳，從而影響到噴油嘴的壽命。

2 船舶渦輪增壓器故障因素分析

一方面，人員方面的因素。渦輪增壓器出現(xiàn)故障，其根本成因就是人員操作不當、維護保養(yǎng)不到位。船舶駕駛?cè)藛T采取不當?shù)牟僮餍问?，例如主機啟動熱車以后，才可漸漸加大油門而提高航速，部分駕駛員在開機后便直接加大油門，極易導(dǎo)致機器受傷；再如在船舶返航后，主機仍需保持怠速，而后才可關(guān)閉主機，部分駕駛員在船舶停好后便直接關(guān)機，此同樣會導(dǎo)致機器受傷；部分輪機員并未定期對渦輪增壓器進行保養(yǎng)，例如更換機油、清洗空氣濾網(wǎng)等等，同樣極易導(dǎo)致渦輪增壓器發(fā)生故障。另一方面，機器方面的因素。第一，渦輪增壓器自身質(zhì)量較差，極易發(fā)生耗損而導(dǎo)致故障。市場中出售的渦輪增壓器質(zhì)量有好有壞且價格也不相同，難以確保其質(zhì)量[2]。第二，渦輪增壓器和主機配套存在問題，為避免出現(xiàn)“大牛拉小車”或者“小牛拉大車”的問題，需按照船舶主體功率來選擇渦輪增壓器，主機功率往往與燃油量、空氣成正比。如果主機排量及功率已經(jīng)確定，基于各種需求來選擇增壓器殼體尺寸，主要受氣流要求的影響。

3 船舶渦輪增壓器常見故障診斷及改進措施

3.1 喘振故障

近幾年內(nèi)，伴隨船舶應(yīng)用頻率與負載量的進一步增加，柴油機故障的發(fā)生率也在不斷上升，其中渦輪增壓器喘振就是比較常見的故障。如果渦輪增壓器發(fā)生喘振故障，會引起壓氣機葉輪損壞、軸承損壞以及柴油機粗暴工作等惡劣影響；如果喘振故障無法得到及時排除，柴油機僅可降低功率使用又或是關(guān)機停用，對船舶安全行駛有極大的負面影響。渦輪增壓器喘振是其獨有的特征，是在進氣量降低至某種程度時所出現(xiàn)的非正常工作狀況下的振動，往往呈現(xiàn)為壓氣機產(chǎn)生異常的波動，同時還會出現(xiàn)極大的吼叫聲。渦輪增壓器形成喘振的機理相對復(fù)雜，在壓氣機處在“高背壓、低流量”工作情況時，進入到壓氣機中的空氣流向和壓氣機葉片入口間就會形成沖角，當該角度達到某種程度時，壓氣機葉片和進氣流間就會出現(xiàn)異常的氣流分離，此氣流會周期反復(fù)產(chǎn)生，氣流速度、壓力以及流量等都會發(fā)生嚴重變化。

引起喘振故障的因素主要有以下幾種：第一，柴油機發(fā)生故障。柴油機因為各缸的負荷差異較大，噴油提前角滯后或者是提前，氣閥密性較差，噴油器霧化效果較差等狀況造成燃燒不佳、排溫上升，排出廢氣能量增長，進而引起增壓器轉(zhuǎn)動速度的加快，導(dǎo)致壓氣端出氣量小于吸氣量則會出現(xiàn)喘振故障。第二，增壓器發(fā)生故障。壓氣機葉輪發(fā)生破損或者是形變，會導(dǎo)致增壓能力下降，造成效率降低，引起流經(jīng)壓氣機的空氣量下降，進而造成喘振。噴嘴環(huán)發(fā)生形變，會導(dǎo)致廢氣流速加快、壓氣機進氣流量增加、增壓器轉(zhuǎn)速升高，進而導(dǎo)致喘振[3]。第三，柴油機與增壓器失配造成的喘振。柴油機和增壓器在各類工況下是互相匹配運行的，比如在柴油機卸負載過程中，供油量急劇下降，氣缸中所需要的空氣量大幅縮減，而增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度因為受慣性等因素的影響而難以同步降低，導(dǎo)致多余的空氣累積在壓氣端進口位置處而引起喘振；當柴油機的載荷發(fā)生極大變化又或是出現(xiàn)過載情況時，柴油機燃燒狀態(tài)不佳，排氣管的廢氣能量增加，造成增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度加快，導(dǎo)致壓氣機出氣量小于吸氣量而引起喘振。

喘振故障的具體改進措施如下：第一，對柴油機燃油霧化狀況進行監(jiān)控，不斷加大噴油器養(yǎng)護力度，防止柴油機在高負荷條件下各缸負荷出現(xiàn)不均勻的情況。第二，根據(jù)說明書規(guī)定對柴油機進行正確的保養(yǎng)，及時對氣閥間隙進行檢查，避免氣閥間隙發(fā)生過小或過大的現(xiàn)象，造成氣閥未完全關(guān)閉，發(fā)生燒蝕等問題。第三，避免柴油機的負荷急劇增加或者下降。第四，強化監(jiān)控柴油機的各類參數(shù)，如果發(fā)現(xiàn)問題需立即排除問題。第五，根據(jù)說明書規(guī)定定期對壓氣側(cè)、增壓器側(cè)、中冷器、進氣濾網(wǎng)等進行清洗，確保氣道的順暢性。

3.2 壓力升高或下降

導(dǎo)致渦輪增壓器壓力升高或者下降的因素主要有以下幾點：第一，供油系統(tǒng)發(fā)生異常。主要包括燃料后燃、噴油延遲等問題，導(dǎo)致廢氣能量大幅上升，氣缸排氣升溫，將會造成以下兩種影響：（1）進口能量大幅增加，使得增壓器轉(zhuǎn)動速度加快，進而造成壓力隨著渦輪轉(zhuǎn)速加快而上升；（2）渦輪流量降低，使得壓氣機運行點轉(zhuǎn)向于喘振線，導(dǎo)致掃氣壓力升高，并且造成排氣溫度急劇上升，更有甚者還會引起渦輪管與排氣管發(fā)紅，嚴重影響到渦輪機的性能。因此，在渦輪增壓器運行過程中需及時發(fā)現(xiàn)和排除故障，科學(xué)調(diào)節(jié)噴油定時，嚴格控制后燃現(xiàn)象，如此不但可以減少油料消耗，而且還可以保護好渦輪機。第二，壓氣機空氣濾器、渦輪噴嘴、擴壓器以及葉輪等由于長時間運行而發(fā)生臟污。在渦輪增壓器運作過程中，壓氣機從機艙中吸入空氣。機艙空氣中含有大量的灰塵及油霧，非常容易粘附于擴壓器與葉輪上。如果柴油機的負荷出現(xiàn)改變，則會由于柴油機使用劣質(zhì)燃油、燃油燃燒不到位或是燃油噴射系統(tǒng)運行不佳而導(dǎo)致柴油機排氣的碳粒與油霧含量較高，導(dǎo)致葉輪和渦輪噴嘴環(huán)積碳而造成柴油機出現(xiàn)臟污、積炭問題。如果流道臟污，則會導(dǎo)致流動阻力加大，大大影響效率，造成增壓壓力降低[4]。所以，需定期清潔渦輪增壓器，將渦輪噴嘴、空氣濾器以及葉輪上的臟污和積炭清理干凈，在渦輪增壓器運行過程中，需時常清洗旋轉(zhuǎn)部件，以保障渦輪增壓器維持良好的工況。第三，氣閥（口）過早開啟或出現(xiàn)漏氣。柴油機過早排氣導(dǎo)致渦輪進口出的溫度及壓力有所上升，會造成大量廢氣涌向渦輪機，渦輪機轉(zhuǎn)速加快，增壓壓力升高。對于此類狀況，合理的調(diào)整方式為延遲柴油機的排氣正時，使得燃氣在氣缸內(nèi)做更多的功，進而使排氣溫度及壓力降低，增壓壓力下降。在柴油機長期運作后，因為受機械故障、腐蝕或者磨損等因素的影響，導(dǎo)致排氣閥密封效果較差，燃氣從氣閥的間隙中漏出。因為燃氣溫度高、壓力大，事實上增加了渦輪進口氣體能量，因此會導(dǎo)致增壓壓力的升高。其主要改進方法如下：一方面，防止排氣閥過早開啟；另一方面，解決好排氣閥漏氣問題。

3.3 軸承燒損

對于渦輪增壓器而言，軸承是非常重要的部件，不但可確保轉(zhuǎn)子運行的可靠性和安全性，而且還可確保轉(zhuǎn)子精準固定增壓器是在輕負荷、高速、高溫環(huán)境下運行的，短期斷油、漏油或是油量偏少都會導(dǎo)致軸承器甚至是整個增壓器受損的嚴重事故。船舶柴油機在長時間運行以后，因為滑油的大量沉積而在滑油觀察鏡中轉(zhuǎn)變?yōu)槲酆?，?dǎo)致滑油虛假油位，在工作過程中極易導(dǎo)致視覺層面的誤差而造成渦輪增壓器的油量較少，滑油壓力相對偏低，更有甚者還會發(fā)生斷油問題，從而引起軸承燒損。如果軸承發(fā)生燒損，則會發(fā)出異常的聲音，渦輪增壓器的轉(zhuǎn)動速度就會急劇降低，而無法繼續(xù)正常運行。因此，在航行值班期間，如果發(fā)現(xiàn)渦輪增壓器的轉(zhuǎn)動速度大幅降低，運作聲音有所異常，需立即停車對渦輪增壓器進行檢查，否則會引起更加嚴重的事故。如果及時予以處理，只有軸承發(fā)生燒壞，只需更換軸承便可；如果轉(zhuǎn)子嚴重燒損，難以修復(fù)到最初狀態(tài)，而處在特殊情況無法停車時，可及時采取應(yīng)急方案關(guān)停已經(jīng)受損的增壓器，降低柴油機的負荷，保持低速運作狀態(tài)[5]。在日常維護管理過程中，尤其是值班巡回檢查時，應(yīng)重視對軸承潤滑油的溫度及壓力進行檢查，利用觀察鏡對潤滑油的流動狀況實施檢查，不得出現(xiàn)流量下降或者斷油的問題。

3.4 潤滑油漏失

渦輪增壓器通過長時間運作以后，密封襯套間的距離就會變大，機端軸封受到破壞而造成排氣進入到軸承箱中，導(dǎo)致軸承箱壓力急劇上升，箱蓋螺栓發(fā)生松動而導(dǎo)致潤滑油漏失問題。

3.5 增壓器超溫

一般情況下，導(dǎo)致增壓器超溫的因素主要有兩方面：一方面是增壓器冷卻水溫度太高，另一方面是潤滑油溫度超出上限。所以，在對機艙進行巡回檢查時，主要對渦輪增壓器的冷卻水溫度與潤滑油溫度展開檢查。

3.6 汽油機爆震

當出現(xiàn)汽油機爆震情況時，會造成發(fā)動機抖動、發(fā)出比較嚴重的噪聲，更有甚者船身同樣會感到明顯的抖動。其主要是因為燃燒室大量積碳、點火角過度提前、空燃比不符合要求、汽油機溫度過高、清潔度較差、燃油辛烷值偏低等。爆震問題會導(dǎo)致汽油機動力降低，造成噪聲與油耗的增加、排出大量的有害氣體；最為嚴重的問題是敲缸，會導(dǎo)致汽油機發(fā)生破損?，F(xiàn)階段，普通汽油機出現(xiàn)爆震情況的可能性很低，然而該問題在渦輪增壓器上依然存在。當前，解決渦輪增壓器汽油機爆震問題最直接、最有效的方式是確保增壓后的空氣溫度有所下降。因此，也就凸顯出中冷器對于渦輪增壓器的重要價值，由于中冷器可以有效降低通過增壓后的空氣溫度，以削弱高溫對于汽油機造成的負面影響。如果沒有經(jīng)過冷卻處理的、通過增壓后的空氣直接進入到燃燒室中參與燃燒，就會造成汽油機燃燒室的溫度急劇上升，引起爆震問題。相關(guān)研究表明：增壓以后的空氣溫度每降低10℃，汽油機的功率就可以增加3%～5%。

4 結(jié)論

綜上所述，渦輪增壓器是船舶十分重要的零部件之一，對船舶的安全行駛有著極其重要的意義。在船舶行駛過程中，受多方面因素的影響，導(dǎo)致渦輪增壓器發(fā)生各式各樣的故障。當前，船舶渦輪增壓器常見的故障主要有喘振、壓力升高或下降、軸承燒損、潤滑油漏失、增壓器超溫、汽油機爆震等。對于此，應(yīng)采取合理的改進措施，以確保船舶行駛的安全性。