孫齊虎，呂運(yùn)，汪兆臣

(1.海軍士官學(xué)校，安徽 蚌埠 233012；2.91998部隊,遼寧 大連 116000 )

0 引言

為提高船舶柴油機(jī)的功率和效率，世界各國船舶柴油機(jī)多數(shù)采用廢氣渦輪增壓器。近年來，隨著船舶出海時間和頻率的不斷增加，廢氣渦輪增壓器發(fā)生故障也愈加頻繁[1-6]，而喘振故障則是廢氣渦輪增壓器最容易發(fā)生并且很難分析和排除的故障。喘振故障一旦發(fā)生，就會影響柴油機(jī)的正常運(yùn)行，甚至出現(xiàn)破壞性事故，影響船舶的航行安全。

1 增壓器喘振的故障機(jī)理

1.1 增壓器喘振故障的機(jī)理分析

圖1 離心式廢氣渦輪增壓器工作原理

離心式廢氣渦輪增壓器工作原理如圖1所示，廢氣渦輪增壓器由離心式壓氣機(jī)與廢氣渦輪同軸相連。廢氣渦輪在排氣能量的作用下轉(zhuǎn)動，帶動同軸的離心式壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動工作，實(shí)現(xiàn)對空氣的壓縮，提高進(jìn)氣壓力。

圖2 離心式壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)喘振機(jī)理

離心式壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)喘振機(jī)理如圖2所示，當(dāng)工況發(fā)生變化時，如果壓氣機(jī)的流量減小，就會在壓氣機(jī)流道中出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象，形成少量氣流旋渦。當(dāng)流量大大低于設(shè)計流量時，進(jìn)氣沖擊壓氣機(jī)葉片凹面, 在葉片凸面發(fā)生氣流分離現(xiàn)象，由于葉輪向前轉(zhuǎn)動進(jìn)一步擴(kuò)大了這種分離現(xiàn)象，導(dǎo)致進(jìn)入壓氣機(jī)的氣流嚴(yán)重撞擊葉片凹面,在凸面產(chǎn)生氣流旋渦和分離，這時壓氣機(jī)的出口壓力突然下降，但壓氣機(jī)出口的管道壓力來不及下降，從而導(dǎo)致管道中的氣體向壓氣機(jī)倒流，直到管道中壓力下降到低于壓氣機(jī)出口排氣壓力為止，壓氣機(jī)又恢復(fù)向管道供氣。然而，由于壓氣機(jī)進(jìn)氣流量不足，在壓氣機(jī)出口恢復(fù)到原來的壓力以后，又會在流道內(nèi)出現(xiàn)旋渦區(qū)，如此周而復(fù)始，壓氣機(jī)和管道內(nèi)的流量發(fā)生周期性變化，增壓器進(jìn)出口壓力大幅度脈動，同時伴隨著壓氣機(jī)葉輪產(chǎn)生劇烈振動，并發(fā)出沉重的喘息聲或吼叫聲，這就是壓氣機(jī)的喘振。

1.2 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描述[7-8]。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

,

(1)

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為氣體的相對分子質(zhì)量。根據(jù)式(1)，壓縮比p2/p1與流量Q近似呈拋物線關(guān)系。通過數(shù)學(xué)分析，可得出如圖3所示的離心式壓氣機(jī)特性曲線。從圖3中可以看出：

1)只要壓氣機(jī)的進(jìn)氣流量下降，無論轉(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，無論轉(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，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)相對窄一些，容易出現(xiàn)喘振。

5)同種轉(zhuǎn)速下，相對分子質(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。

a)轉(zhuǎn)速v對特性曲線的影響 b)分子量M對特性曲線的影響 c)溫度T對特性曲線的影響圖3 離心式壓氣機(jī)的特性曲線

2 基于故障樹的喘振故障原因分析

根據(jù)喘振產(chǎn)生機(jī)理和對離心式壓氣機(jī)喘振故障的數(shù)學(xué)分析可得，柴油機(jī)增壓器發(fā)生喘振的根本原因是相對進(jìn)氣量變小，導(dǎo)致進(jìn)氣量變小的主要因素有： 1)柴油機(jī)運(yùn)行工況發(fā)生突變； 2)增壓器的相對進(jìn)氣量變小； 3)進(jìn)氣背壓增大； 4)并聯(lián)的增壓器工作不均衡。

船舶柴油機(jī)相對于其他柴油機(jī)具有以下特點(diǎn)：

1)多為直列式和V型排列，一般一排氣缸使用一個增壓器；

2)船舶柴油機(jī)工作時間長、負(fù)荷大；

3)船舶柴油機(jī)(特別是主機(jī))工況變換頻繁；

4)船舶柴油機(jī)航區(qū)比較廣，經(jīng)常穿梭于寒區(qū)、溫區(qū)和熱區(qū)，環(huán)境溫度變化大；

5)船舶柴油機(jī)一般處于密閉的機(jī)艙，周圍空氣受通風(fēng)條件限制；

6)船舶柴油機(jī)橫傾、縱傾角度大，影響冷卻效果。

結(jié)合船舶柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，采用故障樹分析法，圖4為船舶柴油機(jī)增壓器喘振故障樹。根據(jù)圖4的分析結(jié)果，可將船舶柴油機(jī)增壓器出現(xiàn)喘振的可能原因總結(jié)如下：

1)柴油機(jī)因緊急情況或特殊情況而工況突變，如急加減速、突然接脫排、大風(fēng)浪、超負(fù)荷運(yùn)行等；

2)進(jìn)氣系統(tǒng)故障，包括進(jìn)氣系統(tǒng)部件臟堵、增壓器故障、背壓閥損壞、氣門組件故障、氣門間隙不合格等；

3)燃油系統(tǒng)故障，主要包括噴油器、噴油泵故障、供油提前角過小等；

4)冷卻系統(tǒng)故障，主要包括冷卻系統(tǒng)部件的臟堵或故障、大風(fēng)浪氣泡太多等導(dǎo)致的冷卻效果不好；

5)V型排列的船舶柴油機(jī)并聯(lián)的增壓器工作失衡，如兩個增壓器一個換新另一個無故障沒有換新，工況不一樣，或一個增壓器發(fā)生故障；

6)機(jī)艙大氣條件發(fā)生變化，如溫度發(fā)生變化、通風(fēng)設(shè)施故障等。

圖4 船舶柴油機(jī)喘振故障樹分析

影響柴油機(jī)喘振的因素種類很多又相互作用，所以在實(shí)際工作中注意多方面因素的綜合考慮與判斷。

3 船舶柴油機(jī)增壓器喘振故障案例分析

3.1 故障現(xiàn)象

某船在海上航行時，直列式柴油機(jī)在加速至880 r/min時，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，隨即請示駕駛室降速運(yùn)行。當(dāng)轉(zhuǎn)速降至840 r/min時，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時也無喘振發(fā)生，也就是說增壓器喘振在主機(jī)運(yùn)行850～890 r/min時產(chǎn)生。故障發(fā)生前，本船主機(jī)急減速至840 r/min左右時，偶爾喘振一下，但沒有斷續(xù)性的喘振。

3.2 排除過程

遵循先判后檢的原則，根據(jù)前期分析的船舶柴油機(jī)增壓器6條故障原因，結(jié)合故障現(xiàn)象，排除第1、5、6條。因柴油機(jī)在其他各個轉(zhuǎn)速都能正常運(yùn)行，檢查排煙沒有明顯黑色，檢查各缸排溫相差不大，因而排除第3條燃油系統(tǒng)故障。因柴油機(jī)中冷器采用海水冷卻，檢查海水冷卻系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)海水壓力正常，用機(jī)械故障聽診器檢查海水泵工作聲音穩(wěn)定，檢查無明顯泄漏，判斷除了中冷器(空氣冷卻器)可能有水壁結(jié)垢導(dǎo)致冷卻效果差外，不存在其他故障。因此,故障可能是進(jìn)排氣系統(tǒng)或中冷器冷卻效果差引起的。

如圖5所示，根據(jù)該型柴油機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，遵循由簡單到復(fù)雜的原則進(jìn)行檢查。檢查空氣濾清器、進(jìn)排氣消音器沒有明顯堵塞，打開氣缸蓋罩殼，檢查氣門間隙正常、氣門無泄漏。打開增壓器罩殼，檢查增壓器內(nèi)部清潔良好，無異物，壓氣端轉(zhuǎn)軸運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)無卡滯并且增壓器的進(jìn)氣濾網(wǎng)較新，不存在臟堵現(xiàn)象。拆下中冷器時發(fā)現(xiàn)沒有空氣導(dǎo)流板，安裝新的空氣導(dǎo)流板，并拆開、清潔中冷器重新安裝，試車時喘振現(xiàn)象未再出現(xiàn)。

圖5 某船舶柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)

3.3 原因分析

該柴油機(jī)在出廠時因增壓器和柴油機(jī)的匹配問題，在中冷器上端裝有一個空氣導(dǎo)流板。而該船在進(jìn)廠塢修檢查時因中冷器難以安裝，空氣導(dǎo)流板被移除。開始由于中冷器剛剛經(jīng)過清洗，并且冷卻效果較好，所以柴油機(jī)正常工作時進(jìn)風(fēng)量仍然在增壓器和各缸工作所需氣體量的匹配范圍內(nèi)，但是隨著主機(jī)的使用性能逐漸下降，中冷器內(nèi)空氣管及進(jìn)氣管有一定的臟污，空氣通過中冷器冷卻時產(chǎn)生擾流，從而導(dǎo)致進(jìn)入氣缸的空氣不足，產(chǎn)生喘振。重新安裝導(dǎo)流板使通過空氣的擾流消除，并且加強(qiáng)自由進(jìn)氣階段和慣性進(jìn)氣階段的進(jìn)氣量，使各缸在正常工作下獲得更大的進(jìn)氣量，不僅消除喘振，還使主機(jī)的工況得到一定的提升。

3.4 管理啟示

1)作為柴油機(jī)使用者，在進(jìn)廠塢修、小修、中修以及大修的過程中，要盡可能的投入到柴油機(jī)的修理過程中，這樣不僅增強(qiáng)自己的維修能力，也加強(qiáng)對柴油機(jī)各方面的了解，為后續(xù)使用維護(hù)、故障排除積累資料和經(jīng)驗(yàn)。

2)作為柴油機(jī)廠家應(yīng)該把柴油機(jī)在出廠組裝時所有的試驗(yàn)報告和問題以書面形式告知客戶，這樣方便客戶充分了解和及時檢查發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)存在的問題。

3)船舶柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，故障分析與排除時，必須分析故障機(jī)理，從源頭梳理故障原因，分析可能導(dǎo)致該故障發(fā)生的直接原因，再由簡單到復(fù)雜逐漸排除。

4)增壓器喘振故障是柴油機(jī)最常見的故障之一，喘振故障一般是循序漸進(jìn)發(fā)生的。其主要原因是長期的高負(fù)荷、頻繁改變工況導(dǎo)致柴油機(jī)性能下降，日積月累逐漸接近喘振工況區(qū)域，因而在日常維護(hù)中要嚴(yán)格按照規(guī)定進(jìn)行日檢拭、月檢修和其他相關(guān)維護(hù)保養(yǎng)，尤其重點(diǎn)清除流道阻塞。

4 結(jié)論

分析柴油機(jī)增壓器喘振的故障機(jī)理和影響因素，針對船舶柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)，采用故障樹分析法總結(jié)船舶柴油機(jī)增壓器喘振故障的可能原因?yàn)椋?)柴油機(jī)因緊急情況或特殊情況而工況突變；2)進(jìn)氣系統(tǒng)故障；3)燃油系統(tǒng)故障；4)冷卻系統(tǒng)故障；5)V型排列的船舶柴油機(jī)并聯(lián)的增壓器工作失衡；6)機(jī)艙大氣條件發(fā)生變化。

案例分析表明：總結(jié)分析的方法和結(jié)果對于船舶柴油機(jī)喘振故障診斷直觀有效，為確保增壓器的正常工作，盡量避免喘振的發(fā)生，在日常維護(hù)工作中要嚴(yán)格按照規(guī)定進(jìn)行相關(guān)維護(hù)保養(yǎng)。