□ 劉 剛1 □ 智廣信
1.大連中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司 遼寧大連 116052 2.中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院 北京 100089
船用主機(jī)是船舶動(dòng)力的來(lái)源,是全船的“心臟”。船用主機(jī)一般由主動(dòng)力裝置、輔助動(dòng)力裝置、其它輔機(jī)和設(shè)備組成。如何充分、高效利用能量,是工程師一直關(guān)注的問題。利用主機(jī)的廢氣增壓,是提高船用主機(jī)功率的有效途徑。增壓器是提高主機(jī)功率和減少?gòu)U氣排放的重要機(jī)件,如同是主機(jī)的“肺”,利用主機(jī)排出的高溫廢氣慣性沖力來(lái)推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪葉片,渦輪帶動(dòng)同軸的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng),葉輪上的壓氣葉片壓送空氣,使空氣增壓進(jìn)入氣缸[1]。增壓器結(jié)構(gòu)如圖1所示。增壓器利用廢氣能量,不僅改善了主機(jī)工作過(guò)程,降低了油耗,而且解決了廢氣排放問題。由于使用、維護(hù)和保養(yǎng)不當(dāng),增壓器易發(fā)生故障,導(dǎo)致主機(jī)不能正常工作[2]。筆者針對(duì)某營(yíng)運(yùn)的61 000 t散貨輪主機(jī)增壓器故障,進(jìn)行原因分析,確認(rèn)導(dǎo)致故障發(fā)生的主要原因,并提出實(shí)用有效的改進(jìn)措施。
某61 000 t散貨輪交付營(yíng)運(yùn)不久,主機(jī)增壓器就發(fā)生明顯故障。經(jīng)船廠和主機(jī)廠工程師拆檢,發(fā)現(xiàn)壓氣葉片、渦輪葉片、噴嘴環(huán)及軸承組件等均有不同程度的損壞,如圖2所示。
圖1 增壓器結(jié)構(gòu)
圖2 第一次故障情況
由于該船剛交付不久,因此采取的應(yīng)對(duì)策略為對(duì)相關(guān)損壞部件進(jìn)行更換處理。更換后試車一切正常,該船再次開航。但第一次故障修復(fù)僅僅半個(gè)月后,增壓器再次出現(xiàn)故障。工程師發(fā)現(xiàn)部件損壞狀況與第一次完全一樣,如圖3所示。針對(duì)故障,船廠聯(lián)合多方進(jìn)行原因分析,由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、理論及有限元計(jì)算來(lái)判斷故障發(fā)生的原因。
圖3 第二次故障情況
現(xiàn)代船舶主機(jī)幾乎全部采用廢氣渦輪增壓技術(shù)來(lái)提高柴油機(jī)功率,喘振是船舶主機(jī)增壓器的常見故障之一[3]。該船主機(jī)增壓器兩次損壞時(shí)的現(xiàn)象完全一致,即主機(jī)正常運(yùn)行時(shí)增壓器突然喘振,繼而轉(zhuǎn)速急劇降低。
增壓器是一種在高溫環(huán)境中高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械,正確安裝及按科學(xué)合理的規(guī)程進(jìn)行維護(hù)、使用,對(duì)延長(zhǎng)使用壽命、減少故障具有非常重要的作用。針對(duì)此次故障,工程師打開增壓器,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子竄動(dòng)導(dǎo)致壓氣葉片與罩殼刮擦,噴嘴環(huán)損壞,渦輪葉片殘缺不全。其中,渦輪葉片根部斷裂需重點(diǎn)關(guān)注,因?yàn)榈谝淮喂收蠒r(shí)有兩片渦輪葉片從根部斷裂,第二次故障時(shí)有一片渦輪葉片從根部斷裂,初步判斷渦輪葉片根部斷裂引起的動(dòng)平衡失穩(wěn)是轉(zhuǎn)子竄動(dòng)的主要原因。查明渦輪葉片從根部斷裂的原因,是本次增壓器故障原因分析的關(guān)鍵。筆者通過(guò)數(shù)據(jù)收集、理論及有限元計(jì)算,根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行斷裂面分析、主機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析、渦輪葉片材質(zhì)確認(rèn)、渦輪葉片尺寸確認(rèn)、渦輪葉片生產(chǎn)工藝確認(rèn)。
一般情況下,侵蝕或渦輪葉片損壞會(huì)使渦輪葉片頂部與噴嘴環(huán)罩間的配合間隙增大,引起渦輪效率降低,導(dǎo)致流經(jīng)壓氣機(jī)的氣體流量減小,進(jìn)而發(fā)生喘振[4]。葉片斷裂主要是外來(lái)活塞環(huán)折斷碎片、其它金屬碎物等沖入渦輪中造成的,這些碎物沖擊使增壓器產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)和噪聲。為了確認(rèn)斷裂原因,筆者對(duì)斷裂面進(jìn)行分析。通過(guò)斷裂面特征分析,可以確認(rèn)斷裂起始點(diǎn)、斷裂性質(zhì)等,對(duì)于故障原因分析至關(guān)重要。渦輪盤沿圓周均布41個(gè)杉樹形槽,將根部為倒杉樹形的葉片插入杉樹形槽內(nèi),實(shí)現(xiàn)高精度配合。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn),兩次損壞故障中斷裂的不是葉片,而是杉樹形槽根部。
對(duì)故障殘片進(jìn)行實(shí)物斷面分析,分別選取兩次損壞的典型斷裂葉片,利用掃描電子顯微鏡對(duì)斷裂殘片進(jìn)行觀察,葉片損壞情況如圖4所示。
圖4 葉片損壞情況
前后兩次故障中,葉片斷裂位置、斷裂形態(tài)都是一致的,斷裂起始點(diǎn)都在杉樹形第一凹槽處,如圖5所示。
圖5 斷裂起始點(diǎn)
根據(jù)斷面分析結(jié)果和實(shí)際調(diào)查情況,得到的初步結(jié)論是根部斷裂源于疲勞裂紋。船舶出現(xiàn)疲勞裂紋的原因判斷是振動(dòng),渦輪葉片的振動(dòng)主要是動(dòng)荷振動(dòng)[5]。
增壓器正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),渦輪葉片的激振受噴嘴環(huán)控制,即噴嘴環(huán)導(dǎo)流葉片數(shù)量決定了渦輪葉片的激振頻率。該增壓器噴嘴環(huán)有27個(gè)導(dǎo)流葉片。
渦輪葉片的激振頻率與增壓器轉(zhuǎn)速有關(guān),即渦輪葉片在噴嘴環(huán)導(dǎo)流葉片處的通過(guò)頻率取決于增壓器轉(zhuǎn)速。
通過(guò)設(shè)備商現(xiàn)存的相似型式增壓器按比例導(dǎo)出坎貝爾圖,如圖6所示。渦輪葉片激振頻率與渦輪葉片四階固有頻率在增壓器轉(zhuǎn)速為16 840 r/min時(shí)匹配,即在這一轉(zhuǎn)速下渦輪葉片會(huì)發(fā)生共振。
圖6 增壓器坎貝爾圖
筆者建立渦輪葉片有限元模型,包括葉冠、葉身、下緣板、榫頭四部分。通過(guò)ANSYS模態(tài)分析功能進(jìn)行固有頻率計(jì)算[6],并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),按渦輪葉片四階固有頻率模態(tài)進(jìn)行瞬態(tài)有限元分析,如圖7所示。計(jì)算得出應(yīng)力分布趨勢(shì)。與故障現(xiàn)場(chǎng)殘片對(duì)照,確認(rèn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際裂紋位置相吻合,由此驗(yàn)證共振是裂紋產(chǎn)生的原因之一。
從故障船上導(dǎo)出第一次故障修復(fù)后至第二次故障發(fā)生前主機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)增壓器共有約60 h在渦輪葉片四階共振危險(xiǎn)轉(zhuǎn)速16 500~17 300 r/min區(qū)間內(nèi)運(yùn)行,如圖8所示。這進(jìn)一步驗(yàn)證了導(dǎo)致渦輪葉片斷裂的疲勞裂紋由共振引起。
對(duì)振動(dòng)和斷面分析觀察后,初步確定導(dǎo)致本次故障的原因是共振。為進(jìn)一步驗(yàn)證判斷的可靠性,需要對(duì)渦輪葉片材質(zhì)和尺寸進(jìn)行確認(rèn)。渦輪葉片材質(zhì)和尺寸既要滿足渦輪產(chǎn)品的性能要求,又要與仿真分析時(shí)的定義一致。
取樣葉片材料,經(jīng)專業(yè)材質(zhì)分析部門分析,結(jié)果顯示材料滿足鈮錳合金成分要求。
裂紋區(qū)截面如圖9所示,圖紙要求斷裂葉片的實(shí)際測(cè)量尺寸見表1。結(jié)果顯示,斷裂葉片的實(shí)際尺寸滿足圖紙要求。
在工程上,增壓器的渦輪葉片經(jīng)鍛造加工而成。為滿足渦輪葉片在高溫高壓下的疲勞強(qiáng)度,一般經(jīng)鍛造加工后采取噴丸硬化的方式來(lái)進(jìn)一步提高葉片的疲勞強(qiáng)度,減小葉片上的應(yīng)力集中[7]。通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)斷裂殘片進(jìn)行觀察,確認(rèn)葉片斷裂處的噴丸效果,如圖10所示。
圖8 增壓器運(yùn)行情況
表1 斷裂葉片尺寸 mm
為進(jìn)一步了解渦輪葉片的物理、化學(xué)特性,保證本次故障有效處理,筆者對(duì)渦輪制造商的自動(dòng)噴丸生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)查研究。對(duì)噴丸直徑0.4 mm、洛氏硬度(HRC) 58項(xiàng)目進(jìn)行檢查,當(dāng)次結(jié)果顯示實(shí)際直徑為0.4~0.5 mm,洛氏硬度(HRC)為58~60。實(shí)際噴丸直徑如圖11所示。對(duì)噴丸處理覆蓋率進(jìn)行檢查,當(dāng)次結(jié)果顯示良好。噴丸前后葉片照片如圖12所示。對(duì)噴丸粗糙度Ra不大于1.6 μm項(xiàng)目通過(guò)對(duì)自動(dòng)噴丸生產(chǎn)線檢查分析,確認(rèn)自動(dòng)化噴丸生產(chǎn)線達(dá)到了葉片全表面噴丸效果的一致性。對(duì)于圖10中兩個(gè)斷裂樣品,除位置②,其它位置噴丸效果良好且一致。圖10中位置②相比其它位置,噴丸痕跡不太明顯。位置②位于斷裂起始處,根據(jù)分析結(jié)果判斷,該處因強(qiáng)烈振動(dòng)沖擊導(dǎo)致噴丸痕跡磨損變淺。
圖9 裂紋區(qū)截面
圖10 葉片斷裂處噴丸效果
圖11 實(shí)際噴丸直徑
圖12 噴丸前后葉片照片
進(jìn)行檢查,當(dāng)次結(jié)果顯示粗糙度Ra為1.15~1.52 μm,如圖13所示。最后對(duì)渦輪葉片進(jìn)行整體目視檢查,結(jié)果顯示良好,如圖14所示。
圖13 噴丸粗糙度檢查結(jié)果
圖14 渦輪葉片目視檢查結(jié)果
從四方面進(jìn)行原因分析,確定兩次故障中渦輪葉片的斷裂屬于疲勞斷裂,斷裂起始位置與渦輪葉片四階固有頻率共振相匹配,且增壓器曾在共振危險(xiǎn)轉(zhuǎn)速區(qū)間運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間。另一方面,渦輪葉片的材質(zhì)、尺寸及生產(chǎn)工藝都滿足設(shè)計(jì)要求與標(biāo)準(zhǔn)[8],由此推斷增壓器兩次故障的根本原因是渦輪葉片因共振而斷裂。
第二次故障發(fā)生后,增壓器損壞部件再次更換,但是這些部件并未做任何改良。臨時(shí)改進(jìn)措施為,控制增壓器轉(zhuǎn)速不能進(jìn)入16 500~17 300 r/min區(qū)間,相應(yīng)主機(jī)功率不能進(jìn)入78%~93%普通轉(zhuǎn)速區(qū)間,以避免渦輪葉片發(fā)生共振,直至永久糾正措施落實(shí)。增壓器轉(zhuǎn)速與主機(jī)功率的關(guān)系曲線如圖15所示。
由于渦輪葉片的激振受噴嘴環(huán)控制,因此考慮從噴嘴環(huán)入手來(lái)解決振動(dòng)裂紋問題。噴嘴環(huán)對(duì)渦輪葉片的激振原理是,當(dāng)不穩(wěn)定廢氣流經(jīng)過(guò)噴嘴環(huán)導(dǎo)流葉片后緣時(shí),會(huì)產(chǎn)生作用于渦輪葉片的周期性壓力波動(dòng)[9]。增加噴嘴環(huán)導(dǎo)流葉片數(shù)量,可以直接改變渦輪葉片的激振頻率,從而使渦輪葉片的共振點(diǎn)出現(xiàn)在非常用轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)[10]。與此同時(shí),需要保持噴嘴環(huán)導(dǎo)流葉片橫截面積不變,因?yàn)橹挥羞@樣才能不改變?cè)鰤浩鞯臒崃\(yùn)行狀態(tài),不必重新申請(qǐng)國(guó)際海事組織排放證書。
圖15 增壓器轉(zhuǎn)速與主機(jī)功率關(guān)系曲線
原噴嘴環(huán)導(dǎo)流葉片數(shù)量是27,選擇三種方案,分別是30、34、39。對(duì)這三種噴嘴環(huán)建模并進(jìn)行有限元分析,確認(rèn)采用34個(gè)導(dǎo)流葉片的噴嘴環(huán)時(shí),渦輪葉片各模態(tài)下的動(dòng)載荷最小。因此最終將導(dǎo)流葉片的數(shù)量從27增加到34。
在增壓器換上34個(gè)導(dǎo)流葉片的噴嘴環(huán)后,三個(gè)月內(nèi)增壓器在轉(zhuǎn)速16 500~17 300 r/min區(qū)間內(nèi)運(yùn)行200 h,打開增壓器檢查渦輪葉片,無(wú)裂紋,如圖16所示,驗(yàn)證永久糾正措施有效。
主機(jī)增壓器是船舶維持正常營(yíng)運(yùn)的關(guān)鍵部件,故障種類較多[11]。筆者對(duì)某營(yíng)運(yùn)中的61 000 t散貨輪主機(jī)增壓器故障進(jìn)行原因分析,利用相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)、計(jì)算模型及數(shù)據(jù),從斷裂面分析、主機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析、渦輪葉片材質(zhì)和尺寸確認(rèn)、渦輪葉片生產(chǎn)工藝確認(rèn)等方面,確認(rèn)了增壓器損壞的原因,并提出了針對(duì)性改進(jìn)措施。改進(jìn)措施經(jīng)過(guò)實(shí)船驗(yàn)證有效,為增壓器故障排查解決提供了思路和參考方案。