宋承健

摘 要：分析造成船舶柴油機廢氣渦輪增壓器喘振的故障原因，并結合柴油機本身的復雜結構、頻繁的工況轉(zhuǎn)換、以及遠洋船舶的航區(qū)廣泛的特點，分析并研究船舶柴油機廢氣渦輪增壓器發(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的功率以及廢氣能量的再利用，世界各國的船舶柴油機多數(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，就會嚴重影響柴油機的正常運行，甚至會產(chǎn)生破壞性的事故，影響船舶的正常航行。

1 喘振的故障機理

廢氣渦輪增壓器由壓氣機和廢氣渦輪兩部分組成如圖1所示。柴油機的廢氣驅(qū)動渦輪來帶動壓氣機來壓縮空氣，并送入氣缸，可以看出廢氣渦輪增壓器與柴油機本體無任何的機械聯(lián)系。只要增壓器與柴油機匹配合適在正常工作范圍內(nèi)，壓氣機是不會發(fā)生喘振現(xiàn)象的。但當空氣流量減少到某一值時，壓氣機工作變得不穩(wěn)定，流過壓氣機的氣流產(chǎn)生強烈的振蕩，引起葉片強烈振動并發(fā)出噪聲，而此時壓氣機出口壓力明顯下降并伴隨波動，進氣管發(fā)出“轟隆”的響聲，導致柴油機的工作不穩(wěn)定如圖1所示。

2 廢氣渦輪增壓器喘振原因分析

壓氣機產(chǎn)生喘振的原因，是由于流量過小時，在葉片擴壓器和葉輪進口產(chǎn)生強烈的氣流分離引起的。喘振的根本原因就是小流量，高背壓。

對于二沖程柴油機來講，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、柴油機長期低速運行原因以及增壓器和柴油機的運行失配等[2]，而最主要的原因就是氣流通道的堵塞，氣流行進過程為：壓氣機進口濾網(wǎng)—壓氣機—中冷器—掃氣箱—掃氣口—排氣口—排氣管—渦輪機—廢氣鍋爐，各部分的通道面積是固定的，雖然進、排氣口按發(fā)火順序，但不管什么時候總有1或2缸的換氣通道是相通的，在整個管路中氣流是不會受堵的，但如果在通道中產(chǎn)生臟污、結炭、變形、結垢等，就會增加空氣流通的阻力，造成壓氣機喘振。

2.1 增壓器離喘振故障機理的數(shù)學分析

離心式壓氣機的特性曲線可用一條拋物線來描述。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之間的關系，在低壓縮比下，H與壓縮比（p2/p1）近似成線性關系。假設線性關系成立，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的入口壓力、出口壓力;TS為氣體熱力學溫度;Q為增壓器壓氣機入口體積流量;W為氣體的相對分子質(zhì)量。已知壓縮比，壓縮比p2/p1與流量Q近似呈拋物線關系。通過數(shù)學分析，可得出如圖2所示的離心式壓氣機特性曲線。

從圖2中可以看出：

（1）只要壓氣機的進氣流量下降，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)，導致出現(xiàn)喘振故障。

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

（4）轉(zhuǎn)速越大，柴油機穩(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。

3 廢氣渦輪增壓器喘振的解決方式

3.1 在柴油機增壓器運轉(zhuǎn)中進行故障排查

在該階段先檢查柴油機增壓器是否存在內(nèi)部問題。喘振故障發(fā)生后，工作人員將柴油機增壓器的護罩和外殼拆解下來，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)軸運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沒有卡滯現(xiàn)象，而且增壓器進氣濾網(wǎng)是進氣更換的，沒有臟堵的可能。隨后，工作人員在對空氣冷卻器進行故障排查，該船舶之前進廠塢修時，空氣冷卻器已經(jīng)經(jīng)過了拆解、清潔、密封試驗等維修步驟。設備運轉(zhuǎn)時人們對空氣冷卻器加以檢查，發(fā)現(xiàn)空氣冷卻器進出冷卻水的壓力、水溫正常，且冷凝水放水孔沒有任何堵塞現(xiàn)象[3]。

3.2 將柴油機增壓器靠碼頭拆檢

初步檢查發(fā)現(xiàn)柴油機增壓器表面故障問題，接下來應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，這說明主機各缸符合不均勻，柴油機增壓器因此而出現(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主機各缸噴油器情況，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)柴油機增壓器依然存在喘振故障問題。

檢查柴油機增壓器的進排氣閥。因積碳嚴重問題導致閥門無法關閉嚴密，柴油機增壓器也會因此出現(xiàn)喘振問題。當船舶?？吭诖a頭后，工作人員對增壓器排氣門的密封情況進行檢查，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。

對柴油機增壓器進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自于高壓油泵無法正常供油，或者供油不均勻，導致各個缸的負荷情況不平衡。經(jīng)過拆卸檢查，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，船舶避開主機在850 r/min～890 r/min的轉(zhuǎn)速下航行。

3.3 將柴油機增壓器進廠修理

在固定轉(zhuǎn)速下，柴油機增壓器依然帶有喘振故障，該船舶進場修理。工作人員對柴油機增壓器、空冷器、噴油器、進排氣閥門等部件進行檢查，對增壓器渦輪轉(zhuǎn)子、壓氣機轉(zhuǎn)子進行動平衡檢查，未發(fā)現(xiàn)任何故障問題。最后發(fā)現(xiàn)柴油機出廠時，柴油機與增壓器存在匹配問題，空冷器上有一個空氣導流板中途被拆除，重新定做并安裝空氣導流板后，喘振故障消失。

3.4 故障排除啟示與相關建議

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

關于柴油機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。柴油機進廠塢修或大修時，應安排柴油機使用者積極參與到柴油機修理工作中，提升使用者的維修能力，加強對各方面知識的了解，以便更好地掌握與柴油機有關的故障問題。廠家在柴油機出廠組裝時應以書面形式向用戶提交實驗報告，方便用戶及時檢查柴油機的故障問題。船舶柴油機內(nèi)部結構復雜，需要長期在惡劣的環(huán)境下工作，分析并排除故障時不能只依靠經(jīng)驗，還要根據(jù)柴油機的結構特點，結合故障機理找出故障[4]。（2）柴油機增壓器使用維護建議。因柴油機長期高負荷與頻繁改變工況，導致柴油機性能下降，應縮短柴油機在空車時的運行時間，減少噴油器積碳。柴油機在超負荷運行時，設備供油量、供氣量變化十分大，應避免柴油機在超負荷狀態(tài)下長時間運行，時刻關注冷卻系統(tǒng)運行狀態(tài)，避免因冷卻效果不理想而引發(fā)柴油機喘振。某船在海上航行時，直列式柴油機在加速至 880 r/min時，增壓器開始斷續(xù)性喘振，輪機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行。當轉(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運行850 r/min～890 r/min時產(chǎn)生。故障發(fā)生前，本船主機急減速至840 r/min左右時，偶爾喘振一下，但沒有斷續(xù)性的喘振。

4 結論

柴油機喘振是柴油機管理中常發(fā)的惡性故障，會引起增壓器轉(zhuǎn)子的劇烈振動，造成軸承及葉片嚴重損壞，在柴油機使用管理中必須引起高度重視。大型船舶主柴油機由于增壓器串并聯(lián)轉(zhuǎn)換裝置結構復雜，牽連設備多，需要加強日常進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)生主機喘振現(xiàn)象，首先要詳細研讀主機說明書，然后科學全面分析故障原因，合理判斷故障，最后有效排除故障，避免在排除故障時走彎路，做無用功，保證主機時刻處于最佳工況下運行。同時也提醒我們的輪機管理人員，平時要多注重柴油機相關理論的學習，養(yǎng)成一絲不茍，嚴肅認真，做到精通理論，技藝熟練，觀察敏銳，善于在錯綜復雜的故障現(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。

參考文獻：

[1]鮑軍暉.某船主機增壓器故障探究[J].中國修船，2010，23（4）：51.

[2]周明順.船舶柴油機[M].大連海事大學出版社，2007.

[3]孫齊虎，呂運，汪兆臣.船舶柴油機增壓器喘振故障的分析與排除[J].內(nèi)燃機與動力裝置，2019，36（1）：88-92.

[4]朱遠龍，王磊，曾強洪.柴油機增壓器喘振故障診斷及排除[J].中國修船，2015，28（5）：6-7+12.