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导读 涡轮增压器是船舶动力装置的重要部件，其工作状况是否良好，对改善柴油机气缸的燃烧条件，降低燃油消耗，提高柴油机的功率有着十分重要的意义。
目前，船舶柴油机广泛采用废气涡轮增压器，利用柴油机排出的废气能量，驱动涡轮高速旋转，带动与涡轮同轴的压气机叶轮高速旋转，压气机将空气压入发动机的气缸，增加了发动机的进气量，可供更多的燃油完全燃烧，从而提高了柴油机的功率，并且充分利用柴油机的废气能量，提高了柴油机的经济性。 涡轮增压器处在高温高压和高速运转的工作状况，工作环境恶劣；柴油机长期低负荷状态运行，经常偏离其最佳工况，使燃烧工况恶化，造成增压器喘振时有发生。 连续性的喘振容易造成增压器转子和轴承特别是压气机叶轮的损坏，因此，对涡轮增压器喘振故障原因进行分析并探索其排除方法十分有必要。  一、故障发生过程概况 某船主机为8L20/27 型四冲程柴油机，8 缸，缸径为200mm,行程为 270mm,额定功率为800kW。  在额定转速1,000r/min时，增压压力≤0.16 MPa～0.20Mpa，单缸爆发压力≤10Mpa，单缸排烟温度≤530℃，单级、径流式涡轮增压器。 某年坞修修前试航时右主机在840r/min 以下运转正常，从840r/min加速到870r/min 后，增压器开始出现严重喘振现象。 在修理后首次试航中，当右主机加速到930r/min时，增压器压气机端发出周期性的爆炸声，柴油机不能继续加速，单缸排烟温度达到460℃，比正常时高70℃左右，冒黑烟，随即停车进行检查。 经调查，该舰在两年前中修，修后试航时发现爆发压力高，单缸爆发压力在额定转速时高达11MPa，超出规定的要求。 同时，增压压力接近规定值的上限0.20MPa。 根据通常做法，首先调整喷油提前角降低爆发压力，但爆发压力基本没有改变，于是决定采取降低增压压力的方法达到降低爆发压力的目的。 为此，增压器运输到新中动力机厂进行修理，厂家将原来出口截面为34.92cm²的扩压器换为 36.9cm²的扩压器。 在试验台试验时，各性能参数均正常，增压压力降低，但是装船后出现了轻微喘振，未进行进一步查找原因。 二、喘振的机理与原因分析  柴油机废气涡轮增压系统由柴油机、压气机、废气涡轮和空气冷却器等基本部件组成。 离心式压气机在各种不同工况工作时，它的各主要参数会随之变化。 当转速nk一定时，随着空气流量Gk的减小，增压比πk开始是增加的。 当Gk减小到某一值时πk值达到最大，然后随Gk的减小开始下降。 效率ηk随流量Gk的变化规律与πk类似。 当压气机中气体流量显著小于设计值时，在叶轮进口及叶片扩压器处，气体的分离现象随流量的减少而迅速扩大。 当流量少到某一最小值时，气流分离现象扩展到整个叶片扩压器和叶片通道内，使气流产生剧烈的振荡和倒流，引起压气机工作不稳定，导致压气机振动，并发出异常的响声，这就是压气机的喘振现象。 增压器产生喘振一般是由于空气流通阻力的增加、柴油机或增压器本身故障、柴油机长期低速运行原因以及增压器和柴油机的运行失配等。 1、由于压气机匹配不当引起 在设计、修理、更换增压器主要零部件时，由于尺寸选择不当而导致压气机喘振。 （1）涡轮喷嘴环截面尺寸过小，涡轮流通能力不够，使压气机配合尺寸线移向喘振线； （2）压气机扩压器喉口截面过大或叶轮出口截面过大，使压气机喘振线向右移动，即压气机配合尺寸线靠近喘振线。 2、空气流通阻力的增加 空气流通阻力的增加是引起增压器喘振最常见的原因。 四冲程柴油机运行时，增压系统的气体流动路线是： 压气机进口滤器和消音器→压气机叶轮→压气机扩压器→空气冷却器→柴油机的进气阀→排气阀→排气管→废气涡轮喷嘴环→废气涡轮叶轮→烟囱。 其中各组成部分的通流面积都是固定的，只有各气缸的进、排气阀是按照一定的发火顺序轮流开、关，它随着柴油机转速的高低改变着开、关次数和时间。 当上述流动路线中的任何一个环节因脏污、结炭、变形、结垢严重，都会因气体流阻损失加大而使压气机负荷增加、流量减小，背压升高，导致柴油机和增压器的联合运行工况接近喘振线而发生喘振。 其中容易脏堵的部件是进口滤器、压气机叶轮和扩压器、空气冷却器、气缸进气阀和排气阀、涡轮的喷嘴环和叶轮。 此外，涡轮机的喷嘴环容易发生热变形。 3、增压器本身故障 压气机叶轮变形、损坏或严重腐蚀，使压气压力减小；涡轮叶片变形、损坏，喷嘴环变形；涡轮叶片顶部及喷嘴环罩内表面腐蚀，使两者之间的配合间隙增大。 这样，引起涡轮效率降低，导致流经压气机的气体流量减少。 4、柴油机本身故障 （1）喷油设备出现故障，会使柴油机燃烧不良，后燃严重。 （2）柴油机的活塞环断裂或粘着、气阀的烧损、气阀间隙太小，会导致气缸漏气，使过量空气系数降低，热负荷增大，排气温度升高，在柴油机每循环喷油量不变的情况下，柴油机输出功率下降，柴油机转速降低，而排气温度的升高意味着废气能量的增加，使增压器转速升高，供气量增多。 这使原来增压器与柴油机正常的匹配被破坏，导致压气机在高背压、小流量的状态下工作，严重时引起增压器喘振。 （3）各缸负荷严重不均。 当柴油机某一个气缸突然发生故障而熄火时，在突然熄火的瞬间过程，由于柴油机转速迅速下降，空气流量减少，而增压器转速由于惯性不能瞬间降低，此时增压压力较高，增压器在高背压和小流量下运行，易进入喘振区。 5、柴油机长期低速运行原因 柴油机长期在低于额定功率50%（转速约为额定转速的80%）以下运行，导致不良后果。 （1）增压压力降低，导致进入气缸的空气量减少，过量空气系数减小，压缩终点压力温度降低，造成燃烧不良，产生烟垢、积炭、油垢等污染，脏堵进排气通道，增加空气流通阻力。 （2）喷油雾化不良。 由于每次循环喷油量减少及柱塞运动速度减小，喷射系统难以适应大幅度供油量变化，喷油压力下降，燃油雾化变差，使混合气质量变差，造成燃烧不充分，后燃加剧，容易 形成结炭。 （3）气缸油量过多。 作为舰船推进动力的柴油机，其转速与功率的关系为： Pe=c·ne³。 由于该型柴油机气缸供油量随转速进行调节，这样导致柴油机在低负荷工作时，供油量相对功率降低过大，容易形成结炭和粘环。 6、运行过程中柴油机与增压器的暂时失配 （1）当船舶满载、顶风、污底严重时，因阻力增加，主机负荷加大，柴油机在低转速高负荷下运行，气缸耗气量降低而循环喷油量增加，废气能量增大，也会使增压器转速升高，供气量增多。 这也容易引起增压器在高压比和相对小的流量下运行，易进入喘振区。 （2）当高速时突然停车，急速将操纵杆拉到停油位置，此时因主机运动部件质量大，轴系和螺旋桨阻力大，很快停止转动。 但增压器由于本身的转速很高，转动能量很大，不能立即停止运转，它所供出的空气，柴油机不能消耗，致使压气机背压过高而引起增压器瞬时喘振。 （3）主机加速过快时，增压器会发生短暂喘振。 这是因为主机运动部件质量大，转动阻力矩大，转速上升慢；而增压器转子质量小，废气能量迅速增加使转速迅速升高。两者 暂时失去匹配关系而发生喘振。 （4）船舶在大风浪中航行时，柴油机转速上下波动使增压器的转速发生波动，此时两者可能暂时失去匹配关系，引起短时喘振。 （5）船舶在大风浪中航行时，空气冷却器冷却水吸入口可能露出水面而吸入空气，冷却水不足使柴油机进气温度高，气缸循环温度高，柴油机热负荷增大，排气温度的升高意味着废气能量的增加，使增压器转速升高，严重时引起增压器喘振。 三、喘振故障解决方法 该舰坞修时船体进行了全面清洁，针对废气涡轮增压器喘振故障进行了常规解体、检查、清洁，一切正常后按说明书要求装复。 空气冷却器出舱进行化学清洁，排烟管进行了清洁。 右主机吊出1个气缸进行了检查，没有发现活塞环和缸套磨损严重、进排气阀漏气等问题。 两年前中修时通过增大叶片扩压器出口截面积来达到降低增压压力的办法不是彻底解决爆发压力高的根本方法，盲目改变原设计值，没有找到爆发压力偏高故障产生的根本 原因。  图1 改变压气机流通截面对压 气机配合运行线相对位置的影响 如图1所示，压气机叶片扩压器流通面积增大，使喘振线向右移动，喘振余量减小，造成了中修时轻微喘振的发生。 实际上，爆发压力偏高的根本原因可能是增压压力偏高，而增压压力偏高的原因则可能是柴油机排气阀漏气，排气温度高，压气机转速升高所致。 该年坞修后首次试航出现右主机排温高的原因可能是增压压力偏低，柴油机燃烧所需空气量不足所致。 从上述故障现象和修理过程分析，可以判断造成该舰废气涡轮增压器喘振的原因是压气机匹配不当引起的。 扩压器出口截面积与设计值不符，增压压力偏低，因此制定如下修理措施： 更换增压器扩压器，将出口截面为36.9㎝²扩压器更换为原设计出口截面34.92㎝²扩压器。 这样，增压压力升高，流通面积减小，喘振线向左移动，使喘振余量加大（如图1所示）。 经过再次试航增压器喘振现象消失，柴油机工作参数正常。 四、结束语 喘振是压气机的固有特性，是没有办法从根本上绝对避免的。 当发生增压器喘振时，应保持清醒的认识和判断，采取正确的应对措施，及时排除喘振故障，以保证柴油机可靠稳定的工作。  本文原创作者系： 中国人民解放军第4808工厂 赵明林 |
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