某船用柴油機增壓器喘振故障的排除

(海軍湛江地區(qū)裝備修理監(jiān)修室 周圣兵;海軍 4804工廠 楊騰輝;海軍駐廣州地區(qū)艦船配套軍事代表室 劉 浩供稿)

某型 1000t油船采用 8L 20/27柴油機作為主機,增壓系統(tǒng)為定壓增壓,設(shè)計最高轉(zhuǎn)速為 1000 r/min,對應(yīng)輸出功率 800kW。2009年 7月進廠修理前主機較長時間內(nèi)出現(xiàn)較嚴重的喘振,經(jīng)修前試航確定機組在轉(zhuǎn)速達到 830 r/min時發(fā)生喘振,至850 r/m in時機組負荷難以繼續(xù)升高,同時該機排溫也偏高,屬于此次修理需要重點解決的問題之一。

1 故障原因分析

該船修前試航時柴油機啟動正常,各轉(zhuǎn)速排氣煙色基本保持良好,可以排除燃油供油系統(tǒng)的故障。通過拆檢增壓器發(fā)現(xiàn)軸和軸承沒有異常磨損,通流部分的積垢程度也在正常范圍內(nèi)。問題在于噴嘴環(huán)上的葉片基本都出現(xiàn)了較大變形,有的甚至已經(jīng)變成 S型,并且有從壓力面向吸力面倒伏情況。

根據(jù)上述檢測結(jié)果可以判明,噴嘴葉片變形過大導(dǎo)致渦輪當量流通面積減小過多是引發(fā)增壓器喘振的主要原因,同時葉片變形過大也會使渦輪的氣動效率降低,引起排溫升高。進一步對噴嘴變形原因進行分析,初步認為原噴嘴環(huán)在材料選用和熱處理兩方面存在一定不完備,導(dǎo)致高溫狀態(tài)下葉片的加工內(nèi)應(yīng)力釋放、以及葉片本身的熱應(yīng)力和氣動力綜合作用,使噴嘴環(huán)整列葉片在機組運行期內(nèi)產(chǎn)生不同程度的變形。

2 新噴嘴環(huán)的確定

增壓器匹配的關(guān)鍵在于,在滿足柴油機熱工參數(shù)的前提下,確定增壓器壓氣機出口壓力和流量、渦輪的當量通流面積。渦輪的當量通流面積由渦輪和噴嘴的出口喉部面積決定,實際調(diào)整時由于渦輪一般不變,主要調(diào)整噴嘴喉部面積。另外需要確定噴嘴環(huán)的選用材料和加工工藝,至少保證一個修期內(nèi)葉片不出現(xiàn)明顯變形。

1)通流尺寸的確定。

該型機為直列 8缸,汽缸內(nèi)徑 200mm,活塞行程 270mm,壓比 13.37。根據(jù)計算表明,在渦輪排氣背壓為 0.07MPa的情況下,經(jīng)過中冷后空氣壓力為 0.27MPa,空氣流量為 1.6cm3/s,如果渦輪進口溫度為 506℃,則可以計算得到噴嘴的當量面積為 53cm2。考慮到壓氣機的喘振裕度要大于20%,原機組設(shè)計的喉部總面積 58cm2是適當?shù)?新噴嘴環(huán)可以按原型機的參數(shù)進行制造。

葉片截面由一段圓弧 (吸力面)和一段直線(壓力面)構(gòu)成,類似機翼葉型。其平均喉口直徑10.34mm,葉片高度 23.4mm,喉口總面積 58cm2(根據(jù)喘振發(fā)生時柴油機的工況可以確定,因為葉片變形,噴嘴面積縮小了約 31%),葉片安裝角 17.75°。

2)材料和加工工藝。

噴嘴環(huán)葉片產(chǎn)生嚴重變形的主要原因在于,原進口機型的鑄造噴嘴改為了銑削加工,因為材料和熱處理不完備的原因,導(dǎo)致葉片的加工內(nèi)應(yīng)力在工作時的高溫狀態(tài)下釋放,加上葉片本身的熱應(yīng)力和氣動力復(fù)合作用,使得葉片發(fā)生了不規(guī)則變形。

作為船用主機的柴油機,增壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運行對整個機組的可靠工作有決定性影響。根據(jù)性價比最優(yōu)的原則,此次更換的噴嘴環(huán)采用耐熱鋼精密澆鑄工藝生產(chǎn),其喉部面積控制在 (58±0.7)c m2,同時對制造過程進行全程跟蹤,對成品驗收嚴密把關(guān),確保其裝船后可靠運行。

3 實船試驗和結(jié)論

新噴嘴環(huán)制造完成并經(jīng)檢驗合格后回裝船上,試航取得成功。航行時驗收轉(zhuǎn)速為 950 r/min,實際最高轉(zhuǎn)速達到 973 r/min,此時增壓壓力、爆炸壓力、排氣溫度等參數(shù)均符合試驗大綱的要求。在出廠后的使用過程中,柴油機工作穩(wěn)定,喘振故障得以排除。

8L 20/27型柴油機設(shè)計采用定壓增壓,一般作為發(fā)電機組。在用作船用主機時,因為頻繁的變工況運行,噴嘴環(huán)容易發(fā)生變形,使流通面積變小導(dǎo)致出現(xiàn)喘振。因此,噴嘴環(huán)材質(zhì)和加工工藝的選用至關(guān)重要,需要引起重點關(guān)注。