柴油機增壓器喘振故障診斷及排除

朱遠龍，王 磊，曾強洪(海軍廣州地區裝備修理監修室，廣東 廣州 510715)

技術交流

柴油機增壓器喘振故障診斷及排除

朱遠龍，王 磊，曾強洪
(海軍廣州地區裝備修理監修室，廣東 廣州 510715)

針對修理中柴油機增壓器喘振故障的現象，通過分析增壓器喘振產生的機理和與柴油機的工作配合特性，結合修理拆檢情況和測量數據，找出喘振發生的原因。通過采用小一檔葉片通道流通面積的擴壓器，改變通道參數，從而順利排除故障。

船舶；柴油機；增壓器喘振；故障診斷

柴油機增壓器喘振是柴油機實際管理中經常遇到的問題，增壓器喘振時除了壓氣機本身產生強烈的振動，發出“轟隆、轟隆”的響聲外，還會引起柴油機工作的不穩定，嚴重時，還會造成壓氣機的損壞。

1 故障情況與原因分析

1.1故障現象描述

某船發電機組柴油機為8L23/30型，配NR20型增壓器。該增壓器屬廢氣渦輪增壓，壓氣機采用單級離心式。在某次修理后的系泊試驗中，2#柴油機發電機組試驗到80%～85%負荷時，增壓器出現喘振故障。此時增壓器轉速正常(而且相較其它正常機組相同工作點時偏低)，排溫及其它參數均正常。初步分析后，對柴油機進行了較全面的調整，各系統進行了全面檢查。重新進行試驗時，在相同的負荷段故障重復出現。調換同型號的1#發電機組增壓器到2#機組進行試驗，故障現象消除。判定故障來自增壓器。

1.2增壓器拆檢基本情況及換件記錄

該增壓器已有過3次不同類別的修理，轉子軸總成非原廠件，渦輪葉片和壓氣機葉片厚度增加不少，軸承位磨損較多；渦輪背面、壓氣機葉輪端頭動平衡打磨去重較多。

各部件經探傷和硬度等檢查符合規范要求。按相關標準要求更換了推力軸承及浮動套、擋油環、壓塊和密封件等部件。

安裝時測量軸向間隙為0.28 mm(在標準0.15～0.28 mm的上限)，轉子擺差測量間隙為0.7 mm(在標準0.3～1.2 mm內)，轉子軸總成動平衡檢測數據渦輪端為7.28 gmm(標準為不大于15.00 gmm)，前壓端為11.52 gmm(標準為不大于21.00 gmm)，符合“NR系列渦輪軸壓氣葉輪的動平衡規范”的要求。

1.3故障原因分析

如上所述，本次修理更換的零部件沒有改變該增壓器的流通元件和流通面積，各項檢查指標也在標準范圍之內，理論上不會引起增壓器的轉速、掃氣壓力和進氣量等參數的異常，也不會造成增壓器的喘振。

經過分析，如下因素對增壓器造成了影響。其一，安裝時測量軸向間隙為0.28 mm，較同時修理的其它3臺機組的軸向間隙(測量范圍在0.16～0.20 mm)大，軸向間隙對增壓器性能有一定的影響；其二，轉子軸總成是決定增壓器主要性能關鍵部件，其非標準件對增壓器的流量性能造成了不確定的負面影響；其三，更換的一些其它部件或裝配工藝的誤差也在一定程度上改變了流量性能。各種因素疊加在一起，改變了增壓器與柴油機匹配情況，使喘振裕度變小，柴油機工作點向喘振線靠近，在高負荷時運行線進入喘振區而引起了喘振。

2 喘振機理分析與故障排除

2.1柴油機增壓器的喘振原理

柴油機增壓器的喘振是由于壓氣機的流量小于設計流量時在葉輪進口或擴壓器葉片內產生強烈的氣體分離所致。

如圖1所示：圖1(c)中，當流量小于設計流量時，氣體相對速度W的方向與葉片進口幾何形狀成沖角，氣流在工作輪葉片凸面上形成渦旋，而且由于氣流的慣性作用促使這個渦旋區域擴大，造成氣流與葉片面的強烈分離。流量越小，這種分離情況越嚴重，當流量小到某一臨界值以后，氣流所形成的強烈渦流造成壓氣機的排量忽正忽負，出口壓力忽高忽低，機件強烈振動，并發出沉重的“轟隆、轟隆”響聲，壓氣機出現喘振。同理，在葉片式擴壓器中，也存在著同樣的情況。

2.2渦輪增壓器與柴油機的配合特性

渦輪增壓器與柴油機之間沒有直接的機械聯接，只有一個串通的氣流通道，兩者的流量特性不同，在穩定的工作范圍內，流量變化幅度受到喘振、堵塞等因素的限制。對于確定的增壓器與柴油機，其流量特性也已確定。如圖2是渦輪增壓器和柴油機配合特性圖：曲線1是柴油機增壓器喘振線；曲線2是柴油機最低轉速運行線；曲線3是柴油機按推進特性工作時的運行線；曲線4是柴油機以標定轉速工作的等轉速(負荷特性)運行線；曲線5是柴油機按最大負荷速度特性工作時的運行線。增壓器與柴油機配合優劣判定之一是看運行線是否進入壓氣機喘振區。修后所換配件不正規、裝配工藝不到位，或出現其他影響流通特性的因素，會造成運行線向喘振線靠攏，運行時容易出現喘振。

2.3故障排除

如上所述，本案引起柴油機增壓器喘振的主要因素是修后增壓器氣體通道流通參數改變了，造成了增壓系統與柴油機匹配不當，使柴油機的運行線離喘振線較近，在高負荷區進入喘振區而引起喘振。改變了流量通道參數，也即改變了增壓器流量性能，該通道參數相較配匹正常的通道參數增大

圖1 在一定轉速和不同流量下工作輪葉片前緣處的流動情況示意圖

圖2 柴油機和渦輪增壓器配合特性圖

了，相對地使通過該通道的氣體流通量因小于匹配的設計流量而在擴壓器葉片內產生強烈的氣體分離形成了喘振。因此，在其它方面調整不能解決問題情況下，改變通道參數可以排除故障，有2個方法：一是擴大噴嘴環；二是更換小一檔葉片的通道流通面積的擴壓器。綜合各方面因素，選擇方法二更換小一檔面積的擴壓器，如圖3所示。更換小一檔面積的擴壓器后，引起喘振的限制流量就降低了一個階量，通過該通道的氣體流通量與設計流量就匹配，增壓器的工作點遠離了喘振線，同轉速等總空氣流量就不會小于限制流量而引起喘振。事實上，增壓器更換小一檔面積的擴壓器后，經重新負荷試驗與航行試驗檢驗，工作正常，各參數符合要求，喘振故障排除。

圖3 擴壓器葉面通道示意圖

In the light of surge fault phenomena in the repair of diesel engine,the turbo surge mechanization and the working condition matching characteristics with diesel engine are analyzed.According to the results of the turbo overhauling and the measurement data,the reason of the turbo surge is sought out.The smaller blade of diffuser is adopted passing flow area，the blade passing characters are changed,and the fault is eliminated smoothly.

ship;diesel engine;turbo surge;fault diagnosis

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.05.002

朱遠龍(1968-)，男，湖南岳陽人，高級工程師，大學本科，主要從事艦船修理工作。

2015-06-04