某船柴油機轉速波動分析

譚健

摘 要：柴油機轉速波動過大產生的危害很大，本文闡述了引起柴油機轉速波動過大的主要原因，并結合某船柴油機轉速波動大具體故障案例進行了分析。

關鍵詞：柴油機；轉速波動；調速器；燃油系統

中圖分類號：U664.121 文獻標識碼：A

Abstract： The harm caused by the excessive fluctuation of diesel engine speed is very large. This paper expatiates on the main reasons that cause the diesel engine speed fluctuation too much， and analyzes the concrete failure of the diesel engine speed fluctuation.

Key words： diesel engine； speed fluctuation； governor； fuel system

1 前言

柴油機是燃燒柴油并將燃料的化學能轉化為機械能的設備。柴油機熱效率高，功率范圍廣，起動迅速，使用壽命較長，因而得到了廣泛的應用，特別是在船舶應用方面，船舶柴油機做為船舶主要的配套設備，對船舶工業的發展至關重要。船舶柴油機主要做為推進系統主機和電站輔機，這兩個系統都是船舶系統的核心系統。柴油機的安全穩定運行直接影響到船舶的安全穩定運行，因此必須高度重視對柴油機的運行、維護、管理。

無論是柴油機運行人員、調試維修技術人員、維護人員、管理人員均需要了解柴油機的結構、工作原理和控制系統的控制邏輯，這樣在柴油機發生故障時候能夠準確分析原因并及時排除，恢復系統正常運行，避免事故的擴大造成更大的損失。現針對柴油機轉速波動這一常見現象進行具體分析。

2 柴油機轉速波動大的危害

在船舶上無論是作為動力主機還是電站的輔機，柴油機都扮演著重要角色。船舶柴油機在實際運行過程中會發生各種各樣的故障，其中轉速波動就是常見的故障之一。正常運行時柴油機的轉速在某一個轉速附近有微小的波動，根據各柴油機廠家對轉速波動率的要求設定有差異，一般波動率大概為±1%左右，這種微小的波動是正常的。但是如果轉速波動過大，周期性忽高忽低，調速系統無法將轉速穩定在某一值附近，甚至出現震蕩、發散現象，這會給柴油機的安全運行帶來非常不利的影響：

（1）導致柴油機組的振動過大，破壞柴油機運行的穩定性以及導致柴油機支持軸承和推力軸承磨損；

（2）轉速波動大如發生在低速區間，很可能造成柴油機滅火停運；如發生在高速區間，很可能造成柴油機超速飛車的嚴重事故；

（3）柴油機熱負荷不穩定，熱負荷波動影響螺旋槳動力輸出或者電站的電力品質，威脅船舶航行安全；

（4）過大的沖擊熱負荷直接表現為柴油機排氣溫度忽高忽低，柴油機承受過大的熱應力熱變形，嚴重時會導致柴油機氣缸拉缸，高溫受熱部件產生不可逆轉的塑性變形或者發生裂紋損壞，并大大縮短柴油機的使用壽命。

3 柴油機轉速波動大的原因分析

柴油機轉速波動大的原因很多，調速系統故障、燃油系統故障和柴油機本身故障是造成轉速波動的主要原因。

3.1 柴油機的調速系統故障

柴油機的調速系統對柴油機的安全穩定運行至關重要，調速系統的故障會直接導致轉速的大幅波動，甚至會導致柴油機熄火或者飛車超速等嚴重事故。

柴油機的調速器分為電子調速器、液壓式調速器、機械式調速器。信號監測及控制采用電氣方式的調速器稱電子調速器，是一種具有良好發展前景的調速器，其執行機構可分為電磁式和液壓式，前者主要應用于小功率柴油機上，后者主要應用于大功率柴油機上；液壓調速器是利用液壓伺服器將飛重產生的離心力放大從而控制油門，實現氣缸噴油量的調節，也就是轉速和負荷的調節，它廣泛應用于船舶大功率柴油機上；機械式調速器是直接利用飛重產生的離心力去拉動油量調節機構，以調節柴油機的轉速，是一種直接作用式調速器，主要應用在小功率柴油機上。

調速系統引起柴油機轉速波動大的原因主要有以下幾點：

（1）工作液壓油臟污變質是調速器最常見的故障，油質的臟污會導致調速器內部液壓滑閥移動遲緩甚至卡澀；

（2）轉速反饋系統故障，例如電子調速器的轉速傳感器故障，液壓式調速器和機械調速器的轉速—飛重離心力系統故障；

（3）內部液壓油存在空氣或者液壓油液位過低，也會造成調速器滑閥反應的滯后性，調速器靈敏度的降低必然導致轉速的波動；

（4）電子調速器的給定指令不穩定也會導致轉速的波動大，例如轉速控制信號受到外界電磁干擾時；

（5）轉速控制回路的控制邏輯設定不當，例如死區和增益設置不當造成轉速波動；

（6）和高壓油泵間的機械傳動機構（油門拉桿）卡澀、松脫等故障。

3.2 柴油機燃油系統故障

柴油機運行過程中，燃油系統故障也是引起轉速波動大的重要原因：

（1）系統存在空氣，會導致燃油壓力的波動，破壞燃油供給的連續性，甚至造成斷油熄火；

（2）油質差，存在水分和雜質，影響燃油在燃燒器內的霧化效果，造成燃燒的不穩定也即熱負荷的不穩定，而且雜質的存在會對燃油系統管路和油泵造成腐蝕卡澀，導致轉速的波動；

（3）油位過低會導致燃油泵流量不足發生汽蝕，使燃油壓力波動和滲入空氣，這也會造成燃燒的不穩定即熱負荷的不穩定；

（4）油溫是影響燃油粘度的關鍵因素，適當的溫度和粘度有利于燃油的霧化燃燒，過高或者過低的燃油溫度都會造成燃燒的提前和滯后，造成熱負荷的波動；

（5）供給系統的輸送泵、噴射泵故障、濾網堵塞等等，同樣會破壞燃油供給的連續性和燃油的霧化效果造成燃燒不良轉速波動；

（6）系統泄漏或者安全閥、溢流閥故障，導致供油壓力波動。

3.3 其他原因

除了調速系統和燃油系統外，引起柴油機轉速波動大原因還有柴油機熱負荷、機械負荷、增壓器和對中等：

（1）柴油機機械負荷的劇烈變化，超過調速系統的動態穩定能力。例如在惡劣海況風浪大時，動力系統螺旋槳吃水變化很大，調速系統為了將柴油機轉速穩定在設定值附近，會對柴油機供油量進行頻繁大幅度的調整。

（2）柴油機各缸發火不均，甚至有的缸不發火，發火不均導致各缸熱負荷不均也就造成了轉速的忽高忽低。

（3）柴油機廢氣渦輪增壓系統故障，例如廢氣渦輪或者壓氣機的葉輪臟污損壞等。在燃油供給量不改變的情況下，廢氣渦輪增壓系統故障會使供給燃燒室的空氣量不足，造成油多氣少的缺氧燃燒，燃燒的惡化導致轉速的波動大。

（4）柴油機與所帶的負荷對中不良、軸承磨損、氣缸拉缸、基座螺栓松動等，造成振動、動力傳輸的損耗過大。

4 某船動力系統柴油機轉速波動大實例分析

4.1 實船柴油機轉速波動情況

某船動力系統為雙軸雙槳推進，動力原動機為兩臺柴油機。柴油機為雙列16缸V型廢氣渦輪增壓柴油機。柴油機主要技術參數如表1所示。

正常運行情況下，柴油機調速系統的轉速波動率不超過±1%。按照柴油機調速系統控制程序邏輯，進四工況柴油機對應的指令設定轉速為880 r/min，實際轉速在871～889 r/min就是正常的。從圖中可以看出，轉速在一分鐘內發生了多次波動，波動最高達897 r/min，最低達861 r/min，波動率高達2.1 %。這種頻繁的大幅度的波動嚴重威脅柴油機的安全運行。

4.2 實船柴油機轉速波動故障分析

現從輪機和電氣兩方面對該船柴油機轉速波動大故障進行分析。

通過監控系統畫面對燃油系統相關參數進行分析。控制系統模擬量和現場壓力表均顯示燃油進機壓力0.30-0.38 MPa左右波動，那么燃油壓力的波動可能是造成轉速波動的原因。引起燃油壓力波動的因素有多種，例如燃油系統存在空氣，燃油機帶泵故障、傳感器故障、壓力表故障等等。傳感器測量的壓力和現場壓力表顯示基本一致說明壓力測量正常，燃油壓力確實存在波動；停運柴油機后對燃油系統進行放氣，也未發現燃油系統進空氣；對機帶泵進行拆檢，未發現機帶泵葉輪和軸承存在故障，經更換新的機帶泵后轉速和燃油壓力波動故障依舊，排除機帶泵故障。通過觀察燃油壓力和轉速波動情況，發現燃油壓力的變化總是跟隨并滯后于轉速的變化，這說明是轉速波動引起了燃油壓力的波動，而不是燃油壓力引起了轉速的波動。通過排查，燃油系統濾網、油位、油溫等均正常，另外回油閥、溢流閥、安全閥等均未發現異常。因此，燃油系統不是引起柴油機轉速波動的原因。

該船海上航行時水文氣象良好，無大風浪導致吃水的頻繁變化，螺旋槳的螺距也基本穩定在92.1%附近，這和進四車令相符，動力系統的機械功率是基本不變的；通過對廢氣渦輪增壓系統進行檢查，壓氣機和渦輪工作正常，未發現葉輪臟污損壞等現象，所以廢氣渦輪增壓系統也不是引起轉速波動的原因；柴油機各缸排氣溫度隨轉速波動，但是各缸溫度變化是同步的，不存在偏差大情況。

調速系統是引起柴油機轉速波動的重要因素，該船動力系統柴油機調速系統使用的是電-液調速系統，它是電子調速器的一種，其系統原理如圖2所示。

該調速系統的轉速信號監測和控制指令均采用電氣方式，執行機構采用液壓執行器。該調速系統主要是由轉速控制單元、電-液調速器、轉速傳感器等組成。電-液調速器的基本工作原理是：柴油機的轉速指令由車鐘上的轉速設定電位器給定，實際轉速由轉速傳感器反饋，該轉速傳感器為磁電式安裝于測速飛輪附近。實際轉速信號經過特定的轉速轉換模塊轉換為標準的電信號N2后與車鐘來的設定值N1進行比較后得到轉速偏差Ne；該偏差經過PID調節器運算放大、負荷限制后輸出油門指令P1再與油門反饋P2比較得到油門給定值電流Pe，此油門給定值電流進入調速器線圈產生驅動電磁力，促使滑閥移動改變液壓油流向帶動動力活塞移動，直至電磁力和彈簧力平衡；動力活塞聯動油門拉桿控制柴油機高壓噴油泵齒條向減小轉速偏差的方向運動，從而實現柴油機轉速穩定于某一定值。

對柴油機油門拉桿、高壓油泵齒條和節氣門進行仔細檢查發現其動作靈活到位無卡澀現象，調速器液壓油位正常，取油化驗油質正常；如果調速器進空氣會使調速器液壓執行機構反應的滯后，導致轉速波動大，但調速器使用新油緩慢注油排除空氣后柴油機轉速波動大故障還是沒有解決；測量電-液調速線圈電阻、絕緣正常。

轉速傳感器對柴油機的轉速控制至關重要，傳感器接線松脫、線圈短路或斷路、傳感器探頭到飛輪齒頂的距離不當等均會造成反饋轉速的波動，造成與車種指令轉速偏差大，最終導致轉速波動大。經對轉速反饋系統仔細排查，發現了轉速傳感器的線圈絕緣較低，絕緣低會導致轉速反饋的不穩定。經更換同型號的轉速傳感器后柴油機運行轉速基本穩定，波動率在1%合理范圍內，從根本上消除了轉速波動的現象。

因此，經過從機電多方面的分析排查，最終確定了調速系統的轉速傳感器故障導致了本案例中柴油機轉速波動大。

4.3 實船轉速波動故障消除后檢測

實船轉速波動故障消除后轉速曲線圖如圖3所示。從圖中可以看到，柴油機運行穩定，轉速波動在正常范圍內。

5 結束語

對于機電一體的控制系統，我們必須同時掌握電氣、自動化和機械方面相關的專業知識。大量的運行經驗表明，機械方面的原因引起轉速波動幾率很大。因此我們可以先從燃油系統、燃燒熱負荷和機械負荷等方面分析。如果機械方面無法查找原因再從調速控制系統方面分析，轉速傳感器、調速器、執行器、控制器等都是重點檢查的部位。 這是一個基本的原則，在實際應用時可以靈活掌握。只有相關專業知識的掌握和經驗的不斷積累，在處理柴油機轉速波動大故障時我們才會做到高效準確。

參考文獻

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