船舶柴油機增壓器喘振故障的分析與排除

孫齊虎，呂運，汪兆臣

(1.海軍士官學校，安徽 蚌埠 233012；2.91998部隊,遼寧 大連 116000 )

0 引言

為提高船舶柴油機的功率和效率，世界各國船舶柴油機多數采用廢氣渦輪增壓器。近年來，隨著船舶出海時間和頻率的不斷增加，廢氣渦輪增壓器發生故障也愈加頻繁[1-6]，而喘振故障則是廢氣渦輪增壓器最容易發生并且很難分析和排除的故障。喘振故障一旦發生，就會影響柴油機的正常運行，甚至出現破壞性事故，影響船舶的航行安全。

1 增壓器喘振的故障機理

1.1 增壓器喘振故障的機理分析

圖1 離心式廢氣渦輪增壓器工作原理

離心式廢氣渦輪增壓器工作原理如圖1所示，廢氣渦輪增壓器由離心式壓氣機與廢氣渦輪同軸相連。廢氣渦輪在排氣能量的作用下轉動，帶動同軸的離心式壓氣機轉動工作，實現對空氣的壓縮，提高進氣壓力。

圖2 離心式壓氣機旋轉喘振機理

離心式壓氣機旋轉喘振機理如圖2所示，當工況發生變化時，如果壓氣機的流量減小，就會在壓氣機流道中出現旋轉脫離現象，形成少量氣流旋渦。當流量大大低于設計流量時，進氣沖擊壓氣機葉片凹面, 在葉片凸面發生氣流分離現象，由于葉輪向前轉動進一步擴大了這種分離現象，導致進入壓氣機的氣流嚴重撞擊葉片凹面,在凸面產生氣流旋渦和分離，這時壓氣機的出口壓力突然下降，但壓氣機出口的管道壓力來不及下降，從而導致管道中的氣體向壓氣機倒流，直到管道中壓力下降到低于壓氣機出口排氣壓力為止，壓氣機又恢復向管道供氣。然而，由于壓氣機進氣流量不足，在壓氣機出口恢復到原來的壓力以后，又會在流道內出現旋渦區，如此周而復始，壓氣機和管道內的流量發生周期性變化，增壓器進出口壓力大幅度脈動，同時伴隨著壓氣機葉輪產生劇烈振動，并發出沉重的喘息聲或吼叫聲，這就是壓氣機的喘振。

1.2 增壓器離喘振故障機理的數學分析

離心式壓氣機的特性曲線可用一條拋物線來描述[7-8]。該特性曲線描述在低流量范圍內，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

,

(1)

式中:Ks為比例系數;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量。根據式(1)，壓縮比p2/p1與流量Q近似呈拋物線關系。通過數學分析，可得出如圖3所示的離心式壓氣機特性曲線。從圖3中可以看出：

1)只要壓氣機的進氣流量下降，無論轉速大小，增壓器都有可能出現喘振。

2)在運行工況發生比較劇烈的變化時，無論轉速和溫度高低，工況都有可能變化到喘振區，導致出現喘振故障。

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，很容易出現喘振。

4)轉速越大，柴油機穩定工作區相對窄一些，容易出現喘振。

5)同種轉速下，相對分子質量越大越容易喘振。

6)同種轉速下，溫度越高越容易出現喘振。

a)轉速v對特性曲線的影響 b)分子量M對特性曲線的影響 c)溫度T對特性曲線的影響圖3 離心式壓氣機的特性曲線

2 基于故障樹的喘振故障原因分析

根據喘振產生機理和對離心式壓氣機喘振故障的數學分析可得，柴油機增壓器發生喘振的根本原因是相對進氣量變小，導致進氣量變小的主要因素有： 1)柴油機運行工況發生突變； 2)增壓器的相對進氣量變??； 3)進氣背壓增大； 4)并聯的增壓器工作不均衡。

船舶柴油機相對于其他柴油機具有以下特點：

1)多為直列式和V型排列，一般一排氣缸使用一個增壓器；

2)船舶柴油機工作時間長、負荷大；

3)船舶柴油機(特別是主機)工況變換頻繁；

4)船舶柴油機航區比較廣，經常穿梭于寒區、溫區和熱區，環境溫度變化大；

5)船舶柴油機一般處于密閉的機艙，周圍空氣受通風條件限制；

6)船舶柴油機橫傾、縱傾角度大，影響冷卻效果。

結合船舶柴油機的結構和工作特點，采用故障樹分析法，圖4為船舶柴油機增壓器喘振故障樹。根據圖4的分析結果，可將船舶柴油機增壓器出現喘振的可能原因總結如下：

1)柴油機因緊急情況或特殊情況而工況突變，如急加減速、突然接脫排、大風浪、超負荷運行等；

2)進氣系統故障，包括進氣系統部件臟堵、增壓器故障、背壓閥損壞、氣門組件故障、氣門間隙不合格等；

3)燃油系統故障，主要包括噴油器、噴油泵故障、供油提前角過小等；

4)冷卻系統故障，主要包括冷卻系統部件的臟堵或故障、大風浪氣泡太多等導致的冷卻效果不好；

5)V型排列的船舶柴油機并聯的增壓器工作失衡，如兩個增壓器一個換新另一個無故障沒有換新，工況不一樣，或一個增壓器發生故障；

6)機艙大氣條件發生變化，如溫度發生變化、通風設施故障等。

圖4 船舶柴油機喘振故障樹分析

影響柴油機喘振的因素種類很多又相互作用，所以在實際工作中注意多方面因素的綜合考慮與判斷。

3 船舶柴油機增壓器喘振故障案例分析

3.1 故障現象

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。當轉速降至840 r/min時，增壓器斷續喘振消失，隨后駕駛室試著給主機繼續加速，加速至900 r/min時也無喘振發生，也就是說增壓器喘振在主機運行850～890 r/min時產生。故障發生前，本船主機急減速至840 r/min左右時，偶爾喘振一下，但沒有斷續性的喘振。

3.2 排除過程

遵循先判后檢的原則，根據前期分析的船舶柴油機增壓器6條故障原因，結合故障現象，排除第1、5、6條。因柴油機在其他各個轉速都能正常運行，檢查排煙沒有明顯黑色，檢查各缸排溫相差不大，因而排除第3條燃油系統故障。因柴油機中冷器采用海水冷卻，檢查海水冷卻系統，發現海水壓力正常，用機械故障聽診器檢查海水泵工作聲音穩定，檢查無明顯泄漏，判斷除了中冷器(空氣冷卻器)可能有水壁結垢導致冷卻效果差外，不存在其他故障。因此,故障可能是進排氣系統或中冷器冷卻效果差引起的。

如圖5所示，根據該型柴油機的進排氣系統結構，遵循由簡單到復雜的原則進行檢查。檢查空氣濾清器、進排氣消音器沒有明顯堵塞，打開氣缸蓋罩殼，檢查氣門間隙正常、氣門無泄漏。打開增壓器罩殼，檢查增壓器內部清潔良好，無異物，壓氣端轉軸運轉平穩無卡滯并且增壓器的進氣濾網較新，不存在臟堵現象。拆下中冷器時發現沒有空氣導流板，安裝新的空氣導流板，并拆開、清潔中冷器重新安裝，試車時喘振現象未再出現。

圖5 某船舶柴油機進排氣系統

3.3 原因分析

該柴油機在出廠時因增壓器和柴油機的匹配問題，在中冷器上端裝有一個空氣導流板。而該船在進廠塢修檢查時因中冷器難以安裝，空氣導流板被移除。開始由于中冷器剛剛經過清洗，并且冷卻效果較好，所以柴油機正常工作時進風量仍然在增壓器和各缸工作所需氣體量的匹配范圍內，但是隨著主機的使用性能逐漸下降，中冷器內空氣管及進氣管有一定的臟污，空氣通過中冷器冷卻時產生擾流，從而導致進入氣缸的空氣不足，產生喘振。重新安裝導流板使通過空氣的擾流消除，并且加強自由進氣階段和慣性進氣階段的進氣量，使各缸在正常工作下獲得更大的進氣量，不僅消除喘振，還使主機的工況得到一定的提升。

3.4 管理啟示

1)作為柴油機使用者，在進廠塢修、小修、中修以及大修的過程中，要盡可能的投入到柴油機的修理過程中，這樣不僅增強自己的維修能力，也加強對柴油機各方面的了解，為后續使用維護、故障排除積累資料和經驗。

2)作為柴油機廠家應該把柴油機在出廠組裝時所有的試驗報告和問題以書面形式告知客戶，這樣方便客戶充分了解和及時檢查發現柴油機存在的問題。

3)船舶柴油機結構復雜，工作環境惡劣，故障分析與排除時，必須分析故障機理，從源頭梳理故障原因，分析可能導致該故障發生的直接原因，再由簡單到復雜逐漸排除。

4)增壓器喘振故障是柴油機最常見的故障之一，喘振故障一般是循序漸進發生的。其主要原因是長期的高負荷、頻繁改變工況導致柴油機性能下降，日積月累逐漸接近喘振工況區域，因而在日常維護中要嚴格按照規定進行日檢拭、月檢修和其他相關維護保養，尤其重點清除流道阻塞。

4 結論

分析柴油機增壓器喘振的故障機理和影響因素，針對船舶柴油機的結構及工作特點，采用故障樹分析法總結船舶柴油機增壓器喘振故障的可能原因為：1)柴油機因緊急情況或特殊情況而工況突變；2)進氣系統故障；3)燃油系統故障；4)冷卻系統故障；5)V型排列的船舶柴油機并聯的增壓器工作失衡；6)機艙大氣條件發生變化。

案例分析表明：總結分析的方法和結果對于船舶柴油機喘振故障診斷直觀有效，為確保增壓器的正常工作，盡量避免喘振的發生，在日常維護工作中要嚴格按照規定進行相關維護保養。