船舶柴油機增壓器的故障分析與排除

劉建安，郭家建

(福建船政交通職業學院，福建 福州 350007)

目前，國際商船上的船舶柴油機普遍采用廢氣渦輪增壓的方式來提高功率。具體過程：柴油機排放的廢氣通過增壓器的廢氣渦輪端，并在其中做功，使廢氣中的能量通過廢氣渦輪機輸出，驅動同軸的增壓器壓氣機旋轉，壓氣機將被壓縮的增壓空氣送入柴油機。因為增壓空氣的壓力升高，其空氣密度增大，從而增加進入汽缸的進氣量，使汽缸內的油氣混合物燃燒地更充分，因此大幅度提高了柴油機的功率和做功熱效率。廢氣渦輪增壓器的使用使柴油主機的輸出功率和柴油機的經濟性都得到顯著的提高。[1]

1 故障經過

某船柴油主機型號：MAN B&W 6S50 MEC，廢氣渦輪增壓器型號：VTR500，柴油主機和副機都使用重油(180cst)，經濟服務航速12.0 kn(約為主機55%額定功率下的降速航速)， 環球航線。2015年至2017年，因為廢氣渦輪增壓器的原因使主機工況惡化，航速下降，造成一定的經濟損失。當時，主機額定轉速為120 r/min，加速到115 r/min左右時，增壓器喘振現象出現，某些缸單缸排溫過高，排煙總管內在增壓器渦輪進口處的溫度達到了497 ℃，在炎熱海域，有時最高可達到526 ℃。經技術咨詢和確認，同機型的主機在該工況下，通常各缸排煙溫度在350 ℃左右，增壓器廢氣渦輪端進氣排煙溫度為430 ℃左右。[2]

這種故障現象持續了很長一段時間，剛開始影響不明顯，后來持續積累惡化，最終導致主機因排溫過高而自動降速，如果不進行處理，后期會影響船舶安全航行。

翻閱以前的資料，包括輪機日志、工作記錄等，發現故障現象自2016年10月開始，一直延續至2017年。該船在做年度檢驗時，進行了增壓器空氣濾網清洗、更換，人員進入掃氣箱中檢查，將增壓器解體清洗，軸承和氣封換新，空氣冷卻器用外接清洗泵酸洗除垢，進行了主機各缸吊缸等相關工作。主機啟動檢查，發現故障現象有改善，但工況仍不能恢復到正常狀態。

調節柴油機的噴油定時，結合早期正常工況下測取的汽缸示功圖的爆發壓力、壓縮壓力、燃燒狀態，分析研究柴油機增壓器故障引起后繼柴油機排溫過高的原因。

2 故障原因診斷分析

以2015年8月在主機早期正常工況下測取的熱工參數與2017年故障狀態時的熱工參數進行對比，見表1、表2。

表1 主機主要熱工參數對照表

表2 主機其他熱工參數對照表

從表 1和表2 可以看出，在同樣工況下，2017年10月的最高爆發壓力和壓縮壓力比2015年8月降低許多，主機排溫平均每缸升高50～60 ℃，掃氣壓力也降低0.013 MPa。增壓器廢氣進口溫度增加了約70 ℃，出口溫度增加了約60 ℃，說明主機工況惡化。

柴油機的燃燒過程主要受燃油品質、噴油正時、換氣質量、霧化質量等工況因素影響。因此，本文案例中，柴油機的排溫熱負荷增大引起故障降速，不難確定是由于增壓器喘振，進、出口廢氣溫度過高引起的[3]。

3 故障原因分析及排除

2015年與2017年的汽缸掃氣溫度變化不大，因此，排除空氣冷卻器冷卻側臟堵的原因。另一方面，在航行中，當主機轉速增加到101～105 r/min時，增壓器發出喘振聲；當轉速增加至115 r/min以上時，隨著增壓器轉速升高，掃氣壓力增加，增壓器喘振加劇，且本體振動劇烈，同時主機排溫顯著增高。綜合分析主機增壓器喘振故障的原因，當增壓器壓氣機端氣流實際流量<設計工況流量時，氣流會沖擊葉輪進口處葉片凹面，并在凸面分離氣流，從而引起增壓器喘振，同時掃氣增壓效率下降。

有關技術資料將喘振原因分為增壓器氣體流動管道堵塞和增壓器氣體流動非管道堵塞2種[4]。

3.1 增壓器氣體流動管道堵塞

柴油機正常工況下工作時，增壓系統的增壓器流動管道氣流流動線路為：空氣→空氣濾網→消音器→葉輪(壓氣機側)→空冷器→主機掃氣箱→進氣口(掃氣口)→柴油機汽缸→排氣口→排氣總管→渦輪端噴嘴環→葉輪(廢氣渦輪側)→廢氣鍋爐→排出。在這條氣體流動線路中，若有一個環節發生故障，就會影響柴油機氣體流通性，造成柴油機增壓器喘振、增壓器性能效率和增壓掃氣壓力下降，以及主機排溫升高等，若等主機排溫升高到一定值后，就可能出現故障報警、自動降速或停車的現象。表3為船舶增壓器故障和可能原因對應表，通過表3來分析、判斷增壓器故障的相關現象和原因，并針對性解決。

3.2 增壓器氣體流動非管道堵塞

1)增壓器工作環境溫度發生變化。船舶在較高氣溫的海域或季節航行時，其周圍空氣密度較小，因而增壓器的進氣流量會減少，工作使排氣壓力下降，廢氣渦輪獲得的能量減少，在主機油門加大提高轉速的過程中，易產生增壓器喘振現象。

2)空冷器冷卻效果變差。空冷器的空氣側和冷卻水側臟堵、產生結垢會使熱交換效果變差，從而使冷卻能力下降，柴油機排氣溫度升高，增壓器轉速升高，流量增大，易引起喘振。

3)船舶航行阻力增大。當柴油機在高負荷工況運行時，柴油機噴油量必須有所增加，提高轉速，才能保持一定的航速。但此時由于高負荷阻力的原因，柴油機轉速反而有所降低，增壓空氣的流量反而減小，氣體流通過程中在渦輪側和壓氣機側產生流量上不匹配的矛盾，因而增壓器更易發生喘振。[5]

表3 船舶增壓器故障和可能原因對應表

4)柴油機燃燒系統故障。若柴油機燃燒噴油系統發生故障，會產生燃燒后燃加劇，主機排溫升高，燃燒終點滯后，使增壓器轉速升高，壓氣機壓縮氣體流量增大，與渦輪側氣體流量不匹配，易發生喘振。

5)柴油機單缸不工作或柴油主機手柄操車速度過猛。在柴油機運行時，若單缸熄火(主動單缸停油)或者短時間內急速減速、加速或停車，由于增壓器仍保持較大的轉動慣量，不能立即減速或停轉，同時，增壓器的渦輪側空氣流量減少，而壓氣機側背壓仍處于較高狀態，在高背壓、小流量下運行的增壓器，易引起喘振。[6]

經大量的實踐調查，船舶航行過程中，主機增壓器氣體流動管道堵塞也是引起增壓器喘振的主要原因。

對比2015年和2017年的數據，2年內都不同程度的對柴油機增壓器相關設備進行清潔、檢修處理(包括增壓器壓氣機葉輪、擴壓器、噴嘴環、廢氣葉輪等部件)，還有進口濾器、掃氣箱和排氣口等都進行了清潔，增壓器甚至解體，對迷宮式密封、轉子軸封、氣封都進行了修理或換新。但重新裝復測試后，增壓器和主機的運行工況還是沒有得到太大改善。

因此，將柴油機正常工況運行參數作為基準，以近2年檢修改善增壓器工況的檢修工作為基礎，分析判斷以上故障產生的主要原因應該是：增壓器渦輪側葉輪的葉片或者噴嘴環噴嘴葉片變形。后經拆檢，對增壓器轉子進行平衡試驗(動、靜平衡試驗)，確認葉輪工作葉片有腐蝕以及一定程度的變形，為此，更換渦輪側葉輪，換新噴嘴環，試運行主機，增壓器本體振動減小，加速區喘振消失，主機運行工況良好，各缸排氣溫度恢復到360 ℃左右正常狀態。

4 日常維護管理

在柴油機增壓系統日常管理中，應依照各船實際情況和增壓系統說明書、保養手冊制訂出合理的維護管理工作流程。

1)柴油機在良好工況運行時，仍應按照輪機日志等技術文檔具體要求在規定時間內記錄各項重要運轉參數(如各缸排溫、增壓器渦輪進氣/排氣溫度、轉速、空冷器溫差和壓降等重要工況參數)，這些重要參數既作為監測對象，也是后期發生故障后分析、排除的基本依據。

2)柴油機操作應盡量平緩，柴油機增、減速操作不能動作太迅猛，避免發生喘振現象，除非緊急情況。

3)船舶柴油主機高負荷條件下，不應該為保持航速而加大噴油量，造成主機超負荷，而應根據具體情況適當降低主機噴油量。

4)輕油和重油燃燒轉換時，應適當調整噴油提前角，輕油轉換為重油，應適當調大噴油提前角，以減少后燃，從而達到降低主機排溫的目的，反之亦然。

5)根據說明書要求和具體情況，清洗和拆檢主機增壓器和空冷器。

6)定期進行鍋爐吹灰工作。

7)注意增壓器軸承的維護和保養。