船舶主柴油機(jī)排氣系統(tǒng)布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

袁小秋

摘 要：本文以工程船主柴油機(jī)上排氣系統(tǒng)為例，通過分析優(yōu)化前的排氣系統(tǒng)布置中廢氣渦輪增壓器頻頻出現(xiàn)裂紋故障的原因，同時(shí)應(yīng)用排氣管熱力學(xué)分析方法，提出主柴油機(jī)排氣系統(tǒng)布置優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，新設(shè)計(jì)方案有效地杜絕了類似故障的再次發(fā)生，并降低了船舶運(yùn)營成本和提高了經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：廢氣渦輪;增壓器;膨脹節(jié);主柴油機(jī);防范措施

1前言

船舶主柴油機(jī)，即船舶動(dòng)力裝置，是為各類船舶提供動(dòng)力的機(jī)械，更是全船的心臟，主柴油機(jī)對船舶的作用無可替代。20世紀(jì)初，柴油機(jī)開始用于運(yùn)輸船舶，第一艘遠(yuǎn)洋柴油機(jī)船是1912年丹麥建造的“錫蘭迪亞”號(hào)，主柴油機(jī)為兩臺(tái)四沖程八缸柴油機(jī)，共1250馬力，每分鐘140轉(zhuǎn)，直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)螺旋槳。1914年柴油機(jī)船占全世界船舶總噸位0.5%，到1940年上升為20%。柴油機(jī)動(dòng)力裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是熱效率高，燃料消耗明顯地低于蒸汽機(jī)動(dòng)力裝置。隨著技術(shù)的發(fā)展，柴油機(jī)動(dòng)力裝置有了一系列的改進(jìn)，其中主要之一的技術(shù)革新是出現(xiàn)了增壓器的配置，增壓器提高了柴油機(jī)的功率和經(jīng)濟(jì)性能，也使柴油機(jī)在發(fā)出同樣功率的條件下，柴油機(jī)的機(jī)體體積可以做的較小。船舶主柴油機(jī)排氣系統(tǒng)主要由管道、消音器、膨脹節(jié)、增壓器等組成。工程船上的主柴油機(jī)大部分采用中速廢氣渦輪增壓機(jī)型，廢氣渦輪增壓器將主柴油機(jī)排出廢氣的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，帶動(dòng)壓氣機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生虹吸作用，新鮮空氣被吸入壓氣機(jī)殼并使其密度增加和壓力提高，從而實(shí)現(xiàn)提高柴油機(jī)功率目的。由此可見，廢氣渦輪增壓器部件是否正常運(yùn)行對柴油機(jī)工作非常重要。

此類主柴油機(jī)在工作狀態(tài)下時(shí)，從廢氣渦輪增壓器排出的廢氣溫度范圍為300℃-550℃之間，排氣管和廢氣渦輪增壓器長時(shí)間處于高溫環(huán)境下工作。優(yōu)化前的主柴油機(jī)排氣系統(tǒng)布置方案沒有充分考慮廢氣渦輪增壓器的工作環(huán)境，而只是在主柴油機(jī)排氣管中設(shè)置了垂向膨脹節(jié)，排氣管和廢氣渦輪增壓器在高溫工作環(huán)境下，會(huì)由于熱脹原理產(chǎn)生橫向和垂向（相對于主柴油機(jī)排氣管布置方向）變形，垂向變形會(huì)被設(shè)置的垂向膨脹節(jié)吸收，而橫向變形不能被吸收會(huì)產(chǎn)生附加作用力，附加應(yīng)力作用在廢氣渦輪增壓器本體上并使其產(chǎn)生裂紋，從而影響主柴油機(jī)的正常運(yùn)行。

為了糾正主柴油機(jī)排氣系統(tǒng)布置的設(shè)計(jì)缺陷，消除附加應(yīng)力對廢氣渦輪增壓器的影響，杜絕廢氣渦輪增壓器產(chǎn)生裂紋故障的現(xiàn)象，重新對主柴油機(jī)排氣管路的布局及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出在主柴油機(jī)排氣管在高溫工作環(huán)境下發(fā)生變形的橫向及垂直方向均設(shè)置能夠吸收其膨脹變形的膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)方案，并通過實(shí)踐證明，廢氣渦輪增壓器再未出現(xiàn)裂紋故障。

2優(yōu)化前設(shè)計(jì)缺陷成因分析

2.1優(yōu)化前的設(shè)計(jì)說明

工程船上主柴油機(jī)排氣管路布置成∽型，由壁厚為5mm、外徑為φ460mm左右的無縫鋼管加工而成，材質(zhì)為Q235-A。主柴油機(jī)在工作狀態(tài)下，從廢氣渦輪增壓器排出的廢氣溫度范圍在300℃-550℃之間，主柴油機(jī)排氣管和廢氣渦輪增壓器長時(shí)間在高溫條件下工作。

在優(yōu)化前的設(shè)計(jì)中，考慮到主柴油機(jī)排氣管受熱膨脹變形的影響，在主柴油機(jī)排氣管的下端（與廢氣渦輪增壓器上法蘭連接處）設(shè)置了有吸收主柴油機(jī)排氣管變形的膨脹節(jié)（見圖1），然而，此設(shè)計(jì)方案中的膨脹節(jié)只能吸收主柴油機(jī)排氣管的垂向變形，主柴油機(jī)排氣管的橫向變形無法得到有效釋放。主柴油機(jī)排氣管在高溫條件下受熱膨脹影響產(chǎn)生的附加作用力過大導(dǎo)致廢氣渦輪增壓器連接法蘭產(chǎn)生裂紋。

2.2 廢氣渦輪增壓器安裝容許力

根據(jù)廢氣渦輪增壓器安裝要求，主柴油機(jī)排氣管受熱膨脹變形影響對廢氣渦輪增壓器的作用力不得超過圖2所列的值，為便于比較，將其轉(zhuǎn)換為kN-m的單位制（見表1）。

2.3 主柴油機(jī)排氣管對廢氣渦輪增壓器作用力校核

通過采用主柴油機(jī)排氣管的熱力學(xué)分析方法得到了優(yōu)化前排氣管系統(tǒng)高溫條件下對廢氣渦輪增壓器的附加作用力，結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3及圖4可知，優(yōu)化前設(shè)計(jì)（對應(yīng)工況1）中，排氣管膨脹變形產(chǎn)生的附加作用力隨著溫度的升高而增加，溫度在300℃-550℃間變化時(shí)，其附加作用力：①軸向作用力RFx在130kN-210kN之間變化;②附加彎矩RMz在190kNm-311.6kNm之間變化。

可見，無論是軸向作用力還是附加彎矩均大大超過了廢氣渦輪增壓器安裝容許力要求，考慮到主柴油機(jī)排氣管上端的微小變形，主柴油機(jī)排氣管下端對廢氣渦輪增壓器的作用力比計(jì)算值要小，可以推斷其值仍會(huì)超過廢氣渦輪增壓器的安裝容許值;需要說明的是，工況2對應(yīng)的是在主柴油機(jī)排氣管中只設(shè)置橫向膨脹節(jié)的方案，在這種布置方案下，排氣管對廢氣渦輪增壓器產(chǎn)生的附加作用力也大大超過了增壓器安裝容許力，但比在主柴油機(jī)排氣管中設(shè)置垂向膨脹節(jié)的方案產(chǎn)生的附加作用力要小。由此可見，在主柴油機(jī)排氣管中只設(shè)置垂向或橫向膨脹節(jié)的方案不能有效地保護(hù)廢氣渦輪增壓器，都會(huì)在廢氣渦輪增壓器上產(chǎn)生大于容許值的附加作用力，最終導(dǎo)致廢氣渦輪增壓器產(chǎn)生裂紋。

3優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的理論依據(jù)

工程船上主柴油機(jī)排氣管路布置成∽型，通過采用熱力學(xué)分析方法可得出主柴油機(jī)排氣管在高溫工作條件下熱膨脹變形值，結(jié)果如圖5-圖7所示。由圖可知，溫度越高，變形量越大。如果在主柴油機(jī)排氣管中只設(shè)置垂向膨脹節(jié)，排氣管的最大垂向變形量將達(dá)到27mm;如果在主柴油機(jī)排氣管中只設(shè)置橫向膨脹節(jié)時(shí)，排氣管的最大橫向變形量為18mm;如果在主柴油機(jī)排氣管中設(shè)置橫向和縱向膨脹節(jié)，排氣管在兩個(gè)方向的最大變形量分別為10mm和16mm。這意味著我們在選用膨脹節(jié)時(shí)，必須選用能吸收變形量超過30mm的膨脹節(jié)，考慮到其中一個(gè)膨脹節(jié)失效的特殊情況。

4優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

由以上分析可知，在現(xiàn)有工程船主柴油機(jī)排氣管系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上的優(yōu)化措施為：在主柴油機(jī)排氣管在高溫工作條件下發(fā)生變形的兩個(gè)方向均設(shè)置能夠吸收其膨脹變形的膨脹節(jié)。膨脹節(jié)的選用規(guī)格為能夠吸收30mm變形量，這樣就可以防止主柴油機(jī)廢氣渦輪增壓器因受外力而損壞。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案示意圖見圖8。

5應(yīng)用效果分析

工程船上主柴油機(jī)運(yùn)行2～3年后，廢氣渦輪增壓器容易出現(xiàn)不同程度的裂縫故障。廢氣渦輪增壓器一旦出現(xiàn)裂縫，必須立即停航搶修，一般情況搶修需花費(fèi)一天時(shí)間。修理費(fèi)用約8000元，工程船停航一天的損失約100000元，修理費(fèi)用及停航一天帶來的損失較大。通過對主柴油機(jī)排氣布置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主柴油機(jī)廢氣渦輪增壓器未出現(xiàn)裂縫故障。因此，工程船上主柴油機(jī)排氣布置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，成功杜絕了廢氣渦輪增壓器的裂縫故障的發(fā)生，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

6結(jié)語

近年來，全球經(jīng)濟(jì)增長放緩，航運(yùn)業(yè)發(fā)展前景十分悲觀，航運(yùn)業(yè)供過于求的行情依然持續(xù)，我國航運(yùn)企業(yè)特別是小型航運(yùn)企業(yè)眾多，除少數(shù)幾家中央大型航運(yùn)企業(yè)集團(tuán)外，其他航運(yùn)企業(yè)尤其是沿海航運(yùn)企業(yè)面臨的競爭十分激烈。一家小型航運(yùn)企業(yè)要想在如此惡劣環(huán)境下生存下去，就必須加強(qiáng)內(nèi)部管理，減少設(shè)備故障率，增加船舶出勤率，而對工程船上主柴油機(jī)排氣管系布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是一項(xiàng)加強(qiáng)船舶設(shè)備管理和降低船舶運(yùn)營成本的措施，同時(shí)也在惡劣的外部環(huán)境下提升了競爭力。

參考文獻(xiàn)：

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