基于故障樹法的船舶柴油機順序增壓系統故障診斷

安伯瑞

摘要：順序增壓技術可以擴大柴油機功率運行范圍、提高低工況經濟性以及降低柴油機有害排放，是改善柴油機低工況性能的重要方法。文章分析了船舶柴油機順序增壓系統的工作原理，針對柴油機順序增壓系統的喘振故障特點，采用故障樹方法，建立了柴油機順序增壓系統的喘振故障樹，可為船舶柴油機順序增壓系統的實際管理和故障排查提供參考。

關鍵詞：船舶;柴油機;順序增壓系統;故障樹

0 ?引言

柴油機與增壓器之間的匹配優化是提高柴油機功率的一個主要限制因素，順序增壓系統是一種解決高功率密度柴油機與渦輪增壓器匹配時出現高低工況難以兼顧問題的增壓系統，通過不同渦輪增壓器的切換，在不同工況下均可保持較高的效率，同時其結構和控制相對簡單，使得其在船舶柴油機上得到廣泛應用。順序增壓系統結構更復雜和零部件更加智能化、精密化，如若出現故障，通常是憑經驗和拆檢來查找故障，其拆檢、診斷、安裝更為復雜，精密的零部件也更容易損壞，找到故障的準確位置也變得更加困難。如果在故障未發生之前，通過測量得到系統的一些征兆數據，然后利用現代信息處理科學等故障診斷理論進行仔細診斷，提前預判柴油機順序增壓系統有可能發生的故障，然后根據診斷情況采用針對性的維修和預防措施，能夠有效保障柴油機順序增壓系統的持續工作。本文以船舶順序增壓系統的喘振故障為例，采用故障樹方法，建立了順序增壓系統的喘振故障樹，對實際工作具有參考意義。

1 ?柴油機順序增壓系統

對于順序增壓系統工作原理，如圖1所示，壓氣機C和渦輪T組成增壓器，分別為基本增壓器和受控增壓器，在順序增壓系統中兩套增壓器是并聯的，為了實現在柴油機在高工況時兩臺增壓器同時工作，以及在柴油機低負荷工況下能夠切斷一臺渦輪增壓器工作，應在切斷的一臺增壓器的壓氣機和渦輪進口前分別設置一個進氣控制閥（也稱作空氣閥）和一個排氣控制閥（也稱作燃氣閥），用來控制加入或切斷渦輪增壓器運行，當柴油機轉速或負荷低于某一個設定值時，切斷一臺或多臺增壓器渦輪的廢氣以及壓氣機的空氣供給，使廢氣集中全部流給工作著的增壓器渦輪，如圖1（a）所示，對于低速工況，基本增壓器工作，受控增壓器停止工作，提高了渦輪效率;當柴油機轉速或柴油機負荷高于某一設定值時，被切斷停止運行的渦輪增壓器又重新投入使用，如圖1（b）所示，對于高速工況，基本增壓器和受控增壓器全部工作，使柴油機在高工況時運行性能得到保證，這樣就能夠充分利用廢氣能量，大大提高增壓壓力，從而改善發動機在低工況運行時的排放性能、動力性及經濟性[1]。

2 ?柴油機順序增壓系統喘振

順序增壓系統雖然能夠較好的匹配柴油機各個工況，但是仍然會產生喘振故障，喘振故障作為渦輪增壓器最為典型的故障現象，其故障特征表現為渦輪增壓器壓氣機端會出現劇烈的氣流波動，同時會有“吼叫聲”發出[2]。增壓器產生喘振的原因較為復雜，對于常規的渦輪增壓器，由于增壓器轉子轉速不能很快地隨著柴油機轉速的下降而下降，使得渦輪增壓器的壓氣機端處于“低流量、高背壓”工況，會使得空氣進入渦輪增壓器壓氣機端的氣流方向與壓氣機的葉片入口之間出現沖角，造成柴油機在低負荷運行下增壓器發生喘振。雖然順序增壓系統能夠在低負荷下有效運行，但是順序增壓系統切換過程中也是容易發生喘振的。對于順序增壓系統，根據柴油機的轉速和工作負荷，設置不同渦輪增壓器投入工作或切斷工作切換點，該切換點的合理設置將決定柴油機與順序增壓系統之間的良好匹配效果。柴油機1TC（單增壓器）和2TC（雙增壓器）的切換點就是工作狀態相互切換時的運行工況點。

選擇一個合適的切換點是順序增壓系統工作良好的標志，不同的切換點將影響順序增壓柴油機在各高負荷工況、低負荷工況的輸出功率效率、燃油消耗率等。在柴油機轉速變化負荷工況變化進行增壓器切換時，空氣閥必須遲于燃氣閥打開，才能避免在切換過程中渦輪增壓器的壓氣機端產生喘振故障。也就是說，當柴油機順序增壓系統由單增壓器工作切換為雙增壓器工作時，如果切換延遲過小，將會導致受控增壓器的壓氣機端氣流導流，進而發生喘振故障;如果切換延遲過大，當空氣閥打開后由于主增壓器的壓氣機端氣流流量過小，背壓過大，將會導致基本增壓器的壓氣機端發生喘振故障，與此同時，受控增壓器由于壓氣機端零流量、轉速過高也會發生喘振故障[3]。

3 ?基于故障樹法的順序增壓系統喘振診斷

3.1 故障樹方法

故障樹方法在故障排查與診斷中廣泛應用，其是一種特殊的樹狀邏輯圖，用圖形符號的方式表示系統故障發生的可能原因，主要由頂事件、中間事件以及底事件組成，它們之間用圖形符號表示彼此之間的關系。對于頂事件，是指結果事件，為故障樹所分析的目標;對于底事件，一般位于故障樹的最底端，是指導致故障樹其他事件發生原因的時間;對于中間事件，其是位于頂事件和底事件之間的中間結果事件[4]。

3.2 故障診斷

順序增壓系統的氣流過程，如圖2所示。除上述順序增壓系統增壓器切換時間可能引起喘振故障之外，順序增壓系統的氣流通道堵塞也會使渦輪增壓器壓氣機喘振。在氣流流動過程中，只要有其中一個流通環節發生阻塞，都會因為阻礙氣流的流動而引生喘振。因此在對順序增壓系統進行維修保養時，應注意對上述氣流方向涉及的通道進行清潔檢查，特別是在空氣濾清器、壓氣機葉輪、中冷器、柴油機氣缸進氣口與排氣口、順序增壓系統的渦輪噴嘴環和渦輪端葉輪。其中，順序增壓系統中渦輪增壓器渦輪端葉片的損壞以及增壓器軸承的燒毀也是產生增壓器喘振的重要原因。

根據上述分析建立順序增壓系統喘振故障樹，如圖3所示。從圖3中可以明顯的看出順序增壓系統喘振故障涉及的部件以及原因。

4 ?結束語

本文基于故障樹方法，建立了包含進排氣系統、軸承、轉子、噴嘴以及切換時間等要素的順序增壓系統喘振故障樹，可為船舶柴油機順序增壓系統保養、維修以及故障診斷提供參考。

參考文獻：

[1]李勝達.柴油機多階段及雙壓氣機順序增壓系統仿真研究[D].上海交通大學，2012.

[2]曾憲民.船用柴油機故障分析及輔助診斷系統[D].大連理工大學，2013.

[3]邱晗.基于故障樹和油液檢測的柴油機的故障診斷與研究[D].大連海事大學，2010.

[4]石凡，王銀燕，馮永明.船用高速柴油機多臺增壓器相繼增壓計算分析[J].船舶工程，2007（2）：24-28.