燃氣發動機故障維修

丁 聰

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452）

1 燃氣發動機簡述

設施采用的燃氣發動機組由卡特公司制造，型號G3516，全荷載轉速1500 r/min，冷卻系統容量1000 L，潤滑系統容量800 L，氣缸數和排列為V-16，燃燒方式為火花點火，曲柄軸旋轉方向（從飛輪端看）為逆時針方向，點火順序為：1-2-5-6-3-4-9-10-15-16-11-12-13-14-7-8。主要的輔助系統包括空氣進氣系統、排氣系統、燃氣系統、滑油系統、冷卻水系統、中冷水系統、啟動系統、調速系統、消防系統、電氣系統等。

2 故障現象與系統功能

（1）故障現象：機組故障停機后，現場檢查發現無法進行手動盤車；空氣濾器處有防凍液漏出；油底殼滑油液位明顯上漲，伴有乳化現象；水箱液位降低。

（2）故障分析：手動盤車無法進行可能是氣缸內進入冷卻液并且處于壓縮行程，而水無法進行壓縮，或是機組存有嚴重的機械損傷造成盤車困難；空氣濾器處漏出防凍液，且油底殼滑油液位上升，說明與冷卻水系統相關的部件出現損壞，并且漏到了進氣系統和滑油系統。

2.1 冷卻水系統

冷卻水路使用齒輪組傳動的水泵（圖1）。冷卻水從散熱器通過水泵葉輪的轉動引入水泵吸入口，其中的一部分通過水管被送到氣缸組前端，并流經主分配集管到達每個氣缸的水套。一部分冷卻水流出機組的背部，進入排氣旁通閥連接器殼體；繼續向上流動通過排氣肘管與渦輪增壓器渦輪機殼體，最后所有冷卻水流直接到達水冷卻排氣集管。

圖1 冷卻水系統原理

另一部分流經發動機滑油換熱器，進行熱交換，然后進入氣缸右后部的氣缸組水套。在水套中冷卻的冷卻水和熱的冷卻水混合，通過連接在所有氣缸水套上的分配集管流到氣缸組的兩側。

冷卻水向上流經水套并環繞氣缸套從底部到頂部流動。冷卻水流到接近氣缸套中溫度最高的頂部時，水套被減小。這個改變使冷卻水加快對氣缸套的冷卻。然后，冷卻液通過缸蓋襯墊上的孔上升進缸蓋，通過內部通道向前流動到缸蓋的前部。這些通道可以冷卻高熱區域，如火花塞和排氣門區域。接著通過肘管流出氣缸蓋，進入水冷卻排氣集管。

2.2 空氣燃料系統

2.2.1 進氣系統

發動機兩側的空氣流動方式一樣。潔凈的空氣被壓氣機葉輪從空氣過濾器吸入渦輪增壓器壓氣機，并被輸送到中冷器。中冷器降低了被壓縮空氣的溫度，為發動機提供恒溫的空氣。來自中冷器的空氣經過化油器進入渦流混合器，在渦流混合器中空氣與燃料相混合，經過分配通道混合燃氣從引入口進入氣缸。

每個氣缸都有兩套進氣閥和排氣閥。當活塞向下移動開始進氣沖程時，進氣閥打開，來自引入孔的冷卻的被壓縮的空氣/燃料混合物被吸入氣缸，進氣閥關閉，活塞向上運動開始壓縮沖程。電子點火系統控制模塊通過變壓器向火花塞輸送電壓，變壓器增加電壓直到有火花穿過火花塞缺口。火花將空氣/燃料混合物點燃，混合物燃燒的壓力將活塞下推，活塞進入動力沖程。當活塞再次向上移動時，活塞運動為排氣沖程，這時排氣閥打開，廢氣通過排氣孔被推入排氣管。在活塞完成排氣沖程后，排氣閥關閉，再次開始“進氣—壓縮—動力—排氣”循環。

2.2.2 排氣系統

來自排氣集管的廢氣進入渦輪增壓器的渦輪一側，帶動渦輪葉片轉動。渦輪葉片與壓氣機葉輪傳動軸相連，廢氣通過排氣肘管排出排出口。發動機負載的改變和燃料的燃燒，導致渦輪和壓氣機葉輪轉速的改變。當渦輪增壓器氣壓升高時，空氣與燃氣的結合比例改變。為了在氣壓升高時仍保持同等空氣和燃氣密度，在化油器進氣口和燃氣氣壓調節器通風孔之間連接一個平衡管。

2.2.3 中冷器

中冷器位于渦輪增壓器和化油器之間的空氣管路中。中冷器為水冷式，中冷水泵通過冷卻水引入管向中冷器底部送出冷卻水。冷卻水流經中冷器核心組件，然后通過冷卻水回流管流出中冷器，到達安裝在冷卻水回流管內的恒溫閥。恒溫閥保證流經中冷器核心組件的冷卻水保持在適當溫度。

空氣從渦輪增壓器壓氣機側通過管道流入中冷器。這些空氣通過中冷器核心組件并被冷卻，冷卻后的空氣流出中冷器進入化油器。這時燃氣與這些流入的空氣混合，空氣/燃氣混合物通過渦流混合器和分配管路，最終被吸入氣缸燃燒做功。

2.2.4 增壓器

機組有2 個渦輪增壓器，位于發動機的背部。每個渦輪增壓器都有一個渦輪機葉輪和一個壓氣機葉輪，這2 個葉輪都安裝在通用軸上且同時轉動。渦輪增壓器的渦輪機葉輪一側固定到排氣集管，而壓氣機一側與中冷器相連。

排出的燃氣由排氣旁通閥調節，進入渦輪機殼體并被壓入渦輪機葉輪槳葉。渦輪機葉輪和壓氣機葉輪為軸，因而渦輪機葉輪的轉動會引起壓氣機葉輪的轉動。

潔凈的空氣被從空氣過濾器吸入，通過壓氣機葉輪的轉動使吸入的空氣被壓縮。壓縮機使發動機在更高的效率下燃燒更多的燃料，發動機具備了更大的動力。

2.2.5 排氣旁通閥

旁通閥可以根據情況進行調節，還可以根據所承受負載進行節流角度的調節。在最大負載情況下，節流角度越大，通過節流板的燃料流出阻力越小，燃料損耗、損失也會減少。

從中冷器到排氣旁通閥的控制管路將渦輪增壓器壓氣機一側和排氣旁通閥連接。排氣旁通閥被通過廢料門連接到排氣肘管，控制進入渦輪增壓器渦輪機殼體的廢氣量。旁通閥所使用的導承殼體為水冷式。

提升閥由空氣壓強（大氣）和渦輪增壓器壓氣機排出到中冷器的氣體壓強間的壓力差啟動。位于調節器內的隔膜可以通過調節器頂端的通氣孔感應大氣壓強，隔膜的另一側通過連接到中冷器的控制管路感應渦輪增壓器壓氣機出口的氣壓。當氣壓達到一定數值時，壓力會移開隔膜，克服彈簧的彈力和大氣壓力，導致提升閥打開，從而允許一部分廢氣繞過渦輪機葉輪流出。

在恒定的負載條件下，閥門會處于一個設定的位置，該位置允許有恰好足夠的廢氣進入渦輪機葉輪而向后冷卻機提供適當的氣壓。

3 故障檢修過程

通過對冷卻水系統和空氣燃料系統的闡述，對可能出現故障的部件逐一進行拆卸檢查。維修作業前對機組進行隔離、泄放冷卻水和潤滑油。

3.1 拆檢渦輪增壓器

打開進氣濾器端蓋，取出濾器（濾器已被大量防凍液浸濕），拆下進氣濾器護蓋及渦輪增壓器。現場檢查發現密封部件未損壞，壓氣機葉片完好無損，渦輪機內有金屬碎塊顆粒，渦輪葉片有輕微損傷。

3.2 拆檢中冷器

打開連接在中冷器上的各個儀表管接頭、防凍液進出管線、至化油器的進氣短節、與增壓器相連接的進氣歧管，卸下4 個底座固定螺栓，并挪移到甲板。目測檢查中冷器組件無損壞。進行水壓試驗檢查，檢查結果無泄漏。

3.3 檢查各氣缸組件

將各缸氣門罩打開，拆下點火變壓器及火花塞，檢查發現2#缸進氣門彈簧鎖片斷裂，氣門落入氣缸里，使用內窺鏡檢查發現各缸內均有不同程度的積液。拆下2#氣缸的配氣機構及缸蓋，檢查發現缸蓋、活塞損壞嚴重，在內部發現部分損壞的氣門殘片。

經過上述檢查可以確定由于2#缸進氣門鎖片斷裂氣門落入氣缸，遇到高速運動活塞的撞擊，擊打到缸蓋上，導致缸蓋內的冷卻水道貫穿與氣缸相通，帶有壓力冷卻水進入到氣缸內再從進氣門進入進氣室及其他各缸，同時冷卻水也經過配氣機構、凸輪機構處灌入油底殼。

清理各氣缸內的積液后，發現4#、6#氣缸內同樣存有部分細小的塊狀金屬顆粒，且活塞斷面存有許多撞擊坑。其余各缸雖有部分積液，但無明顯損傷。

分析原因是2#缸氣門碎塊顆粒從進氣門處（氣門已掉落）進入進氣室，而此時臨近的4#、6#缸正處于進氣沖程，碎塊隨氣體進入氣缸內，并與高速運動的活塞發生撞擊。

3.4 更換2#、4#、6#氣缸的活塞、缸蓋等部件

（1）拆下對應氣缸的配氣機構，松開搖臂軸鎖緊螺母，取下搖臂軸、搖臂、氣門挺桿，拆下圍擋，最后取下缸蓋。

（2）拆下活塞連桿瓦緊固螺栓，手動盤車調整方向，取出活塞連桿，更換新的活塞和連桿瓦。部件更換之前使用柴油進行清潔。

（3）手動盤車調整曲軸，達到便于活塞連桿安裝的位置。安上活塞環，使用專用工具將活塞連桿裝入機體，活塞連桿瓦螺栓的扭矩為90 N·m（90°）。將連桿瓦緊固完成后手動檢查其是否可以左右移動，要有一定的間隙量確認未抱死，其間隙應為0.850±0.232 mm。

（4）更換缸蓋，安裝前對新缸蓋進行柴油清潔，對缸墊、推桿、圍擋等部件進行清潔，更換新的密封墊及密封件。缸蓋的緊固力矩為450 N·m，緊固時分2 次達到預定值；搖臂軸緊固力矩為120 N·m。

（5）各缸氣門間隙調整。回裝火花塞及氣門室蓋，回轉前將火花塞進行更換，火花塞的電極間隙滿足0.29±0.03 mm，火花塞緊固力矩為68±4 N·m。

（6）其他部件及管線回裝，回裝完成后對機組添加防凍液和潤滑油。

（7）手動盤車，對機組進行全面檢查。無問題后起機試運轉，機組啟機后運行平穩，空載連續觀察4 h 無問題后加載65%，運轉12 h 后無問題全面加載，運轉48 h 各項參數均正常穩定。

4 總結與維保建議

經過維修，設備再次正常運轉。故障出現的最直接原因是氣門彈簧鎖片磨損斷裂，導致氣門直接掉入氣缸，造成缸蓋活塞等部件嚴重損壞。鑒于這次事件，建議每次月檢時對易磨損的部件進行檢查，跟蹤記錄磨損情況，制定更接近現場使用情況的維保計劃，避免造成嚴重的設備損壞和財產損失。