船用渦輪增壓器典型故障特征參數的敏感性研究

趙震宇，朱軍超，溫華兵，錢進，孫鵬，申華

(1.江蘇科技大學 能源與動力學院,江蘇 鎮江 212003；2.中國船舶集團有限公司第七一一研究所,上海 201108；3.重慶江增船舶重工有限公司,重慶 402263)

0 引言

廢氣渦輪增壓器是船舶柴油機的重要系統之一，其安全性不容忽視[1– 2]。由于結構復雜且長期處于惡劣的工作環境中，廢氣渦輪增壓器故障時有發生，需要及時診斷。準確識別廢氣渦輪增壓器的故障，需要足夠多的故障樣本數據，通過試驗臺架獲取樣本數據需要耗費大量成本且難度較高[3]，而對船舶柴油機進行故障數值仿真計算簡單高效，可獲得足夠數量故障樣本數據，易于前期對故障情況進行分析，為故障診斷提供參考。

由于船舶柴油機的工作原理和工作環境十分復雜，國內外學者提出了多種方法建立柴油機整機模型。在軟件AVL Boost 以及GT-power 中均可以構建船用柴油機仿真模型，且模型可相對準確模擬柴油機性能，從而用于故障仿真的研究[4– 6]。國外學者利用壓縮機和渦輪的物理平均線模型建立完整的船用柴油機仿真模型，并使用臺架數據校準模型，能夠預測柴油機部分負荷下的渦輪機性能[7–8]。在處理故障數據方面，以可靠性為中心的維護方法可優化船用柴油機的故障數據庫，顯著提高對故障的檢測能力[9]。通過故障樹分析法對渦輪增壓器故障進行診斷分析，提高診斷的可靠性以及優化渦輪增壓器的運行[10]。在后期的渦輪增壓器故障診斷方面，何劉海[11]基于多變量灰色模型和支持向量機，分別通過灰色關聯度分析，采用二叉樹支持向量機多類分類方法，構造出渦輪增壓器的決策樹并驗證其可行性。CUI等[12]研究了流量指標和二維等熵效率與渦輪增壓器氣路可測參數之間的非線性映射關系，建立了一種新的渦輪增壓器性能故障評估方法。

目前國內外研究在性能數值仿真方向更加注重柴油機整體故障，聚焦渦輪增壓系統的研究較少。而對渦輪增壓器故障的研究大部分偏向于后期的故障診斷方法，渦輪增壓器的性能參數同樣也可以表征其相應的工作狀態，且蘊涵大量的故障信息。因此，本文以渦輪增壓器為研究對象，搭建柴油機整機數值仿真模型，通過對柴油機整機模型計算得到渦輪增壓系統相關故障的性能參數，以及各個參數在不同故障下的變化規律，為渦輪增壓器的故障診斷提供技術支持。

1 柴油機仿真模型建立

本文利用AVL Boost 軟件，建立柴油機整機仿真模型。柴油機為中速六缸四沖程柴油機，同時渦輪增壓器配備1 臺中冷器。渦輪增壓器輸入使用全模型輸入，輸入參數為完整的壓氣機及渦輪機map 圖數據，使得渦輪增壓器在引入故障時的響應變化符合實際情況，柴油機的主要技術參數如表1 所示。

表1 柴油機主要參數Tab.1 Main parameters of diesel engine

柴油機整機仿真模型如圖1 所示。圖中SB1 和SB2 為系統邊界，即進、排氣口處的環境狀況；PL1為進氣總管，PL2 為排氣總管；TC1 為渦輪增壓器；CO1 為中冷器；C1～C6 為6 個氣缸；1～17 為氣體管道；MP1～MP17 為狀態參數監測點。

圖1 柴油機整機仿真模型Fig.1 Diesel engine simulation model

利用構建的柴油機模型，在額定工況下對柴油機進行仿真計算。通過對比柴油機功率、燃油消耗率及最高爆發壓力等參數的仿真計算結果，與試驗數據驗證柴油機模型與渦輪增壓器模型的準確性。表2 為仿真計算與試驗測量的柴油機以及渦輪增壓器主要性能參數對比。

表2 額定工況試驗值與模擬值對比Tab.2 Comparison of test values under rated conditions with simulated values

由表2 可以看出，在額定工況下，本文構建的柴油機整機模型模擬計算所得出的柴油機功率、燃油消耗率、最高爆發壓力等柴油機參數以及增壓比、壓氣機效率、渦輪機效率等渦輪增壓器參數與試驗數據的對比偏差均在5%以內。

除主要運行參數外，本文還進行了柴油機氣缸內壓力變化的對比驗證。在仿真數據和試驗測量數據之間，最高值和瞬時值的相似度較高。因此，可認為該模型經過了良好的驗證，如圖2 所示，。運行結果符合精度要求，能較為準確地模擬柴油機以及渦輪增壓器的性能，可實際應用于柴油機的故障仿真。

圖2 額定工況下缸壓曲線對比圖Fig.2 Comparison of cylinder pressure curves under rated conditions

2 渦輪增壓器故障仿真

模型經過驗證后，逐步引入故障參數設置。在柴油機3 個不同負荷的工況下，以額定轉速750 r/min，進氣溫度298 K、進氣壓力98.8 kPa 為邊界條件。故障仿真的主要對象為渦輪增壓系統，選取7 個故障，用代碼F1～F7 表示。F1 為壓氣機故障故障，F2 為中冷器氣側堵塞，F3 為中冷器水側堵塞，F4 為渦輪噴嘴環臟堵，F5 為渦輪機低效，F6 為渦輪后排氣管臟堵，F7 為渦輪增壓器軸承磨損。為了解故障嚴重程度對柴油機的影響，每種故障引入4 種狀態表示嚴重程度。表3 為柴油機故障類型以及故障參數的設置。

表3 典型熱力學故障仿真輸入參數Tab.3 Typical thermodynamic failure simulation input parameters

F1 為壓氣機故障，壓氣機流道污阻、葉片積垢、葉輪磨損等都會導致壓氣機效率的損失，因此通過降低壓氣機效率來仿真故障。F2 和F3 均為中冷器故障，F2 氣側堵塞會增加氣體流動阻力從而導致壓降升高，F3 水側堵塞通常由于冷卻水管臟堵或者腐蝕引起，會導致中冷器效率降低。F4 和F5 均為渦輪機故障，這2 種故障和F1 故障發生的原因相似，但由于廢氣中污垢含量更高，渦輪故障比壓縮機故障更加頻繁。F6 為排氣管道堵塞，通過提高環境出口壓力的方式來增加排氣管阻力。F7 為渦輪增壓器軸承磨損，由于磨損程度會隨著時間逐步加重，因而通過逐步降低渦輪增壓器機械效率的方式來模擬仿真。

選擇8 個渦輪增壓器相關的柴油機熱工參數作為仿真結果分析數據，用代碼S1～S8 表示。其中，S1 為增壓壓力，S2 為壓氣機出口溫度，S3 為渦輪機進氣溫度，S4 為渦輪機排氣溫度，S5 為渦輪機進氣壓力，S6 為渦輪機排氣壓力，S7 為渦輪增壓器轉速，S8 為空氣質量流量。

對熱工參數的分析主要取決于參數的相對偏離度，相對偏離度可表示為：

式中：x0為柴油機正常運行工況下的參數數值；xi為故障狀態下的參數數值。

根據以上故障參數設置，對模型進行數值仿真，結果如圖3～圖6 所示。分析7 個故障中8 個特征參數的變化幅值，更加直觀比較其作為特征參數的敏感性。y軸表示參數相對于正常值的百分比變化，x軸表示所模擬的故障。每個模擬故障中都有3 個方柱，方柱的最低點到最高點代表故障隨著嚴重程度的加深而發生的參數幅值變化，方柱最低點以下的部分處于該故障的較輕微狀態。3 個方柱分別代表柴油機100%，75%以及50%負荷的3 種工況。

圖3 不同故障下S1 和S2 的變化幅值Fig.3 Variation amplitude of S1 and S2 under different faults

圖4 不同故障下S3 和S4 的變化幅值Fig.4 Variation amplitude of S3 and S4 under different faults

圖5 不同故障下S5 和S6 的變化幅值Fig.5 Variation amplitude of S5 and S6 under different faults

圖6 不同故障下S7 和S8 的變化幅值Fig.6 Variation amplitude of S7 and S8 under different faults

2.1 壓氣端特征參數響應變化分析

圖3 為S1 增壓壓力、S2 壓氣機出口溫度在不同故障情況下所發生的幅值變化。可以看出，2 種參數在7 種故障情況下的變化趨勢幾乎一致。

S1 增壓壓力對除了F2 中冷器氣側堵塞以外的6 種故障都很敏感。在F2 故障發生時，3 種工況下增壓壓力的最高變化均不到5%。可以看出，F3 中冷器水側堵塞和F4 渦輪噴嘴環堵塞是7 種故障中造成增壓壓力過高現象發生的主要故障，這2 種故障造成的增壓壓力升高在故障最嚴重時都可以達到10%。另一方面，F7 軸承磨損故障發生時，增壓壓力會出現較為明顯的降低行為，嚴重時可以達到10%左右。而F1 壓氣機故障，F5 渦輪機低效，F6 渦輪后排氣管臟堵故障發生時，增壓壓力會發生較大幅度的降低，在50%負荷的情況下最大可以降低20%以上。

S2 壓氣機出口溫度的變化趨勢雖然和增壓壓力的變化趨勢基本一致，但變化的幅值在所有7 種故障發生時都在6%以下。雖然F1 壓氣機故障，F5 渦輪機低效，F6 以及F7 軸承磨損都會造成壓氣機出口溫度的降低，但在100%負荷的情況時下降的幅值都在5%以下。F3 中冷器水側堵塞和F4 渦輪噴嘴環堵塞僅會造成壓氣機出口溫度輕微幅度的上升。F2 中冷器氣側堵塞所造成的影響可以忽略不計。

2.2 渦輪端溫度參數響應變化分析

圖4 為S3 渦輪前排氣溫度以及S4 渦輪后排氣溫度在不同故障情況下所發生的幅值變化。可以看出，2 種參數的變化相似度很高。除了F4 渦輪噴嘴環堵塞會造成渦輪排氣溫度的小幅度降低外，其余6 種故障都會造成渦輪前后排氣溫度的上升。

當F2 中冷器氣側堵塞和F3 中冷器水側堵塞2 種中冷器相關故障發生時，會造成渦輪排氣溫度小幅度的升高，升高幅度在5% 左右。在輕微故障的情況下，對參數造成的影響可以當成排氣溫度在正常運行范圍內的變化。因此判斷中冷器故障不是造成渦輪端超溫的主要原因。

而F1 壓氣機故障，F5 渦輪機低效，F6 渦輪后排氣管堵塞和F7 軸承磨損這4 種故障都會造成渦輪排氣溫度的顯著升高。F1 和F5 在3 種不同負荷工況下都可造成S3 和S4 上升的幅值達到10%，嚴重情況下S4 的上升幅值可達20%。值得注意的是，在低負荷情況下，F1 和F6 所造成的溫度升高幅度是大于高負荷情況所造成的溫度幅值升高。但從數據來看，故障所造成的溫度升高數值較為接近，幅值不同是因為低負荷情況下渦輪段前后排氣溫度的基數要低于高負荷情況下的溫度。

2.3 渦輪端壓力參數響應變化分析

圖5 為S5 渦輪前排氣壓力以及S6 渦輪后排氣壓力在不同故障情況下所發生的幅值變化。

可以看出，S5 渦輪前排氣壓力對7 種故障情況都會有相應的變化。F3 中冷器水側堵塞以及F4 渦輪噴嘴環臟堵會造成壓力的上升，盡管F3 所造成的影響可以忽略不計。F2 中冷器氣側堵塞雖然會導致渦輪進氣壓力降低，但降低幅值最高也不超過5%。其余4 種故障，F1 壓氣機故障，F5 渦輪機低效，F6 渦輪后排氣管堵塞和F7 軸承磨損都會造成渦輪前排氣壓力較大幅度的降低。S5 對故障的整體響應變化和S1 增壓壓力極為相似，變化幅值低于S1。

S6 渦輪后排氣壓力一般為環境出口壓力，對大多數故障實際上不會有任何變化反應。因此，渦輪后排氣壓力幾乎不能作為故障診斷的特征參數。只有當F6 渦輪后排氣管臟堵時，由于排氣管道流通面積的減小，排氣不暢，流出渦輪增壓器的廢氣受到的阻力才會發生顯著增大。

2.4 渦輪增壓器運行參數響應變化分析

圖6 為S7 渦輪增壓器轉速以及S8 空氣質量流量在不同故障情況下所發生的幅值變化。可以看出，雖然兩種參數變化的幅值相差接近1 倍，但整體變化相似度卻很高，符合工程實際經驗。

F1 壓氣機故障，F5 渦輪機低效，F6 渦輪后排氣管堵塞以及F7 軸承磨損這4 種故障都可以造成S7 渦輪增壓器轉速和S8 空氣質量流量大幅度降低。尤其是S8 空氣質量流量，4 種故障所造成的幅值降低都可達10%以上。F1 和F6 在柴油機低負荷工況，即便是故障發生的早期階段都可以造成S8 空氣質量流量降低約10%，故障嚴重時甚至可以降低20%以上。高負荷工況下，F1 和F5 也都可以造成S8 約15% 的幅值降低。S7 渦輪增壓器轉速的變化趨勢與S8 空氣質量流量一致，但幅值變化在均在15%以內。

F3 中冷器水側堵塞和F4 渦輪噴嘴環臟堵都可以造成S7 渦輪增壓器轉速和S8 空氣質量流量2 種參數出現小幅度的上升，變化的幅值在5%以內。值得注意的是，F2 中冷器氣側堵塞通常也會造成壓氣機空氣質量流量的降低，但由于故障嚴重時會導致渦輪增壓器發生喘振故障，此時柴油機主機性能隨之處于波動狀態，柴油機各主機參數無法保持穩定數值[13]，仿真的數據會和柴油機運行的實際情況發生較大差異。因此在模擬F2 中冷器氣側堵塞時，只模擬故障發生的初期階段。在F2 故障發生時，S8 空氣質量流量以及此前所分析的幾種特征參數的變化幅值都處于較低的數值。

3 故障仿真結果分析

表4 總結了仿真的不同故障類型下各個特征參數所發生的幅值變化。其中所顯示的符號“-”或“+”分別表示故障模式下特征參數值相對于正常工況下的標準值變化是升高還是降低。此外，（-）/（+）表示參數變化在5% 以內，（--）/（++）表示參數變化在5%～10%，（---）/（+++）表示參數變化在10%以上。其中的數值變化均采用在柴油機100%負荷工況下所仿真故障的嚴重情況。變化幅值小于1%的數據根據經驗判斷在柴油機數據的正常變化范圍內，不再分析。

表4 各個故障下渦輪增壓器參數變化情況Tab.4 Summary of turbocharger parameter changes under various faults

由表4 可知，所有故障所對應的參數敏感度均有差別。其中F1 壓氣機故障和F5 渦輪機低效，F6 渦輪后排氣管堵塞和F7 軸承磨損對應的參數變化相似度較高，但F1 和F5 有S2 壓氣機出口溫度，F6 和F7 有S6 渦輪后排氣溫度這2 個決定性參數區別存在。因此，這給渦輪增壓器故障診斷提供了依據。

在分析的8 種參數中，S1 增壓壓力和S5 渦輪前排氣壓力對故障的敏感程度最高，成為故障檢測的理想指標。由于2 種參數的變化趨勢極為相似，而S1 增壓壓力的變化幅值更高，因此選擇S1 作為故障診斷的監測參數。由于很難僅通過評估單一參數的變化區分哪些故障正在發生，為了診斷出可能的故障，有必要與其他參數同時組成作為故障診斷依據的特征參數。分析中可以發現，S3 渦輪前排氣溫度和S4 渦輪后排氣溫度，S7 渦輪增壓器轉速和S8 壓氣機空氣質量流量這2 組參數的重復性較高，且都對部分故障有較高的敏感度，可以只選擇每組參數中的其中1 個，如敏感度相對較高的S4 渦輪后排氣溫度和S8 空氣質量流量作為故障診斷的主要依據參數，S6 渦輪后排氣壓力作為輔助參數，用以區分參數變化相似度較高故障類型，即可準確識別出所仿真的7 種渦輪增壓系統故障。

4 結語

本文建立了柴油機一維模擬計算模型，通過與試驗數據的對比，表明仿真模型可獲得柴油機各系統下的熱工參數，數據誤差在5%以內，為故障診斷提供參考。

1）增壓壓力和渦輪前排氣壓力對故障的敏感度最高。中冷器故障和渦輪噴嘴環堵塞故障發生時有明顯上升趨勢，嚴重故障狀態時上升幅值均可達到10%以上。在壓氣機故障、渦輪機故障、渦輪后排氣管臟堵和軸承磨損故障發生時明顯降低，嚴重故障狀態下下降幅值可達15%以上。

2）渦輪前后排氣溫度在除了渦輪噴嘴環堵塞的其余故障發生時都會有不同程度的幅值上升。其中，對壓氣機故障、渦輪機故障以及渦輪后排氣管臟堵的敏感度尤為顯著。低負荷嚴重故障狀態時上升幅值均可達到15%以上。

3）通過數據分析，從研究的8 個參數中篩選出增壓壓力、渦輪后排氣溫度、空氣質量流量、壓氣機出口溫度以及渦輪后排氣壓力這5 個熱工參數，優選作為渦輪增壓器故障診斷的監測參數。