某輪系泊試驗主機增壓器喘振原因分析

摘" " 要：現代船用柴油機廣泛采用廢氣渦輪增壓器。新造船舶在進行主機系泊試驗時，有可能發生主機增壓器壓氣機喘振的現象。本文基于某船在系泊試驗過程中出現的增壓器喘振現象，通過實船螺旋槳軸扭矩的測量數據及推進特性曲線分析，找出引起增壓器喘振的主要因素，并提出在系泊試驗時的具體規避方法。

關鍵詞：柴油機；系泊試驗；大舵角；增壓器喘振

中圖分類號：U664.121.2 " " " " " " " " " " " " "文獻標志碼：A

Turbocharger Surge Cause Analysis of Main Engine

in Mooring Test of A Ship

FENG Guanwen，" YE Qihua，" XU Weiming

（ Guangzhou Diesel Engine Factory Co.， Ltd.，" Guangzhou 510371， China ）

Abstract： Exhaust gas turbochargers are widely used in modern marine diesel engines. During the mooring test of the main engine on a newly-built ship， the surge phenomenon of the main engine supercharger compressor may occur." Based on the turbocharger surge phenomenon of a ship during the mooring test， this paper finds out the main factors causing the turbocharger surge through the measurement data of the propeller shaft torque of the real ship and the analysis of the propulsion characteristic curve， and proposes a specific avoidance method during the mooring test.

Key words： diesel engine;" mooring test;" large rudder angle;" turbocharger surge

1" " 引言

渦輪增壓器在船舶柴油機中扮演著至關重要的角色，被視為能夠顯著提升柴油機性能的部件。增壓器通過高效利用排放的廢氣中的剩余能量來提升柴油機性能，其工作穩定性對于增強柴油機的燃燒效率、降低燃油消耗以及提升功率密度等方面[1]，都具有極為顯著的作用。廢氣渦輪增壓器工作時處在高溫高壓的廢氣下，并且其主要工作部件高速旋轉，工作環境十分惡劣。船舶在進行系泊試驗時，柴油機在相同轉速下的扭矩往往會超過其在推進特性下的扭矩值，這會導致柴油機偏離設計的推進特性曲線。這種偏離可能會使增壓器的工作狀況惡化，進而引發增壓器的喘振現象。持續不斷的喘振會對轉子和軸承產生顯著的疲勞損壞，特別是對壓氣機葉輪的影響更為明顯。因此，深入分析導致廢氣渦輪增壓器喘振的原因，并探討有效的解決方法或規避措施，對于確保船舶柴油機的正常運行至關重要[1]。

2" " "廢氣渦輪增壓器喘振機理分析

廢氣渦輪增壓器由廢氣渦輪和壓氣機同軸相連組成[2]，廢氣渦輪通過利用柴油機排出的具有一定壓力的高溫廢氣的能量來驅動同軸壓氣機葉輪轉動，再通過壓氣機葉輪做功來壓縮新鮮空氣，最終將廢氣的能量轉化為進氣的壓力能，進而達到提高柴油機的進氣密度的目的。

當增壓器的進氣流量遠小于設計流量時，如圖1所示，氣流進入角度小于葉片角度，氣體進入葉輪和擴壓器的方向偏離設計工況，氣流撞擊葉片的凹面，并且在葉片的凸面側引發明顯的氣流分離現象。與此現象相反，在擴壓器內，氣流則表現出相反的趨勢。一方面由于氣流在葉片的凸面處流速變快，導致排出的氣體壓力降低；另一方面在葉輪葉片的旋轉以及擴壓器內的圓周氣流共同作用下，雖然促使氣流逐漸遠離分離區，但這一過程卻加劇了分離區的擴張趨勢。隨著氣體流量的持續減少，分離區域不斷擴大，同時分離區內的氣體壓力也因此進一步降低，最終導致在葉輪和擴壓器中出現氣體倒流現象[2]；但隨著葉輪旋轉，當擴壓器前后壓差增大到一定程度時，克服了流道的阻力，堆積的空氣得以再次排出。這兩種現象循環反復發生導致了增壓器的異常強烈振動，并且導致進氣的流量以及增壓后壓力都經歷劇烈的、不穩定的波動，最終產生增壓器壓氣機喘振的現象。

3" " "主機增壓器發生喘振過程概況

某輪載重噸為3 500 DWT，推進系統采用單機單槳，推進主機采用6G26型柴油機，6缸，缸徑260 mm，行程390 mm，額定轉速750 r/min，額定功率2 000 kW，配套齒輪箱減速比5：1，通過螺旋槳軸帶動4葉定距螺旋槳。圖2為該船舶主機的推進系統軸系布置圖。

該船在進行首次系泊試驗（頂坡試驗）時，當主機在485 r/min運行時，增壓器開始出現嚴重的壓氣機喘振現象；在此轉速下，柴油機的單缸排溫超420 ℃，比正常高約50 ℃；增壓器轉速達到27 000 r/min，比正常高約8 000 r/min。

柴油機在廠家試驗臺架進行出廠試驗時，各項性能參數均正常，但在裝船后在進行系泊試驗（采用頂坡試驗方式進行）時，增壓器出現了這種壓氣機喘振現象。

4" " 建立廢氣渦輪增壓器喘振故障樹

結合第2節喘振機理分析及本船柴油機實際工作狀況，建立增壓器喘振故障樹[3]，如圖3所示。

5" "實船扭矩測量確定主機廢氣渦輪增壓器喘振原因

由于該輪為新造船舶，故將排除造成增壓器喘振的原因重點優先考慮排氣系統是否堵塞和螺旋槳負荷是否超載。

在船舶進行頂坡系泊試驗時，柴油機接排后將柴油機轉速由怠速300 r/min緩慢提高至系泊試驗要求的最高轉速600 r/min，在此過程中，測量船舶螺旋槳軸的實時輸出扭矩和記錄柴油機運行數據。

并在柴油機轉速600 r/min時測量柴油機排氣系統的排氣背壓，測得排氣背壓在0.83 kPa左右，遠低于柴油機設計最大許用排氣背壓3.0 kPa。因此，可以排除是由于排氣系統堵塞造成的增壓器喘振。

廢氣渦輪增壓器在此過程中均未發生喘振現象，但各轉速負荷下對比出廠試驗數據柴油機均有排溫偏高、增壓壓力偏高、增壓器轉速偏高、測量的螺旋槳軸扭矩與理論設計推進特性曲線對應扭矩相比偏高的現象。在部分柴油機轉速下的頂坡試驗測量結果如表1所示。

在后續進行系泊試驗大綱中的負荷試驗時，需將主機設定在進二工況，此時主機轉速在485 r/min。在調速過程中，由于駕控臺調速系統調速速度較快，增壓器系統壓氣端發生了較為嚴重的連續性的喘振現象，并且當柴油機穩定在485 r/min左右時，增壓器壓氣端約每隔20 s發生一次持續性喘振，主機增壓器喘振現象復現。觀察螺旋槳軸的實時測量扭矩，發現在此柴油機轉速下，當扭矩超過85 kNm時，增壓器便出現壓氣機咆哮的喘振現象。

進一步對比測量的螺旋槳軸扭矩與推進特性曲線下螺旋槳軸扭矩的比值，發現在頂坡試驗時測量的螺旋槳軸扭矩遠遠超出了柴油機理論設計推進特性下的螺旋槳軸扭矩。

圖4 為柴油機和螺旋槳的配合關系示意圖。

圖中，曲線A為正常配合時的螺旋槳的推進特性線，曲線B為重載配合時螺旋槳的推進特性線[2]。

船舶在開放河道進行頂坡系泊試驗時，由于需要平衡水流對船舶的影響，往往需要通過大舵角的方式來使得船舶垂直于岸坡，而船舶大舵角和江水的切向水流綜合作用下，使得螺旋槳的推進特性線由曲線A變為曲線B。柴油機在接排后輸出的扭矩和功率超過了其正常配合時的負載。如圖4所示，若使柴油機轉速設定在某一值，其中機-槳配合點由H點變為H'點，柴油機在遠超其正常配合推進特性下的負荷運行，從而使高壓油泵供油油尺變大，排氣管排出廢氣量變多，同時廢氣溫度升高，柴油機在對應臺架試驗轉速下，總廢氣能量增大，導致增壓器相應轉速升高，進而導致壓氣機排出的增壓空氣增多，增壓壓力升高，最后導致在此轉速下增壓器的壓氣機背壓升高，造成進氣困難，進而引起進氣流量減少[3]。直至柴油機輸出扭矩達到或超過柴油機在此轉速下的增壓器喘振線時，其壓氣機的實際進氣流量未能達到該增壓器轉速下維持穩定運行的最低限制流量，就會引發喘振。若不及時降低螺旋槳負荷，增壓器將以固定頻率持續發生喘振現象。

增壓器與柴油機配合工作特性曲線如圖5所示。

圖中藍色線為柴油機推進特性時增壓器工作特性曲線，紅色為增壓器超速報警線，圍閉區的左上方邊線為增壓器喘振線，喘振線左邊為喘振區，右邊為穩定工作區。增壓器不允許在喘振區工作。增壓器的工作特性曲線是一條上部離喘振線較遠，下部離喘振線較近的曲線[2]。當螺旋槳負載變大，推進特性曲線左移，曲線的下部就會可能進入喘振區，造成柴油機低轉速時發生增壓器喘振的現象。

為了進一步驗證航行狀態下螺旋槳是否超載，在船舶航行時測量螺旋槳軸扭矩，由于航道航速限制，在部分柴油機轉速下的航行試驗測量結果如表2所示。

由表2所示，船舶試驗時為半載，在柴油機低轉速下，測量的螺旋槳軸扭矩已經接近其推進特性下螺旋槳軸扭矩，而在高轉速下螺旋槳軸扭矩則存有一定的裕度。

船舶在系泊試驗過程中，柴油機各轉速下的扭矩往往都超過了其推進特性曲線下的扭矩，尤其在開放河道進行大舵角的頂坡系泊試驗時，這種超負荷現象更為明顯，增壓器運行在遠離喘振線的限制區域外，從而產生增壓器喘振現象。因此，當船舶采用頂坡的方式來進行系泊試驗時，需要綜合考慮試驗流域的水流速度和大舵角等因素對螺旋槳負荷的影響，并適當減少頂坡試驗時船舶壓載水的量來控制螺旋槳的負荷。必要時可以采用同步測量主機輸出扭矩的試驗工況[4]來進行系泊試驗。

柴油機轉速與負荷的急劇變化導致增壓器發生喘振現象，其主要原因是增壓器的響應速度無法即時跟上柴油機動態調整的步伐，產生了顯著的變化滯后。這種滯后性使得增壓器在短時間內無法維持其穩定工作狀態，從而短暫地偏離了其工作區域。因此在柴油機重載時應緩慢控制柴油機變速，防止柴油機負荷突變超過了其對應轉速下的增壓器喘振裕度值，進而發生嚴重的連續性的增壓器喘振現象。

6" " 結論

柴油機增壓器喘振的成因復雜多樣[5-6]，這些因素在柴油機的運行過程中往往交織在一起，彼此間產生影響。因此，在船舶的實際運行管理中，必須采取全面而綜合的視角，對涉及增壓器喘振的多種因素進行深入細致的分析與評估，以便準確判斷并做出有效應對。在本文中引起主機增壓器喘振的主要原因是船舶在進行頂坡系泊試驗時，大舵角和切向水流作用在螺旋槳上，導致柴油機在特定轉速下負荷超過了其增壓器的喘振裕度運行所致。

參考文獻

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