廢氣渦輪增壓器典型故障分析與排除

中圖分類號：U672 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）13-0153-04

Abstract：Thispaper takesthe exhaustgas turbochargerastheresearch object，mainlytaking theCummins NTA855diesel engineusedinacertaintypeofcraftasanexample，introducesthestructureandworking principleoftheexhaustgas turbocharger.Combinedwiththefaulttreediagrammechanism，thetypicalfaultsthatoccrduringitsworkingprocessare analyzed，andissesrelatedtousemanagementandmaintenancearediscussdbasedoncases，inordertoimprovetheuse efficiency of ship diesel engines.

KeyWords：exhaust turbine booster;common fault;overhaul and maintenance;fault analysis;diesel engine

隨著信息化建設推進，船艇從傳統(tǒng)運輸勤務保障向聯(lián)合機動作戰(zhàn)轉型，這對船員和裝備技術性能有新的要求，尤其是船艇機動性對柴油機零部件維修與更換操作要求越來越高。而在搶修原則中，專業(yè)人員與船員相結合在現(xiàn)實中不易實現(xiàn)，所以須將船員培養(yǎng)為專業(yè)人員，重視對柴油機的保養(yǎng)和維修，以提高維修效率和質量，提高船艇動力裝備的工作效率。船艇柴油機普遍使用廢氣渦輪增壓，近年來，船艇柴油機渦輪增壓器出現(xiàn)問題及故障的幾率明顯升高。因此有必要根據(jù)對增壓器使用的情況進行分析和研究，判斷增壓器可能產(chǎn)生的主要故障，結合故障機理，探索行之有效的方法降低故障率，延長其使用壽命，增強其可靠性，保障船艇的航行性能。

1增壓器結構及工作機理

柴油機廢氣渦輪增壓器主要是由渦輪、壓氣機和中間軸承組成。首先渦輪器的進氣口與排氣管相連，排氣口則接在排氣管上。增壓器進氣口與空氣濾清器管道相連，排氣口接在進氣歧管上，渦輪和葉輪分別安裝在同軸的渦輪室和增壓器內。

廢氣渦輪增壓器利用排出的廢氣能量推動渦輪高速旋轉，渦輪帶動同軸的葉輪旋轉并壓縮空氣，使之增壓后進入氣缸。當柴油機轉速升高時，廢氣排量成比例升高，同時渦輪轉速加快，葉輪壓縮更多新鮮空氣進入氣缸，進氣壓力隨之升高，進氣密度增大，燃燒更多燃料來增加柴油機的輸出功率。離心式壓氣機由消音器、空氣進氣殼、壓氣機葉輪和擴壓器組成。① 壓氣機工作過程，廢氣經(jīng)進入排氣總管和增壓器渦輪，作功后從排氣口排出，再經(jīng)出氣彎頭、波紋管與排氣消音器連接。新鮮空氣通過消音器和空濾器進入壓氣機。 ② 軸承，采用2個內置式浮動軸承，裝在軸承殼內，滑油從主潤滑系統(tǒng)進入，再回流軸承殼底部。 ③ 同軸運轉的壓氣機和渦輪，可使進人的氣體壓力和密度增加，轉速不變時有更大的動力輸出，達到提高燃油經(jīng)濟性并降低排放的效果。

2 常見故障及原因

在廢氣渦輪增壓器中，常出現(xiàn)問題的地方包括壓氣機、輪軸、軸承以及渦輪機。在機器的啟動前和停止后需重點關注增壓器轉速變化、溫度變化以及運行聲音的變化。增壓器在高溫的環(huán)境下高速運轉，其承受的熱應力和交變應力很復雜。在高速運轉時，增壓器葉輪、輪軸和軸承的振動會破壞配合間隙，影響增壓器性能。且廢氣中含有硫氮的氧化物及蒸氣，化合后的酸會腐蝕增壓器，縮短其使用壽命。經(jīng)過調查分析，增壓器有以下幾種常見故障。

2.1喘振

柴油機突然停車或卸載負荷時，由于慣性增壓器的轉子不會停止。此時進氣壓力仍然很高，但卸荷后的柴油機不需要太多空氣，柴油機背壓過高引起喘振。當柴油機超負荷運行時，排出廢氣能量呈爆發(fā)趨勢，此時柴油機轉速卻增加的很少或不增加，也容易出現(xiàn)喘振物理現(xiàn)象，因為進入壓氣機的空氣出現(xiàn)很大程度的擺動，造成其葉輪的振動，這樣就會產(chǎn)生粗重的氣喘聲。對于離心式壓氣機來說，處于小流量、排氣壓力值大于 ，就會產(chǎn)生這種喘振現(xiàn)象。喘振起因主要有3點。

正常工況下，增壓器的氣流流動線路：空氣 壓氣機進氣口空氣濾器 消音器 壓氣機葉輪 壓氣機擴壓器 空冷器 掃氣箱 進氣口 柴油機汽缸 排氣口 排氣總管 廢氣渦輪端噴嘴環(huán) 廢氣渦輪葉輪 廢氣鍋爐 排出。其中各部分的流通面積都是固定的。若上述任一環(huán)節(jié)發(fā)生故障，就會影響柴油機氣體流通性，造成柴油機增壓器喘振、增壓器性能效率和增壓掃氣壓力下降，以及主機排溫升高等，若主機排溫升高到一定值，就可能出現(xiàn)故障報警、自動降速或停車現(xiàn)象。在氣流經(jīng)過的部件中，濾網(wǎng)、氣缸、噴嘴等這些部件變臟是造成喘振的主要因素。

2.2增壓器機械故障

機械故障包括軸承破損以及葉輪葉片損壞。當故障出現(xiàn)時，先對濾網(wǎng)進行查看，如清潔度良好，考慮增壓器部件出現(xiàn)破損，發(fā)現(xiàn)問題緊急停車維修。

2.2.1 增壓器軸承損壞

增壓器輪軸斷裂。轉軸一端是渦輪，另一端與葉輪相連。高溫時若輪軸斷開，柴油機會停機。軸承斷裂原因主要有： ① 外力作用下渦輪外表變化，或壓氣機固定不緊密，不能正常穩(wěn)定工作，變形輪軸在應力和轉矩作用下斷裂。 ② 增壓器運行時，輪軸隨著增壓器轉速改變而振動，在交變應力作用下產(chǎn)生疲勞斷裂。 ③ 轉軸缺乏潤滑與浮動軸承粘連，高溫高壓廢氣沖擊固定的輪軸而產(chǎn)生斷軸。若異物掉到管道進口在渦輪箱殼中竄動，螺栓等硬物與輪軸發(fā)生剛性碰撞會導致斷軸。

增壓器潤滑不良。增壓器軸承滑油來自潤滑系統(tǒng)及油底殼，潤滑不良等導致輪軸燒蝕，主要原因有：① 滑油不足或油壓不達要求，當流量不足或油壓低于規(guī)定值時，輪軸會因摩擦、高溫而燒蝕。 ② 油品不合要求，使用非規(guī)定排號或不清潔的雜質較多滑油，軸承溫度將增加。 ③ 當渦輪密封環(huán)磨損過多，產(chǎn)生較多熱量，破壞軸承的間隙，渦輪和轉軸的中間空隙厚度不均的油膜難以達到較好潤滑效果。當增壓器轉速大于最高轉速時會出現(xiàn)飛車現(xiàn)象。轉速升高，滑油供應不足，冷卻效果變差，無法散熱而燒蝕輪軸。當滑油進出口溫度偏高時，冷卻不及時同樣會燒蝕輪軸。飛車時應降低轉速或停車檢查，如輪軸破損應進行替換。軸承常見損傷有過度磨損、拉毛、剝落、裂紋和燒損等。當油壓不足時會出現(xiàn)振動問題、殼體變形甚至軸承的嚴重磨損。當新裝增壓器、更換滑油及濾清器，長期停機未用，未正確啟動、滑油質量低等情況易引起進油管路阻力增大或破裂等故障；油底殼中油位低、空氣進入潤滑管路產(chǎn)生氣阻等潤滑管路或增壓器滑油斷供時，會導致軸承表面磨損燒損。

2.2.2 葉片損壞

渦輪高速運轉時，即使很小雜物進入，其導風角也會發(fā)生變化，會對葉片或葉輪產(chǎn)生極大影響。大而硬的物體則會在葉片上留下劃痕甚至裂紋。引起葉片斷裂主因是葉片受到反復彎曲應力造成疲勞破壞。增壓器喘振時，渦輪機葉輪的葉稍與殼體碰撞，導致葉片變形，對轉速產(chǎn)生巨大影響。葉輪斷裂多出現(xiàn)異常的撞擊聲。當振動異常或噪聲較大時應停車排查。在更換或修理葉輪后需做靜平衡和動平衡實驗。

2.2.3 增壓壓力異常

進氣不足時可用補氣裝置將壓縮空氣送人壓氣機達到增壓目的。壓力表讀數(shù)在轉速接近或達到額定轉速時較為明顯（如NTA855-M350型柴油機額定轉速1 8 0 0 r / m i n ）。高轉速時機械效率很高，多種原因導致壓力會出現(xiàn)較大變化。

壓力升高。負荷不變時，增壓器超速常導致壓力升高。原因主要是： ① 燃油系統(tǒng)故障致使燃燒不良，后燃嚴重，排溫升高。 ② 增壓器本身渦輪臟污，流通面積減少，燃氣噴出速度加快，使增壓器轉速上升。 ③ 柴油機過載，負荷過大轉速較高，廢氣量增大，廢氣渦輪轉速升高，壓氣機葉輪轉速增加，壓縮空氣量增大，柴油更充分燃燒。該工況下，噴油量增加，隨時可能飛車，應立即減速卸荷以保證安全。

壓力降低。燃燒不充分，影響功率。其表現(xiàn)在：① 進氣管臟污：進氣量減少，增壓壓力不足并伴隨嘯叫；擴壓器、葉輪及渦輪嘴積碳或油污附著，使增壓器旋轉阻力增大。 ② 供油正時不準：供油時間滯后，造成后燃，柴油不完全燃燒，廢氣能量減弱，渦輪轉速下降。 ③ 排氣管路漏氣：導致渦輪可使用的能量下降，影響其轉速，增壓器壓力也隨之下降。 ④ 排氣閥晚開早關：排氣量減少，渦輪機轉子轉速降低，導致增壓壓力下降。增壓器故障及可能原因對應表如圖1所示。

通過圖1分析，可以判斷增壓器故障的相關現(xiàn)象和原因，并針對性解決。

3故障案例分析及排除措施

增壓器運轉時內部有新鮮空氣和高溫高壓的廢氣，內部有滑油流動。增壓器對中性、平衡性、密封性和清潔度要求較高。這些與船員管理及維護保養(yǎng)技術關系緊密。當其正常運轉時氣流快速流動，最高可達幾百米每秒。當其正常工作時葉輪快速旋轉，可達每秒鐘幾千轉。使用時葉片或軸發(fā)生變化都會對渦輪增壓器產(chǎn)生影響。

3.1 故障現(xiàn)象

案例：某型登陸艇使用NTA855-M350型柴油機作為主機，該型柴油機為引進美國技術生產(chǎn)的六缸直列、強制水冷、增壓空氣冷卻和廢氣渦輪增壓的四沖程船用柴油機，額定功率 2 6 1 k W ，額定轉速 1 8 0 0 r / m i n 。該型柴油機采用為ST-50型單級徑流式廢氣渦輪增壓器，壓氣機為單級離心式壓氣機。該艇在海上航行時，發(fā)現(xiàn)右機滑油管路漏油，航行一段時間后，增壓器高速運轉時喘振，繼而外殼燒紅。停車后，拆卸增壓器，對其進行檢查。

3.2 排除過程

1）遵循先判后檢原則，根據(jù)前期分析的柴油機增壓器故障原因，結合故障現(xiàn)象，存在滴油現(xiàn)象，氣封裝置破損，更換油封，滴油現(xiàn)象暫時消失。航行一段時間后，滴油現(xiàn)象仍然出現(xiàn)。更換噴油器進行安裝并試車，喘振故障依然存在。

2）冷卻系統(tǒng)檢查。如水溫過高，不能冷卻柴油機，導致排氣溫度高，增壓器中機油蒸發(fā)，長時間運行后，機油蒸發(fā)后掛油滴。因該型柴油機中冷器采用舷外水冷卻，檢查冷卻系統(tǒng)壓力正常。因柴油機在其他各個低速能正常運行，檢查排煙有輕微藍煙，檢查各缸排溫相差不大，排除冷卻系統(tǒng)問題，而分析故障由進排氣系統(tǒng)或燃油系統(tǒng)引起。

3）進排氣閥檢查。如果氣閥間隙不當，進排氣閥關閉不嚴而導致進排氣閥積炭嚴重或者燒蝕，從而引起增壓器的喘振。在靠泊碼頭后對各缸進排氣門的密封情況進行檢查，發(fā)現(xiàn)閥桿和進排氣門底座密封正常，無嚴重積炭和燒蝕情況，各缸的氣門間隙正常。各缸進排氣閥、燃油系統(tǒng)及高壓油泵檢查，各缸的高壓油泵進行了校對、供油正時調整之后，喘振的故障隨之消失，但滴油現(xiàn)象仍然存在。

4檢查儀表發(fā)現(xiàn)壓力表異常。進排氣、曲軸箱負壓不平衡時，壓力密封失效，潤滑油被吸向壓氣機，隨空氣升壓后進入氣缸。進氣系統(tǒng)對柴油機性能產(chǎn)生影響而導致增壓器漏油。拆開增壓器進出氣口管，管壁上沾附有機油油污。考慮缸套和活塞環(huán)之間的配合間隙產(chǎn)生磨損，更換活塞環(huán)，漏油現(xiàn)象消失。

5）調節(jié)增壓器轉子動平衡，增壓器運轉速度非常高的時候，轉子會出現(xiàn)不平衡的慣性力，將會對其產(chǎn)生不利影響。不僅會讓磨損變得嚴重，還會讓軸承承受的重量有所增加。所以在拆除或更換增壓器、安裝完成后，對其進行動靜平衡實驗，把不平衡度控制在要求的范圍內。靜平衡實驗可通過任意轉動一個角度，作上記號，松手后記號不動為準，若記號有變動角度，那么在偏重的一邊用銼刀稍銼一下以減重。動平衡需要通過計算，把不平衡量給去掉。然后再進行嘗試，直到達到要求。

3.3 原因分析

該案例滴油現(xiàn)象反映出保養(yǎng)維護漏洞。廢氣渦輪增壓器的日常管理，主要應注意觀察滑油流動情況，留意滑油的壓力和溫度是否反常。增壓器工作時，滑油壓力不可過高，以防滑油被擠入渦輪室。此時，滑油消耗率升高，極有可能飛車。調節(jié)滑油冷卻器將滑油溫度控制在合適的范圍內，避免因為增壓器工作時冷卻不充分造成轉軸與軸承高溫。另外，高壓油泵單缸不供油或者供油不均，主機各缸的負荷不同，導致增壓器的喘振。同時，供油定時不準確，造成后燃現(xiàn)象，排煙管中含有未完全燃燒的燃油，進入增壓器中，引起增壓器溫度過高燒紅，

4管理啟示與建議

當柴油機長時間運轉或超負載工作時難免出現(xiàn)故障，為避免故障發(fā)生，需要對其進行維護保養(yǎng)。停機前應怠速運行 ，并對其運轉的平穩(wěn)性進行查看。如聲音不正常，應停機檢查。經(jīng)常檢視氣道的氣密性，定期對渦輪增壓器進行檢查。運行一段時間，增壓器內部會銹蝕及出現(xiàn)雜質，軸承也會因升溫發(fā)生性能改變。應按船艇保養(yǎng)規(guī)定定期對其進行清理，避免可吸入顆粒物堵塞壓氣機，以保證其處于較好的工作狀態(tài)。用酸溶液來去掉鐵銹，柴油清潔濾清器。配置或購買濃度為 1 0 % ～ 1 5 % 的鹽酸或濃度為 1 5 % ～ 2 0 % 的硫酸溶液清洗水垢，再用堿水中和殘余酸液，然后用清水洗凈化學試劑，最后壓縮空氣吹洗并進行干燥。

拆裝增壓器時，應結合廠商配備的說明書或使用手冊了解內部構造，熟悉拆裝程序再進行拆裝。當渦輪增壓器在運轉中損壞，船上無法進行換件修理時，應立即停止運轉采取措施，防止增壓器發(fā)生其他損壞。如果轉子停轉，為了防止火災，必須強制切斷對故障增壓器的滑油供應，同時降低柴油機輸出功率，使其排氣溫度不超出規(guī)定值。如果廢氣必定經(jīng)過增壓器輸送，則應拆除故障增壓器的轉子部套并蓋上密封蓋，否則拆下整臺故障增壓器，并密封或重新連接相關管路。維護保養(yǎng)時，小故障由使用人員進行修理。超出維護保養(yǎng)范圍的檢查、維修或大故障的修理應送修理所或制造廠。當轉子及軸承損壞，為使柴油機恢復運轉，可換備用轉子總成。

5 結束語

增壓技術日新月異，其結構功能也隨著柴油機發(fā)展而優(yōu)化。增壓器長期以來存在的問題，直接影響柴油機使用壽命和航行安全。合理使用增壓器、定期進行維護是解決增壓器故障的有效措施。增壓器發(fā)生故障應根據(jù)故障現(xiàn)象成因來逐步檢查，以提高故障診斷和排除效率，其他故障如停止運轉、燃氣通道腐蝕、渦輪漏油以及異響等故障的研究需要在日常使用管理中仔細觀察和分析。

船艇部門正處于轉型發(fā)展階段，在機器管理使用方面也提出了更高的要求。自前廣泛使用的廢氣渦輪增壓器能大大提高效率，降低油耗。但廢氣渦輪增壓器常會出現(xiàn)一系列故障，利用故障實例對渦輪增壓器的典型故障進行分析，結合船艇柴油機的使用情況以及操作管理相關規(guī)定，總結摸索出行之有效的方法，必定能為更好地遂行保障任務提供參考。

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