故障檢修與技術(shù)維護

發(fā)動(dòng)機增壓器喘振的原因及解決方法

 

摘要：現代應急電源主機幾乎全部采用廢氣渦輪增壓技術(shù)來(lái)提高柴油機功率，而喘振是柴油機增壓器的常見(jiàn)故障之一。文章首先分析了增壓器喘振的機理和原因，并結合廢氣渦輪增壓器喘振故障案例，詳細的介紹了喘振的排除過(guò)程，并對其日常維護管理提出了建議。

 

一、增壓器喘振機理

 

 

      從圖1中可以看出，壓氣機的通用特性曲線(xiàn)是由等折合轉速線(xiàn)，等效率特性線(xiàn)，和喘振邊界線(xiàn)組成。等轉速線(xiàn)的特點(diǎn)是曲線(xiàn)較抖，在轉速恒定的條件下，壓氣機的壓比和效率隨流量的改變而變化的關(guān)系，通稱(chēng)為壓氣機的特性線(xiàn)。 而離心式壓氣機的特性是當轉速nk等于常數時(shí)，隨著(zhù)流量Gk的減少，壓比πk開(kāi)始是增加的，當流量Gk減少到某一值時(shí)，πk值達到最大值，然后隨Gk的減小開(kāi)始下降。

      離心式特性曲線(xiàn)如圖2所示。當壓氣機流量減小到某一值后，氣體進(jìn)入工作葉輪和擴壓器的方向偏離設計工況，造成氣流從葉片或擴壓器上強烈分離，同時(shí)產(chǎn)生強烈脈動(dòng)，并有氣體倒流，引起壓氣機工作不穩定，導致壓氣機振動(dòng)，并發(fā)出異常的響聲，稱(chēng)為壓氣機喘振。不同轉速下壓氣機開(kāi)始發(fā)生喘振流量值點(diǎn)連線(xiàn)稱(chēng)為喘振線(xiàn)，如圖1虛線(xiàn)所示。喘振線(xiàn)左側為喘振區，右側為穩定工作區。增壓器喘振原因從根本上講，是由于壓氣機的流量小于該轉速下引起喘振的限制流量，造成氣流與葉片的強烈撞擊與脫流。

      對于新造的增壓柴油機，配合運行線(xiàn)與喘振線(xiàn)之間留有足夠喘振裕量，無(wú)論環(huán)境條件及柴油機工況如何變化，使用初期增壓器一般都不會(huì )發(fā)生喘振。喘振裕量dVs的定義為dVs=（Q－Qs）/Qs（dVs通常應大于10﹪)，如圖2所示。從圖上看起來(lái)低負荷時(shí)配合運行線(xiàn)離喘振線(xiàn)比高負荷還近些，而其實(shí)其喘振裕量較大，這是因為低負荷時(shí)分母Qs減小得更多，實(shí)際也是如此，柴油機在低負荷時(shí)較不易喘振。所以，有的教材認為純廢氣渦輪增壓系統在流道阻塞時(shí)，在低負荷時(shí)其配合運行線(xiàn)會(huì )先進(jìn)入喘振區而發(fā)生喘振的觀(guān)點(diǎn)是不符合實(shí)際的。

 

圖1 增壓器壓氣機通用特性曲線(xiàn)

圖2 離心壓氣機特性曲線(xiàn)圖

 

 

二、喘振故障原因分析

 

     純廢氣渦輪增壓柴油機喘振的影響因素可分為流道阻塞和非流道阻塞二類(lèi)。

1．流道阻塞

      流道阻塞指組成增壓系統的氣流通道流通面積變小，使增壓器與柴油機配合運行線(xiàn)左移，喘振裕量減少，當進(jìn)入喘振區時(shí)，即發(fā)生喘振。雖然增壓系統流道阻塞都使四沖程和二沖程柴油機增壓器配合運行線(xiàn)左移，但二沖程要比四沖程柴油機敏感得多，原因在于二者的換氣過(guò)程不同。因為二沖程機的換氣主要依靠掃氣口與排氣口之間的壓差來(lái)實(shí)現，流道堵塞對換氣質(zhì)量影響很大，一使氣流流通不暢，二使排溫升高，廢氣能量增加，導致增壓器喘振。而四沖程柴油機的換氣過(guò)程主要依靠活塞的抽吸和推擠，進(jìn)排氣壓差僅在燃燒室掃氣時(shí)才有所影響，所以流道阻塞對四沖程柴油機的影響相對二沖程柴油機要小得多。

2．非流道阻塞

      非流道阻塞因素有：當航行條件惡化時(shí)，如大風(fēng)浪航行、柴油機污底、螺旋槳纏上漁網(wǎng)等。上述因素使柴油機阻力增大，由于現代船用推進(jìn)柴油機都裝有全制式調速器，噴油量增加，增壓器轉速升高，壓氣機流量增加，壓比升高，配合運行點(diǎn)向高端移動(dòng)，喘振裕量減少，使喘振較易發(fā)生。而對于驅動(dòng)螺旋槳的四沖程柴油機，還會(huì )因柴油機阻力的增加，調速器使噴油量增加，柴油機轉速未變，四沖程柴油機的通流能力主要取決于柴油機的轉速，氣缸前后的壓差對流量影響較小，可以認為流量不變，壓氣機由于渦輪接受的廢氣能量增加使壓比升高而流量不變，配合運行點(diǎn)向高端移動(dòng)的同時(shí)，配合運行線(xiàn)逐漸變陡而靠向喘振線(xiàn)。在考慮二沖程柴油機氣缸的通流能力時(shí)，將它看成一個(gè)通流面積不變的孔板（柴油機轉速升高，掃氣口、排氣口或閥開(kāi)啟時(shí)間按比例減少，但單位時(shí)間內開(kāi)啟次數按比例增加），所以二沖程柴油機的通流能力與柴油機的轉速無(wú)關(guān)，它主要取決于氣缸前后的壓力差，不論上述航行條件如何改變，其配合運行線(xiàn)均不會(huì )變化。噴油系統故障、排氣閥開(kāi)啟過(guò)早、空冷器冷卻能力下降等非流道阻塞因素造成的排氣溫度升高都將使配合運行點(diǎn)上移而誘發(fā)增壓器喘振，特別是當主海水泵故障，無(wú)冷卻海水供應時(shí)，由于空氣溫度劇增，此時(shí)有些機型發(fā)生劇烈喘振比淡水高溫報警還來(lái)得早。

      由此可知，流道阻塞因素對四沖程機影響較小，對二沖程機影響較大。非流道阻塞因素對四沖程機影響較大，對二沖程機影響較小。

3．某增壓器喘振故障案例分析

      該主機增壓器喘振并不是特別嚴重，僅在惡劣工況時(shí)斷續發(fā)生。柴油機阻力突增過(guò)程，造成增壓器與柴油機的暫時(shí)失配無(wú)疑是該喘振的主要原因，特別是當增壓器由于轉子慣性轉速下降滯后，轉速仍然較高，而主機轉速迅速下降，與壓氣機串聯(lián)的四沖程柴油機的通流能力減弱，使壓氣機在高背壓低流量下工作，配合運行點(diǎn)落入喘振區而發(fā)生喘振。然而在柴油機與增壓器選配時(shí)，配合運行線(xiàn)與喘振線(xiàn)之間的喘振裕量應足以避免因這種短暫失配所引起的喘振現象，特別是象該例增壓系統增壓度較低，其喘振裕量相對于高增壓系統要大些，就更不易發(fā)生喘振，由此判斷該喘振現象不是由上述單一外界條件變化引起的，應該還有增壓系統內在因素存在，與之疊加而成。在良好工況航行時(shí)未發(fā)生喘振，并不能確定增壓器與柴油機所組成的增壓系統各環(huán)節都正常，如果某種因素僅使配合運行線(xiàn)向喘振線(xiàn)靠近或運行點(diǎn)向高端移動(dòng)，但該因素還不能單獨引起增壓器喘振，因此需要進(jìn)一步分析相關(guān)運行參數，找到這一因素。

      對比增壓器喘振發(fā)生前后柴油機排氣溫度等參數，如表1、表2（滿(mǎn)載條件下檢測）。表中顯示喘振發(fā)生前后高壓油泵齒條刻度、爆發(fā)壓力基本相同，說(shuō)明主機負荷在同轉速下沒(méi)有增大，以及噴油定時(shí)也沒(méi)有變化，且各缸負荷均勻。表中顯示各缸排氣溫度較喘振發(fā)生前高出200C左右，噴油器的霧化質(zhì)量惡化會(huì )導致排氣溫度升高，但六只缸同時(shí)出現噴射霧化不良的可能性極小，經(jīng)查后也排除了這種可能性。由于進(jìn)氣溫度基本不變，也排除了該因素的影響（進(jìn)氣溫度上升帶動(dòng)排氣溫度上升，廢氣能量增加壓氣機轉速升高，配合運行點(diǎn)移向高處，對四沖程機同時(shí)伴隨著(zhù)配合運行線(xiàn)左移），也排除了因燃油品質(zhì)改變引起的排氣溫度變化。表中的進(jìn)氣壓力在喘振發(fā)生后有所降低，進(jìn)氣壓力的降低可由流道阻塞、廢氣能量減少（主要因素有渦輪保護格柵及消音器堵塞）等引起，可見(jiàn)排氣溫度升高是進(jìn)氣壓力降低（過(guò)量空氣系數減少）引起，并非是該喘振現象的誘因，這樣也驗證了前面關(guān)于排氣溫度升高的原因分析。這樣基本可肯定該內在因素為廢氣渦輪增壓系統氣流通道阻塞。

表1 喘振未排除時(shí)主機運行參數(不喘振)

表2喘振故障前主機運行參數

 

      因為各缸排氣溫度均勻升高，不可能是個(gè)別缸的進(jìn)排氣流道不暢引起，應該考慮除柴油機本身以外增壓系統各環(huán)節由于流通面積偏離原設計值所造成影響。由于該增壓系統未設空冷器氣側壓差計及增壓器轉速表，給排除故障帶來(lái)一定難度。排除故障原則應是先易后難、先外圍后內部、先主要后次要。其實(shí)三年來(lái)已經(jīng)拆檢了空冷器、增壓器好幾次，喘振沒(méi)有消除，剩下來(lái)似乎只有保護格柵和消音器。但前幾次增壓器的拆檢僅做到抽出轉子，然后檢查噴嘴環(huán)，然而由于其斜向布置，在出口側是看不見(jiàn)進(jìn)口側的，所以應該對增壓器做一次徹底解體，順便也對保護格柵進(jìn)行檢查。抽出轉子后，發(fā)現有三個(gè)噴嘴處卡著(zhù)金屬碎片，當時(shí)有人認為原因已找到，可如果仔細回憶一下，以前抽出轉子清潔噴咀后，喘振并未消除，所以這樣的堵塞還不至于對氣流的流動(dòng)產(chǎn)生太大的影響。拆下渦輪進(jìn)氣箱后，發(fā)現與排氣總管之間的保護格柵已不存在，在進(jìn)氣箱氣道與噴咀環(huán)的結合處卡有一呈卷曲狀的薄鋼板，尺寸約10×4cm，如果不拆除渦輪機進(jìn)氣箱，在進(jìn)氣箱入口處也很難發(fā)現，那么這塊鋼板是什么地方來(lái)的呢？經(jīng)檢查確定是排氣管上的一只波紋膨脹接頭的內導管脫落，該膨脹接的安裝是有方向性的，但在安裝時(shí)把方向裝反，這樣經(jīng)高溫廢氣的長(cháng)期沖擊就容易脫落，此時(shí)如果保護格柵完好無(wú)損，也不致于進(jìn)入到噴咀環(huán)處，所幸未能通過(guò)噴咀環(huán)對渦輪葉片造成損傷。

      取出這塊卷曲狀鋼板后，不論在何種工況下增壓器再也沒(méi)有發(fā)生喘振現象。重新測量爆發(fā)壓力、排溫及高壓油泵齒條刻度與喘振故障排除前比較，排溫有明顯下降，進(jìn)氣壓力也提高了。說(shuō)明噴咀環(huán)小部分被遮擋使主機排氣背壓升高，換氣質(zhì)量變差，排溫升高，增壓器渦輪效率下降，轉速有所降低（該增壓器無(wú)轉速表）?，F在讓我們回顧一下，既然噴咀環(huán)處有被堵現象，那么為什么在良好工況下增壓器不發(fā)生喘振呢？我們知道柴油機與增壓器選配時(shí)，配合特性曲線(xiàn)C與喘振線(xiàn)B之間留有一定的喘振裕量，如圖3。

 

圖3 增壓器配合特性曲線(xiàn)圖

 

      在氣流通道堵塞使流通面積減小不是特別嚴重的情況下，配合特性曲線(xiàn)C向喘振線(xiàn)B靠近，喘振裕量減小，此時(shí)以C/表示，C/并未進(jìn)入喘振區，此時(shí)增壓器轉速應該有所降低，等轉速線(xiàn)由n下降為n/，運行點(diǎn)由設計時(shí)的a點(diǎn)移至a1點(diǎn)，顯然a1點(diǎn)在穩定工作區，所以柴油機在負荷小的時(shí)候，增壓器不會(huì )發(fā)生喘振。柴油機在較惡劣工況下運行時(shí)，主機轉速下降很多，而增壓器此時(shí)瞬間轉速仍為nK/，增壓器壓氣機背壓升高流量減少，運行點(diǎn)由a1點(diǎn)移至a2點(diǎn)，a2點(diǎn)已進(jìn)入喘振線(xiàn)左側，即喘振區，發(fā)生短暫喘振。故障排除后，配合特性曲線(xiàn)恢復到接近原設計特性曲線(xiàn)，柴油機即使在惡劣工況下航行，增壓器也不會(huì )產(chǎn)生喘振。由此可見(jiàn)，該喘振故障是氣流通道流通面積減少和主機負荷的急劇變化兩個(gè)因素疊加引起的。

 

 

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