某船涡轮增压器爆燃事故的诊断与预防

焦宇飞，李 雷，徐百汇,郎勇智，梁前超

(1.海军某装备部，浙江 宁波 210000;2.海军工程大学，湖北 武汉 4300333.大连舰艇学院，辽宁 大连 116000)

某船涡轮增压器爆燃事故的诊断与预防

焦宇飞1，李 雷2，徐百汇1,郎勇智3，梁前超2

(1.海军某装备部，浙江 宁波 210000;2.海军工程大学，湖北 武汉 4300333.大连舰艇学院，辽宁 大连 116000)

针对某船涡轮增压器因发生突然爆燃事故而损坏，从理论上计算并结合系统实际分析了故障产生的原因和机理，提出了预防该船涡轮增压器爆燃事故有效方法和措施。经过近4 000 h的实际增压系统运行且预防措施到位，有效地防止了该型号增压器爆燃事故的发生。

涡轮增压器;发动机；爆燃；预防

1 涡轮增压器故障情况

某船在启动主机时, 涡轮增压器出现报警,同时听到机舱发出异常响声,经过详细检查发现A列涡轮增压器因为主柴油机爆燃而损坏。

该船主柴油机爆燃，造成A列涡轮增压器燃气进气壳与燃气排气壳连接法兰360°全部断裂(见图1)，并向柴油机排气管外侧移动约100 mm；燃气排气壳出口连接方圆接头的D12螺栓24根全部震断，方法兰和圆法兰完全变形，膨胀节损坏；压气机的排气壳360°开裂、裂缝间隙为10 mm(见图2)。

2 涡轮增压器拆解

拆解增压器后发现燃气排气壳与燃气排气壳连接法兰360°断裂(见图1)；压气机排气壳与燃气排气壳连接侧360°断裂(见图2)；增压器转子涡轮端轴弯曲，动叶片已松动，中间隔墙270°断裂，轴保护套损坏，压气机叶轮和导风轮叶片弯曲，整根转子报废(见图3)；压气机扩压器叶轮弯曲(见图4)；压气机进气壳油池有裂缝(见图5)；压气机叶片罩壳法兰断裂(见图6)；压气机端和涡轮的轴承已全部损坏(见图7)。

图1 涡轮增压器进气排壳断裂

图2 压气机的排气壳开裂

图3 涡轮增压器整根转子报废

图4 压气机扩压器叶轮弯曲

图5 压气机进气壳油池有裂缝

图6 压气机叶片罩壳法兰断裂

图7 轴承损坏

3 故障分析及可靠性计算

爆燃的定义是[1-2]当高压喷油器喷入的高热量燃料进入燃烧室后，发散为许多小的油滴，经过不断地蒸发、扩散并且与空气混合等物理准备及分解氧化等化学准备阶段后发生不规律或不可控制的自燃。

混合气着火的2个条件是混合气浓度和温度。同时满足2个条件时缸内的区域为多点自燃且发火位置随循环不同而不同，着火延迟期内喷入汽缸形成可燃混合气的燃料一起燃烧造成汽缸压力急剧升高，当压力升高率大于0.4 MPa/°CA时就是爆燃现象。产生爆燃现象的主要原因有如下几点。

1)燃烧室内积碳聚集过多，高压喷油器炽热提前燃烧导致其容积相对变小，致使压缩比相应变大，积碳的蓄热和不导热性使可燃混合气由于炽热提前燃烧，同时会降低混合气在压缩终了时产生的涡流强度，延长了燃烧时间，增大了自燃倾向。

2)发动机过热，当过热故障较严重且得不到及时改善时，可燃混合气在进入燃烧室的同时会被预热，造成局部混合气温度过高，从而引发爆燃。

3)高压喷油器燃油使用不当,喷入燃烧室的油量过多。汽缸内压力上升太快时就会发生爆燃现象，所以油的十六烷值在40～50之间比较合适。

4)高压泵和喷油器的供油时间发生过早和过量现象。喷油器将过量的燃料喷入压力和温度都不够高的压缩空气中，延迟期增长导致工作粗暴、油耗增高和功率下降。

5)喷油提前角不准确时柴油机性能严重下降。喷油延续角小则喷油速度过快也会导致柴油机工作粗暴。

从以上1)、3)、4)、5)几个方面可以看出, 高压泵及喷油器的故障是其故障的主要原因,因此进行可靠性分析研究非常重要。可靠性计算及分析：零部件的故障分布虽有多种多样，但常见的是指数分布、正态分布、对数正态分布和威布尔分布。因为威布尔故障分布包括了常见的几种形式分布，所以可以重点研究威布尔分布对舰船故障的影响,利用现场数据进行可靠性评估时，可以用两参数的威尔分布[3-4]处理并用最小二乘法(线性估计法)进行分布假设检验和参数估计。

式中：t0为尺度参数；m为形状参数，m=1时，(t)为指数分布，m≥3.25时为正常分布(近似)。

现场数据处理采用残存比率法计算有关指标：

1)失效比率X(ti+1),X(ti+1)=Δti+1内失效的样本数/ti时刻残存的样本数。

2)残存比率S(ti+1)=1-X(ti+1)。

3)可靠度R(ti)=ΠS(ti)。

4)Xi=ln(ti)。

5)Yi=lnln [ 1/R(ti)]。

采用最小二乘法，将威布尔分布函数R(t)=exp(-tm/to)取二次对数后变为Y=bX+A形式，其中，X,Y计算对于设备一级产品采用如上4)、5)的公式计算， 对于机件一级产品则应按相应的现场数据计算。

现场数据计算收集了13台同类型机器的同类型故障数据，分类统计计算后，得到的结果如图8和图9。计算机程序可以自动计算可靠性各参数值并分析检验分布结果。图8为实际故障数据为指数分布的曲线，图9为实际故障数据为威布尔分布的曲线。

图8 实际故障数据为指数分布图

图9 实际故障数据为威布尔分布图

可靠性软件包计算出的威布尔分布参数，可以按下列公式计算常用的可靠性参数。

1)可靠度：R(t)=exp(-tm/to) 。

2)失效率：λ(t)=(m/to)tm-1。

3)平均寿命：MTBF=ηΓ(1+1/m)。

4)寿命方差：D(t)=η2[Γ(1+2/m)-Γ23(1+1/m)]。

5)可靠寿命：ρr=η(-lnR)1/m。

6)中位寿命：ρ0.5=η(ln1/2)1/m。

7)特征寿命：η=(t0)1/m。

计算机程序自动计算各参数值，并进行参数估计后的检验，作出检验结果是或不是该分布，结果如下。

1)某高压泵及喷油器故障分布服从威布尔,其参数估计值为：m=1.123 4，n=5 823。

由此可见，高压泵及喷油器故障间隔规律也十分接近指数分布。

2)估计值为：MTBF=9 925.71 h,Ra0.99=831.930,Ra0.90=2 925.303 h,Ra0.08=16 217.688 h。

根据计算结论, 高压泵及喷油器的故障间隔为9 925 h。我们提出在一定程度的保障容余及安全系数条件下的4 000 h安全检查措施。也就是说必须在此期间进行检查,防止涡轮增压器爆燃事故发生。通过讨论分析爆燃点的部位在增压器燃气排气壳前段中心，爆燃后的爆炸力向增压器两侧及排气壳出口烟囱扩散，力量太大使增压器各部件全都报废。

4 预防涡轮增压器爆燃的可靠性保障措施

从理论上分析故障产生的原因和机理出发[5-6]：柴油机燃烧室内积碳聚集过多，导致混合气由于炽热提前燃烧突然爆燃损坏、发动机过热造成局部混合气温度过高，从而引发爆燃、燃油使用不当导致工作粗暴、供油时间过早及喷油提前角不当导致柴油机工作粗暴等。针对以上几点意见提出预防柴油机爆燃措施主要有以下几点。

1)及时清除燃烧室内积碳。

2)提高冷却系统的冷却功能。对高温的排放系统采取隔热措施，降低高温排放系统对冷却系统的影响；改善机舱的通风换气能力。

3)使用合适的燃油。

4)严格按照标准调整供油时间。

5)调整供油提前角满足说明书规定的正确值。使用工厂规定的专门的调整方法，得到柴油机喷油泵的正确供油提前角。

5 结束语

1) 理论上分析了涡轮增压器因发生突然爆燃损坏的成因。从理论上分析了故障产生的原因和机理：①柴油机燃烧室内积碳聚集过多，导致混合气由于炽热提前燃烧，增大了突然爆燃损坏的可能性；②发动机过热造成局部混合气温度过高，从而引发爆燃；③燃油使用不当导致汽缸内压力上升过快，工作粗暴；④供油时间过早导致柴油机工作粗暴；⑤喷油提前角不当导致柴油机工作粗暴。

2)提出了预防某船涡轮增压器爆燃事故有效方法和措施。联系实际系统并及时清除燃烧室内积碳、提高冷却系统的冷却功能、对高温的排放系统采取隔热措施、严格按照标准调整供油时间及供油提前角。

3)在一定程度的保障容余度及安全系数条件下的4 000 h安全检查措施，也就是说必须在此期间进行检查,防止涡轮增压器爆燃事故发生，经过4 000 h的实际增压系统运行，预防措施到位，有效地防止了该型号的增压器的爆燃事故的发生。

[1] 顾卓明.轮机维护与修理[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] 蒋世明，何果龙.某船用主机连续拉缸的故障分析及其预防措施[J].中国修船，2009(3):17-19.

[3] 陈冠国.机械设备维修[M].北京：机械工业出版社，1997.

[4] Kytatos,N.P.,Theotokatos,G.and Xiros, N.I..Main Engine Control for Heavy Weather Conditions[C].ISME 6th International Symposium on Marine Engineering. Tokyo,Japan: October 23-27,2000.

[5]Xiros, N.I. and Kyrtatos, N.P.. A Neural Predictor of Propeller Load Demand for Improved Control of Diesel Ship Propulsion[C].15th IEEE/ISIC 2000 International Symposium on Intelligent Control Engineering.Patras , Greece: July 17-19,2000.

[6]Kyrtatos, N.P., Theotokatos, G., Xiros, N.I.,et al. Transient Operation of Large-bore Two-stroke Marine Diesel Engine Powerplants: Measurements & Simulations[C].23rd CIMAC Congress. Hamburg: May 7-10,2001.

To the damage of turbocharger because of diesel exploding combustion,the reason is analyzed to propose precaution in the theoretical contribution.And the effective action and method have been put forward.Turbocharger has been taken to work on the system in nearly 4 000 h,which proposes the proper prevention for the exploding combustion fault.

turbocharger;engine;exploding combustion;prevention

焦宇飞(1961-)，江苏扬州人，高级工程师，硕士，主要从事现代热力学及动力装置的研究工作。

U672；TK12

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.01.004

2015-10-21