舰船废气涡轮增压器喘振故障分析及排除

李洪松，刘永葆，余又红，贺 星

(海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033)

舰船废气涡轮增压器喘振故障分析及排除

李洪松，刘永葆，余又红，贺 星

(海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033)

为了满足现代舰船向高速化、大型化方向发展，作为主动力装置的柴油机广泛采用废气涡轮增压器来提高其输出功率。增压器喘振是船用柴油机常见故障之一，文章详细介绍2起增压器喘振故障现象及排除过程，根据喘振机理建立喘振故障树，分析喘振原因，为舰用柴油机科学管理与使用提供建议。

舰用柴油机；废气涡轮增压器；喘振；故障树

由于柴油机在经济性和机动性等方面具有优势，目前柴油机作为舰船主动力而被广泛应用。随着现代舰船向高速化、大型化方向发展，对舰用柴油机在大功率方面提出了更高的要求。增压是提高柴油机输出功率的主要方法，舰用柴油机采用废气涡轮增压器，使进入汽缸的空气压力和密度增大，喷射的燃油量相应增加，进而达到提高功率的目的。废气涡轮增压器喘振是舰用柴油机常见故障之一[1-3]，影响柴油机的正常运行和舰船的航行性能。

1 废气涡轮增压器喘振机理分析

废气涡轮增压器由压气机和废气涡轮同轴相连而组成，废气涡轮在柴油机排出的高温和具有一定压力的废气推动下转动，通过转轴带动压气机转动，压缩空气，提高进气压力。

当转速一定，压气机的进气流量减小时，造成流道中气体的速度不均匀和出现倒流现象，压气机进入不稳定工作状态，进而出现空气流量忽大忽小，压力值波动剧烈，伴随着压气机的剧烈振动，并发出吼叫声或喘息声，这种现象称为压气机的喘振[4]。喘振会加速压气机叶片等内部零件的疲劳损伤并快速扩展已有的裂纹，严重时会导致压气机的损坏。

当压气机进气流量小于设计值很多的时候，在压气机叶片背面产生剧烈的气流分离现象，进而引起压气机喘振。图1为进气流量变化时空气在叶轮前缘的流动情况，图中c1代表进入压气机前缘时空气的绝对速度，μ1代表叶轮的圆周速度，w1代表进入压气机前缘时空气的相对速度。

图1 进气流量变化时空气在叶轮前缘的流动情况

当进气流量等于设计值时，气流平顺的进入叶片通道，不会与叶片发生撞击，如图1(a)所示；当进气流量大于设计值时，气流撞击叶背，在叶腹处发生气流分离，但由于叶轮的旋转，使叶片压向分离的气流，进而使分离现象变弱，如图1(b)所示；当进气流量小于设计值时，气流撞击叶腹，在叶背处发生气流分离，一方面由于气流在叶背部分加速流动，压力降低，另一方面叶轮的旋转使叶背处的气流分离具有扩大的趋势，如图1(c)所示，进而堵塞通道，使气流在叶片流道内的流动受阻，造成空气在扩压器前堆积，压力升高，而排出压力降低，空气流量变小。当扩压器前后压差增大到一定程度时，这种流道阻力被打破，堆积的大量空气得以排出，引起增压器强烈地振动，使得空气流量和排出压力剧烈地波动。但是因为流量变小没有得到改变，叶片流道中又会出现气流分离，这种现象周而复始，形成压气机喘振。

2 废气涡轮增压器喘振原因分析

压气机发生喘振的根本原因是进气流量过小或者背压过高，根据喘振机理及柴油机实际工作状况，建立喘振故障树[5]，如图2所示。

图2 喘振故障树

3 喘振故障实例分析

3.1 故障实例1

1)故障现象及排除过程。大风浪海况下，舰船摇晃角度较大，在此种情况下，废气涡轮增压器在主机转速为950 r/min的工况下发生喘振，各缸排气温度比正常运行时高15 ℃左右。喘振故障发生后首先降低主机转速，降工况运行后喘振偶有发生，打开机带海水泵前加装的放气阀门，对海水冷却系统进行放气，放气后，喘振现象消除。

2)原因分析。大风浪海况下，舰船横摇角度较大，海底门进入的海水夹杂着大量气泡导致进入主机空冷器的冷却海水量减小，空冷器的冷却能力降低，汽缸进气初温升高，进气量减少，汽缸内燃烧质量变差，柴油机的排气温度升高，压气机的转速、背压升高，引起进气流量减小，压气机特性曲线中的运行点与设计点发生偏离，由A点移向高处A′点，离喘振边界线B更近，导致喘振裕度减小，易发生喘振，如图3所示，曲线C为等效率线。

图3 离心式压气机特性曲线

3.2 故障实例2

1)故障现象及排除过程。海面风浪较小的情况下，主机在840 r/min的转速下运行，突然废气涡轮增压器发生喘振；主机降速到600 r/min，增压器喘振现象消失；主机升速到730 r/min，增压器继续发生喘振。

首先认为主机海水管路堵塞或海底门滤网脏堵引起海水量减小，主机停止工作后立即拆开海底门滤网和海水管路各法兰接头处进行检查，经检查确定海水系统管路无堵塞。再次启动柴油机，当主机由空车转入进一工况时，主机冒黑烟严重且振动较大，转入进二工况时，废气涡轮增压器发生喘振。主机冒黑烟一方面因为燃烧不充分，一方面因为超负荷，考虑到舰船刚经历中修，各缸喷油器产生雾化不良现象的概率较小，且主机齿轮箱接排前工作状态良好，而一接排就发生上述问题，则认为主机超负荷的概率较大，于是怀疑船底螺旋桨是否绞缠渔网，经检查发现螺旋桨缠上一大块渔网，割除渔网后，主机工作运行正常，喘振现象消除。

2)原因分析。图4为柴油机和螺旋桨的配合关系示意图。

图4 柴油机和螺旋桨的配合关系示意图

曲线A为正常配合时的螺旋桨推进特性线，曲线B为重载配合时螺旋桨的推进特性线，C为柴油机特性曲线。螺旋桨绞缠渔网使得螺旋桨的推进特性线由曲线A变为曲线B，柴油机在接排后负荷超载，如果要使柴油机转速达到额定值，机—桨配合点由H点变为H′点，柴油机超负荷运行，供油量增多，排出废气的能量变大，导致增压器转速升高，压气机的排气量增多，排出压力升高，即导致压气机背压升高，引起进气流量减少，进而引发喘振。

4 结束语

1)大风浪海况下主机应降速运行，从而使废气涡轮增压器的进气需求量减小，防止其因实际进气量比理论进气需求量小而引起喘振。同时，应加强对海水冷却系统的检查，及时放掉海水冷却管路中的空气，防止因海水冷却管路中夹杂大量空气使冷却效果变差导致增压器发生喘振。

2)平时要加强对柴油机的维护与管理，定期清洗增压器滤网等部件。发生故障后要根据故障现象全面系统地进行分析，逐一进行排查，并排除故障。

[1] 朱远龙，王磊，曾强洪．柴油机增压器喘振故障诊断及排除[J] ．中国修船，2015，28(5)：6-12.

[2] 任荣社，王修敏，郑发彬．12V20/27柴油机增压器喘振的原因与排除[J] ．内燃机，2007(6)：61-62.

[3] 洪哲，王建．某船柴油主机增压器喘振故障分析及排除[J] ．柴油机，2012，34(4)：57-59.

[4] 杜天玉，黄加亮，蔡振雄，等． VTR564D-32型废气涡轮增压器喘振及故障排除[J] ．中国修船，2008 ，21(1)：17-20.

[5] 林颖毅．船舶废气涡轮增压器喘振故障分析及排除[J].武汉船舶职业技术学院学报，2012(3)：41-43.

In order to meet the requirements that modern ships develop towards high-speed and large scale,exhaust gas turbocharger are widely used in diesel engine as main power device to increase the output power.As one of the common faults,surging of turbocharger often happens on marine diesel engine.In this article,two kinds of treatment are introduced to turbocharger surging，the fault tree is built up on the basis of its mechanism，the fault cause is analyzed and some advice is given for scientific use and management of marine diesel engine.

marine diesel engine;exhaust gas turbocharger;surging;fault tree

李洪松(1990-)，男，山东夏津人，在读硕士研究生，研究方向为动力机械及热力系统的设计、仿真与优化。

U664.121

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.04.007

2017-03-08