XX轮主机增压机喘振原因分析

2018-03-13张有海

现代制造技术与装备 2018年1期

张有海

（厦门海隆对外劳务合作有限公司，厦门 361003）

无论是四冲程柴油机还是二冲程柴油机，都须将前一循环的废气排出气缸并充入新鲜空气，同时活塞在上死点前需将燃油喷入气缸并使之燃烧。从热力学角度来看，废气的排出即意味着工质向低温热源散热，而燃油的燃烧就意味着高温热源向工质的加热。二者缺一，热机就不能循环做功。而这个新鲜空气取代废气的过程就是柴油机的换气过程。

柴油机的功率、经济性和工作可靠性首先取决于喷入气缸的燃油量以及燃油燃烧的完善程度。而燃油燃烧的完善与否在很大程度上又取决于充入气缸的空气量。在一定喷油量的情况下，充入气缸的空气量多（和废气排出干净），燃烧就好，柴油机的功率和经济性就高。燃油燃烧得好，机件不容易过热，工作就可靠。为保证气体（废气和空气）在一定时刻排除和充入气缸，柴油机设有相应的换气机构。

近几十年来，由于船舶吨位和航速的日益增大，船舶推进装置要有更大的机组功率，因而使增压技术在柴油机的发展中得到广泛使用。增压的实质就是用提高进气压力的方法，大幅度增加气缸的充气量，以保证在接近完全燃烧的情况下燃烧更多的燃油，并增大柴油机的功率。因此，它与柴油机的换气是密切相关的，只有在良好的换气基础上才能有效地实现增压。

1 涡轮增压机工作原理

船舶主机增压机（Turbocharger）的功用是增加进入气缸中的空气量，使喷入气缸的燃油能更充分燃烧。涡轮增压机由一涡轮机与压气机组合而成，涡轮机由柴油机的排气推动，而压气机是把更多的新鲜空气压入柴油机的气缸内。压气机叶轮与涡轮机叶轮两者共同装配在一支转轴上。

2 XX轮增压机工作原理

XX轮主机型号；7RTA84TB，MCR；27160kW/74RPM，NOR；23090kW/70.1RPM，主机增压机为 ABB TPL80-B12，系采用轴流式涡轮机和离心式鼓风机（压气机），柴油机排出的排气进入涡轮机后，沿涡轮机转子的轴线方向流动，在涡轮机叶轮做完功后，沿径向流入排气管排出。

如图1所示，该涡轮增压机由一个涡轮机与一个鼓风机（压气机）经由一支共享轴所组成。来自柴油机排气总管的高温排气从进口机壳9（Gas inlet casing）、喷嘴环6&7（Nozzle ring）流入驱动涡轮机10（Turbine）而带动鼓风机（压气机）叶轮13（Compressor wheel）。鼓风机（压气机）13将新鲜空气经由进气消音器1（Silencer）吸入、鼓风机（压气机）叶轮13压缩后，进入扩散器12（Diffuser）从涡卷室14（Volute housing）的出口离开增压机，最后经中间冷却器冷却后，送入扫（进）气总管。

图1 增压器构造

3 离心式鼓风机（压气机）的工作流程

增压柴油机运行时，整个系统形成一个气流通道。气体流动的路线是：进口滤网→压气机→空冷器→扫气箱→各气缸进气口（阀）→各气缸排气口（阀）→排气管→排气涡轮→废气锅炉→烟囱。各气缸进、排气口（阀）按发火顺序在换气期间轮流打开。

4 XX轮主机增压机发生喘振——之前船员查找喘振原因的做法

4.1 之前报告给公司的信文

2016年3月8日，XX轮主机增压机出现一声“呼啸”的声音，经检查后判断是No2增压机发生喘振，主机减至65r/min之后又出现一声“呼啸”的声音，于是主机再减至64r/min，同样会有不定时的出现一声“呼啸”的声音，主机在63～61r/min也同样会出现。只要主机负荷指示刻度超过6.2就发生喘振（正常情况下主机负荷指示刻度为6.4～6.8）。

No2增压机发生喘振之时，扫气压力和No1、No2增压机转速有所下降，但No1、NO2增压机废气进出口温度、冷却油出口温度、主机排烟温度没有变化。增压机发生喘振之前，主机排烟温度没有变化（相对稳定）。

No1增压机压气端的运转声音较清晰，No2增压机压气端的运转声音较沉闷。用听棒检查增压机，没有发现异常声音。检查F.O.SETT. & SERV.TK燃油中没有水分，检查主机空气冷却器放残管（排放管未有堵塞）正常，至于主机活塞及空气挡板情况待查。

4.2 之前后续的做法

为了避免增压器发生喘振现象，在空载航行时，主机只能运转在60～65r/min，在重载航行时，主机只能运转58～60r/min，且根据海况，主机负荷指示刻度必需控制在6.2之内。主机增压机发生喘振之后，船员利用靠码头和抛锚等待时间进行下列保养检查工作：主机空冷器空气侧用化学药剂清洗2次；主机扫气道及扫气箱damper检查；主机第3缸overhauled；主机各缸油头更换；主机爆压测量；主机#1和#3缸排气阀更换；在主机空冷器冷凝水排放管处泄气减压等。此外，计划拆检No.2增压机废气进口端，但两航次都没有合适的机会，就继续观察。

5 配合船员分析、判断、排除增压器喘振现象之做法

XX轮涡轮增压机，由一个涡轮机与一个压气机经由一支共享轴所组成。纵观之前的做法，主机排气流入驱动涡轮机，若主机排气不顺畅，压气机改变动态平衡状态，进而影响压气机的转速。在一定的转速时，当压气机流量减小到一定值后，气体进入工作叶轮13（Compressor wheel）和扩散器12（Diffuser）的角度偏离设计工况，造成气流从叶片或扩散器上强烈分离，同时产生强烈脉动，并可能引发气体倒流，引起压气机工况的不稳定而导致振动，发出异常响声——喘振现象。由于各气缸进、排气口（阀）按发火顺序在换气期间轮流打开，所以可以初步判断问题就是出在排气阀工作状态。

XX轮排气阀是可变排气阀关闭VEC机构（Variable exhaust valve closing），如图 2 所示。

图2 XX轮排气阀

这个VEC机构的目的是在主机任一负荷下，保持100%发火压力（firing pressure），VEC机构结合 VIT机构，主机在UPPER LOAD范围内，保持最大的燃烧压力Pmax（maximum combustion pressure）。VEC机构是由扫气压力信号和主机速度信号来控制的。

另外，排气阀的开闭是根据发火顺序，排气阀的排气是靠柱塞泵蓄压打出的高压液压油来开启的，关闭是靠spring air来实现的。

查找故障原因时，人们发现，XX轮主机排气阀air spring调压阀有漏气现象。由于船在航行时，无法检修，该调压阀后来在锚泊时整修完毕。拆检时发现膜片破损，阀芯及阀座都被油垢粘死，流道都被滑油垢粘死（空气的质量不好，系空压机没有保养到位导致），初步判断主机增压器喘振原因是排气阀air spring调压阀漏气。单位时间内空气压力不足，导致主机排气阀关闭不及时或关闭不严，引发增压器压气机背压升高，致使涡轮机与压气机动平衡被破坏，进而影响主机增压器转速，引起压气机工况的不稳定而导致振动，从而发出异常响声。

经过air spring的修复（不漏气，工作正常），XX轮于重载时，主机加车到65r/min运转1h，扫气压力为0.13MPa，负荷指示为6.5～6.6，调速器actuator输出是68，VEC输出指示在15，spring air的空气压力是0.82MPa，主机各缸排烟温度及出水温度都正常。再加车到67r/min运行1h，扫气压力为0.165MPa，负荷指示为6.9，调速器actuator输出是70，VEC输出指示在15，VIT输出指示在+2°（ADVANCE），主机增压机2台转速在11000rpm，主机包括增压机一切正常，没有喘振（surging）发生。这改变了主机重载时最高转速60r/min的记录，主机一切恢复正常。以下附主机67r/min运行时的主机性能参数（M/E PERFORMANCE DATA），分别如图3～图9所示，加车到67r/min时，各个参数如图10所示。