船舶柴油机增压器喘振故障的分析与排除

孙齐虎，吕运，汪兆臣

(1.海军士官学校，安徽 蚌埠 233012；2.91998部队,辽宁 大连 116000 )

0 引言

为提高船舶柴油机的功率和效率，世界各国船舶柴油机多数采用废气涡轮增压器。近年来，随着船舶出海时间和频率的不断增加，废气涡轮增压器发生故障也愈加频繁[1-6]，而喘振故障则是废气涡轮增压器最容易发生并且很难分析和排除的故障。喘振故障一旦发生，就会影响柴油机的正常运行，甚至出现破坏性事故，影响船舶的航行安全。

1 增压器喘振的故障机理

1.1 增压器喘振故障的机理分析

图1 离心式废气涡轮增压器工作原理

离心式废气涡轮增压器工作原理如图1所示，废气涡轮增压器由离心式压气机与废气涡轮同轴相连。废气涡轮在排气能量的作用下转动，带动同轴的离心式压气机转动工作，实现对空气的压缩，提高进气压力。

图2 离心式压气机旋转喘振机理

离心式压气机旋转喘振机理如图2所示，当工况发生变化时，如果压气机的流量减小，就会在压气机流道中出现旋转脱离现象，形成少量气流旋涡。当流量大大低于设计流量时，进气冲击压气机叶片凹面, 在叶片凸面发生气流分离现象，由于叶轮向前转动进一步扩大了这种分离现象，导致进入压气机的气流严重撞击叶片凹面,在凸面产生气流旋涡和分离，这时压气机的出口压力突然下降，但压气机出口的管道压力来不及下降，从而导致管道中的气体向压气机倒流，直到管道中压力下降到低于压气机出口排气压力为止，压气机又恢复向管道供气。然而，由于压气机进气流量不足，在压气机出口恢复到原来的压力以后，又会在流道内出现旋涡区，如此周而复始，压气机和管道内的流量发生周期性变化，增压器进出口压力大幅度脉动，同时伴随着压气机叶轮产生剧烈振动，并发出沉重的喘息声或吼叫声，这就是压气机的喘振。

1.2 增压器离喘振故障机理的数学分析

离心式压气机的特性曲线可用一条抛物线来描述[7-8]。该特性曲线描述在低流量范围内，可压缩流体的绝热压头H与吸入气体流量Q之间的关系，在低压缩比下，H与压缩比(p2/p1)近似成线性关系。假设线性关系成立，则有：

H=(p2/p1-1)(Ts/W)=KsQ2

,

(1)

式中:Ks为比例系数;p1、p2分别为增压器压气机的入口压力、出口压力;Ts为气体热力学温度;Q为增压器压气机入口体积流量；W为气体的相对分子质量。根据式(1)，压缩比p2/p1与流量Q近似呈抛物线关系。通过数学分析，可得出如图3所示的离心式压气机特性曲线。从图3中可以看出：

1)只要压气机的进气流量下降，无论转速大小，增压器都有可能出现喘振。

2)在运行工况发生比较剧烈的变化时，无论转速和温度高低，工况都有可能变化到喘振区，导致出现喘振故障。

3)当压缩比增大(出口压力增大或进口压力下降，即进气背压增加)时，很容易出现喘振。

4)转速越大，柴油机稳定工作区相对窄一些，容易出现喘振。

5)同种转速下，相对分子质量越大越容易喘振。

6)同种转速下，温度越高越容易出现喘振。

a)转速v对特性曲线的影响 b)分子量M对特性曲线的影响 c)温度T对特性曲线的影响图3 离心式压气机的特性曲线

2 基于故障树的喘振故障原因分析

根据喘振产生机理和对离心式压气机喘振故障的数学分析可得，柴油机增压器发生喘振的根本原因是相对进气量变小，导致进气量变小的主要因素有： 1)柴油机运行工况发生突变； 2)增压器的相对进气量变小； 3)进气背压增大； 4)并联的增压器工作不均衡。

船舶柴油机相对于其他柴油机具有以下特点：

1)多为直列式和V型排列，一般一排气缸使用一个增压器；

2)船舶柴油机工作时间长、负荷大；

3)船舶柴油机(特别是主机)工况变换频繁；

4)船舶柴油机航区比较广，经常穿梭于寒区、温区和热区，环境温度变化大；

5)船舶柴油机一般处于密闭的机舱，周围空气受通风条件限制；

6)船舶柴油机横倾、纵倾角度大，影响冷却效果。

结合船舶柴油机的结构和工作特点，采用故障树分析法，图4为船舶柴油机增压器喘振故障树。根据图4的分析结果，可将船舶柴油机增压器出现喘振的可能原因总结如下：

1)柴油机因紧急情况或特殊情况而工况突变，如急加减速、突然接脱排、大风浪、超负荷运行等；

2)进气系统故障，包括进气系统部件脏堵、增压器故障、背压阀损坏、气门组件故障、气门间隙不合格等；

3)燃油系统故障，主要包括喷油器、喷油泵故障、供油提前角过小等；

4)冷却系统故障，主要包括冷却系统部件的脏堵或故障、大风浪气泡太多等导致的冷却效果不好；

5)V型排列的船舶柴油机并联的增压器工作失衡，如两个增压器一个换新另一个无故障没有换新，工况不一样，或一个增压器发生故障；

6)机舱大气条件发生变化，如温度发生变化、通风设施故障等。

图4 船舶柴油机喘振故障树分析

影响柴油机喘振的因素种类很多又相互作用，所以在实际工作中注意多方面因素的综合考虑与判断。

3 船舶柴油机增压器喘振故障案例分析

3.1 故障现象

某船在海上航行时，直列式柴油机在加速至880 r/min时，增压器开始断续性喘振，轮机值班人员检查后在中冷器、增压器压力均正常情况下，随即请示驾驶室降速运行。当转速降至840 r/min时，增压器断续喘振消失，随后驾驶室试着给主机继续加速，加速至900 r/min时也无喘振发生，也就是说增压器喘振在主机运行850～890 r/min时产生。故障发生前，本船主机急减速至840 r/min左右时，偶尔喘振一下，但没有断续性的喘振。

3.2 排除过程

遵循先判后检的原则，根据前期分析的船舶柴油机增压器6条故障原因，结合故障现象，排除第1、5、6条。因柴油机在其他各个转速都能正常运行，检查排烟没有明显黑色，检查各缸排温相差不大，因而排除第3条燃油系统故障。因柴油机中冷器采用海水冷却，检查海水冷却系统，发现海水压力正常，用机械故障听诊器检查海水泵工作声音稳定，检查无明显泄漏，判断除了中冷器(空气冷却器)可能有水壁结垢导致冷却效果差外，不存在其他故障。因此,故障可能是进排气系统或中冷器冷却效果差引起的。

如图5所示，根据该型柴油机的进排气系统结构，遵循由简单到复杂的原则进行检查。检查空气滤清器、进排气消音器没有明显堵塞，打开气缸盖罩壳，检查气门间隙正常、气门无泄漏。打开增压器罩壳，检查增压器内部清洁良好，无异物，压气端转轴运转平稳无卡滞并且增压器的进气滤网较新，不存在脏堵现象。拆下中冷器时发现没有空气导流板，安装新的空气导流板，并拆开、清洁中冷器重新安装，试车时喘振现象未再出现。

图5 某船舶柴油机进排气系统

3.3 原因分析

该柴油机在出厂时因增压器和柴油机的匹配问题，在中冷器上端装有一个空气导流板。而该船在进厂坞修检查时因中冷器难以安装，空气导流板被移除。开始由于中冷器刚刚经过清洗，并且冷却效果较好，所以柴油机正常工作时进风量仍然在增压器和各缸工作所需气体量的匹配范围内，但是随着主机的使用性能逐渐下降，中冷器内空气管及进气管有一定的脏污，空气通过中冷器冷却时产生扰流，从而导致进入气缸的空气不足，产生喘振。重新安装导流板使通过空气的扰流消除，并且加强自由进气阶段和惯性进气阶段的进气量，使各缸在正常工作下获得更大的进气量，不仅消除喘振，还使主机的工况得到一定的提升。

3.4 管理启示

1)作为柴油机使用者，在进厂坞修、小修、中修以及大修的过程中，要尽可能的投入到柴油机的修理过程中，这样不仅增强自己的维修能力，也加强对柴油机各方面的了解，为后续使用维护、故障排除积累资料和经验。

2)作为柴油机厂家应该把柴油机在出厂组装时所有的试验报告和问题以书面形式告知客户，这样方便客户充分了解和及时检查发现柴油机存在的问题。

3)船舶柴油机结构复杂，工作环境恶劣，故障分析与排除时，必须分析故障机理，从源头梳理故障原因，分析可能导致该故障发生的直接原因，再由简单到复杂逐渐排除。

4)增压器喘振故障是柴油机最常见的故障之一，喘振故障一般是循序渐进发生的。其主要原因是长期的高负荷、频繁改变工况导致柴油机性能下降，日积月累逐渐接近喘振工况区域，因而在日常维护中要严格按照规定进行日检拭、月检修和其他相关维护保养，尤其重点清除流道阻塞。

4 结论

分析柴油机增压器喘振的故障机理和影响因素，针对船舶柴油机的结构及工作特点，采用故障树分析法总结船舶柴油机增压器喘振故障的可能原因为：1)柴油机因紧急情况或特殊情况而工况突变；2)进气系统故障；3)燃油系统故障；4)冷却系统故障；5)V型排列的船舶柴油机并联的增压器工作失衡；6)机舱大气条件发生变化。

案例分析表明：总结分析的方法和结果对于船舶柴油机喘振故障诊断直观有效，为确保增压器的正常工作，尽量避免喘振的发生，在日常维护工作中要严格按照规定进行相关维护保养。