船舶柴油机增压器的故障分析与排除

刘建安，郭家建

(福建船政交通职业学院，福建 福州 350007)

目前，国际商船上的船舶柴油机普遍采用废气涡轮增压的方式来提高功率。具体过程：柴油机排放的废气通过增压器的废气涡轮端，并在其中做功，使废气中的能量通过废气涡轮机输出，驱动同轴的增压器压气机旋转，压气机将被压缩的增压空气送入柴油机。因为增压空气的压力升高，其空气密度增大，从而增加进入汽缸的进气量，使汽缸内的油气混合物燃烧地更充分，因此大幅度提高了柴油机的功率和做功热效率。废气涡轮增压器的使用使柴油主机的输出功率和柴油机的经济性都得到显著的提高。[1]

1 故障经过

某船柴油主机型号：MAN B&W 6S50 MEC，废气涡轮增压器型号：VTR500，柴油主机和副机都使用重油(180cst)，经济服务航速12.0 kn(约为主机55%额定功率下的降速航速)， 环球航线。2015年至2017年，因为废气涡轮增压器的原因使主机工况恶化，航速下降，造成一定的经济损失。当时，主机额定转速为120 r/min，加速到115 r/min左右时，增压器喘振现象出现，某些缸单缸排温过高，排烟总管内在增压器涡轮进口处的温度达到了497 ℃，在炎热海域，有时最高可达到526 ℃。经技术咨询和确认，同机型的主机在该工况下，通常各缸排烟温度在350 ℃左右，增压器废气涡轮端进气排烟温度为430 ℃左右。[2]

这种故障现象持续了很长一段时间，刚开始影响不明显，后来持续积累恶化，最终导致主机因排温过高而自动降速，如果不进行处理，后期会影响船舶安全航行。

翻阅以前的资料，包括轮机日志、工作记录等，发现故障现象自2016年10月开始，一直延续至2017年。该船在做年度检验时，进行了增压器空气滤网清洗、更换，人员进入扫气箱中检查，将增压器解体清洗，轴承和气封换新，空气冷却器用外接清洗泵酸洗除垢，进行了主机各缸吊缸等相关工作。主机启动检查，发现故障现象有改善，但工况仍不能恢复到正常状态。

调节柴油机的喷油定时，结合早期正常工况下测取的汽缸示功图的爆发压力、压缩压力、燃烧状态，分析研究柴油机增压器故障引起后继柴油机排温过高的原因。

2 故障原因诊断分析

以2015年8月在主机早期正常工况下测取的热工参数与2017年故障状态时的热工参数进行对比，见表1、表2。

表1 主机主要热工参数对照表

表2 主机其他热工参数对照表

从表 1和表2 可以看出，在同样工况下，2017年10月的最高爆发压力和压缩压力比2015年8月降低许多，主机排温平均每缸升高50～60 ℃，扫气压力也降低0.013 MPa。增压器废气进口温度增加了约70 ℃，出口温度增加了约60 ℃，说明主机工况恶化。

柴油机的燃烧过程主要受燃油品质、喷油正时、换气质量、雾化质量等工况因素影响。因此，本文案例中，柴油机的排温热负荷增大引起故障降速，不难确定是由于增压器喘振，进、出口废气温度过高引起的[3]。

3 故障原因分析及排除

2015年与2017年的汽缸扫气温度变化不大，因此，排除空气冷却器冷却侧脏堵的原因。另一方面，在航行中，当主机转速增加到101～105 r/min时，增压器发出喘振声；当转速增加至115 r/min以上时，随着增压器转速升高，扫气压力增加，增压器喘振加剧，且本体振动剧烈，同时主机排温显著增高。综合分析主机增压器喘振故障的原因，当增压器压气机端气流实际流量<设计工况流量时，气流会冲击叶轮进口处叶片凹面，并在凸面分离气流，从而引起增压器喘振，同时扫气增压效率下降。

有关技术资料将喘振原因分为增压器气体流动管道堵塞和增压器气体流动非管道堵塞2种[4]。

3.1 增压器气体流动管道堵塞

柴油机正常工况下工作时，增压系统的增压器流动管道气流流动线路为：空气→空气滤网→消音器→叶轮(压气机侧)→空冷器→主机扫气箱→进气口(扫气口)→柴油机汽缸→排气口→排气总管→涡轮端喷嘴环→叶轮(废气涡轮侧)→废气锅炉→排出。在这条气体流动线路中，若有一个环节发生故障，就会影响柴油机气体流通性，造成柴油机增压器喘振、增压器性能效率和增压扫气压力下降，以及主机排温升高等，若等主机排温升高到一定值后，就可能出现故障报警、自动降速或停车的现象。表3为船舶增压器故障和可能原因对应表，通过表3来分析、判断增压器故障的相关现象和原因，并针对性解决。

3.2 增压器气体流动非管道堵塞

1)增压器工作环境温度发生变化。船舶在较高气温的海域或季节航行时，其周围空气密度较小，因而增压器的进气流量会减少，工作使排气压力下降，废气涡轮获得的能量减少，在主机油门加大提高转速的过程中，易产生增压器喘振现象。

2)空冷器冷却效果变差。空冷器的空气侧和冷却水侧脏堵、产生结垢会使热交换效果变差，从而使冷却能力下降，柴油机排气温度升高，增压器转速升高，流量增大，易引起喘振。

3)船舶航行阻力增大。当柴油机在高负荷工况运行时，柴油机喷油量必须有所增加，提高转速，才能保持一定的航速。但此时由于高负荷阻力的原因，柴油机转速反而有所降低，增压空气的流量反而减小，气体流通过程中在涡轮侧和压气机侧产生流量上不匹配的矛盾，因而增压器更易发生喘振。[5]

表3 船舶增压器故障和可能原因对应表

4)柴油机燃烧系统故障。若柴油机燃烧喷油系统发生故障，会产生燃烧后燃加剧，主机排温升高，燃烧终点滞后，使增压器转速升高，压气机压缩气体流量增大，与涡轮侧气体流量不匹配，易发生喘振。

5)柴油机单缸不工作或柴油主机手柄操车速度过猛。在柴油机运行时，若单缸熄火(主动单缸停油)或者短时间内急速减速、加速或停车，由于增压器仍保持较大的转动惯量，不能立即减速或停转，同时，增压器的涡轮侧空气流量减少，而压气机侧背压仍处于较高状态，在高背压、小流量下运行的增压器，易引起喘振。[6]

经大量的实践调查，船舶航行过程中，主机增压器气体流动管道堵塞也是引起增压器喘振的主要原因。

对比2015年和2017年的数据，2年内都不同程度的对柴油机增压器相关设备进行清洁、检修处理(包括增压器压气机叶轮、扩压器、喷嘴环、废气叶轮等部件)，还有进口滤器、扫气箱和排气口等都进行了清洁，增压器甚至解体，对迷宫式密封、转子轴封、气封都进行了修理或换新。但重新装复测试后，增压器和主机的运行工况还是没有得到太大改善。

因此，将柴油机正常工况运行参数作为基准，以近2年检修改善增压器工况的检修工作为基础，分析判断以上故障产生的主要原因应该是：增压器涡轮侧叶轮的叶片或者喷嘴环喷嘴叶片变形。后经拆检，对增压器转子进行平衡试验(动、静平衡试验)，确认叶轮工作叶片有腐蚀以及一定程度的变形，为此，更换涡轮侧叶轮，换新喷嘴环，试运行主机，增压器本体振动减小，加速区喘振消失，主机运行工况良好，各缸排气温度恢复到360 ℃左右正常状态。

4 日常维护管理

在柴油机增压系统日常管理中，应依照各船实际情况和增压系统说明书、保养手册制订出合理的维护管理工作流程。

1)柴油机在良好工况运行时，仍应按照轮机日志等技术文档具体要求在规定时间内记录各项重要运转参数(如各缸排温、增压器涡轮进气/排气温度、转速、空冷器温差和压降等重要工况参数)，这些重要参数既作为监测对象，也是后期发生故障后分析、排除的基本依据。

2)柴油机操作应尽量平缓，柴油机增、减速操作不能动作太迅猛，避免发生喘振现象，除非紧急情况。

3)船舶柴油主机高负荷条件下，不应该为保持航速而加大喷油量，造成主机超负荷，而应根据具体情况适当降低主机喷油量。

4)轻油和重油燃烧转换时，应适当调整喷油提前角，轻油转换为重油，应适当调大喷油提前角，以减少后燃，从而达到降低主机排温的目的，反之亦然。

5)根据说明书要求和具体情况，清洗和拆检主机增压器和空冷器。

6)定期进行锅炉吹灰工作。

7)注意增压器轴承的维护和保养。