船舶柴油机废气涡轮增压器喘振故障分析与排除

宋承健

摘 要：分析造成船舶柴油机废气涡轮增压器喘振的故障原因，并结合柴油机本身的复杂结构、频繁的工况转换、以及远洋船舶的航区广泛的特点，分析并研究船舶柴油机废气涡轮增压器发生喘振故障的原因、以及发生喘振故障后的排除方法和解决方式。

关键词：船舶废气涡轮增压器;故障分析;故障排除

0 引言

为了提高船舶柴油机的功率以及废气能量的再利用，世界各国的船舶柴油机多数采用废气涡轮增压器。但随着船龄的增加，废气涡轮增压器不免会产生故障[1]。其中废气涡轮增压器最常见的故障—喘振是很难分析和排除的故障。喘振事故一旦发生，就会严重影响柴油机的正常运行，甚至会产生破坏性的事故，影响船舶的正常航行。

1 喘振的故障机理

废气涡轮增压器由压气机和废气涡轮两部分组成如图1所示。柴油机的废气驱动涡轮来带动压气机来压缩空气，并送入气缸，可以看出废气涡轮增压器与柴油机本体无任何的机械联系。只要增压器与柴油机匹配合适在正常工作范围内，压气机是不会发生喘振现象的。但当空气流量减少到某一值时，压气机工作变得不稳定，流过压气机的气流产生强烈的振荡，引起叶片强烈振动并发出噪声，而此时压气机出口压力明显下降并伴随波动，进气管发出“轰隆”的响声，导致柴油机的工作不稳定如图1所示。

2 废气涡轮增压器喘振原因分析

压气机产生喘振的原因，是由于流量过小时，在叶片扩压器和叶轮进口产生强烈的气流分离引起的。喘振的根本原因就是小流量，高背压。

对于二冲程柴油机来讲，增压器产生喘振一般是由于空气流通阻力的增加、增压器本身故障、柴油机长期低速运行原因以及增压器和柴油机的运行失配等[2]，而最主要的原因就是气流通道的堵塞，气流行进过程为：压气机进口滤网—压气机—中冷器—扫气箱—扫气口—排气口—排气管—涡轮机—废气锅炉，各部分的通道面积是固定的，虽然进、排气口按发火顺序，但不管什么时候总有1或2缸的换气通道是相通的，在整个管路中气流是不会受堵的，但如果在通道中产生脏污、结炭、变形、结垢等，就会增加空气流通的阻力，造成压气机喘振。

2.1 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。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與压缩比（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

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。已知压缩比，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2所示的离心式压气机特性曲线。

从图2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。

3 废气涡轮增压器喘振的解决方式

3.1 在柴油机增压器运转中进行故障排查

在该阶段先检查柴油机增压器是否存在内部问题。喘振故障发生后，工作人员将柴油机增压器的护罩和外壳拆解下来，发现增压器内部清洁状况良好，没有异物存在，压气端转轴运转平稳，没有卡滞现象，而且增压器进气滤网是进气更换的，没有脏堵的可能。随后，工作人员在对空气冷却器进行故障排查，该船舶之前进厂坞修时，空气冷却器已经经过了拆解、清洁、密封试验等维修步骤。设备运转时人们对空气冷却器加以检查，发现空气冷却器进出冷却水的压力、水温正常，且冷凝水放水孔没有任何堵塞现象[3]。

3.2 将柴油机增压器靠码头拆检

初步检查发现柴油机增压器表面故障问题，接下来应将增压器靠码头拆检。先检查增压器的喷油器，如果单缸或两缸不发火，这说明主机各缸符合不均匀，柴油机增压器因此而出现喘振故障。将船舶靠近码头后，维修人员深入检查了增压机主机各缸喷油器情况，打开压力后观察其雾化状态。经观察发现，两个喷油器存在积炭堵塞情况和滴油现象。随后，将完成校正的新喷油器安装好，发现柴油机增压器依然存在喘振故障问题。

检查柴油机增压器的进排气阀。因积碳严重问题导致阀门无法关闭严密，柴油机增压器也会因此出现喘振问题。当船舶停靠在码头后，工作人员对增压器排气门的密封情况进行检查，发现气阀之间没有间隙，阀杆与阀门底座之间的密封状态良好，也没有积碳现象。

对柴油机增压器进行高压油泵的检工作查。造成增压器喘振故障的原因主要来自于高压油泵无法正常供油，或者供油不均匀，导致各个缸的负荷情况不平衡。经过拆卸检查，发现各高压油泵没有异常。检查后，该船继续出海，增压器喘振故障依然存在，联系厂家后决定更换增压器。在厂家建议下，船舶避开主机在850 r/min～890 r/min的转速下航行。

3.3 将柴油机增压器进厂修理

在固定转速下，柴油机增压器依然带有喘振故障，该船舶进场修理。工作人员对柴油机增压器、空冷器、喷油器、进排气阀门等部件进行检查，对增压器涡轮转子、压气机转子进行动平衡检查，未发现任何故障问题。最后发现柴油机出厂时，柴油机与增压器存在匹配问题，空冷器上有一个空气导流板中途被拆除，重新定做并安装空气导流板后，喘振故障消失。

3.4 故障排除启示与相关建议

根据以上故障排查的过程分析，遵循先判断后检验的原则分析增压器是否存在故障情况。如果柴油机转速没有问题，且排烟正常，这说明燃油系统可能不存在故障问题。采用海水冷却方法进行故障排除分析，由于其他转速情况下柴油机能够正常运行，这说明中冷器没有因结垢而出现制冷效果降低的问题。因此，该柴油机增压器的故障可能与进排气系统和中冷器冷却效果差有关。打开外部罩壳，查看气门间隙是否正常或有泄漏，打开柴油机增压器罩壳，查看内部清洁良好，拆下中冷器发现没有空气导流板，排除故障。

关于柴油机增压器喘振故障的排除建议，具体如下：（1）喘振故障排除启示。柴油机进厂坞修或大修时，应安排柴油机使用者积极参与到柴油机修理工作中，提升使用者的维修能力，加强对各方面知識的了解，以便更好地掌握与柴油机有关的故障问题。厂家在柴油机出厂组装时应以书面形式向用户提交实验报告，方便用户及时检查柴油机的故障问题。船舶柴油机内部结构复杂，需要长期在恶劣的环境下工作，分析并排除故障时不能只依靠经验，还要根据柴油机的结构特点，结合故障机理找出故障[4]。（2）柴油机增压器使用维护建议。因柴油机长期高负荷与频繁改变工况，导致柴油机性能下降，应缩短柴油机在空车时的运行时间，减少喷油器积碳。柴油机在超负荷运行时，设备供油量、供气量变化十分大，应避免柴油机在超负荷状态下长时间运行，时刻关注冷却系统运行状态，避免因冷却效果不理想而引发柴油机喘振。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 r/min～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。

4 结论

柴油机喘振是柴油机管理中常发的恶性故障，会引起增压器转子的剧烈振动，造成轴承及叶片严重损坏，在柴油机使用管理中必须引起高度重视。大型船舶主柴油机由于增压器串并联转换装置结构复杂，牵连设备多，需要加强日常进排气通道的检查以及转换装置的保养，确保各种阀顺利开闭。

大管轮在航行中若发生主机喘振现象，首先要详细研读主机说明书，然后科学全面分析故障原因，合理判断故障，最后有效排除故障，避免在排除故障时走弯路，做无用功，保证主机时刻处于最佳工况下运行。同时也提醒我们的轮机管理人员，平时要多注重柴油机相关理论的学习，养成一丝不苟，严肃认真，做到精通理论，技艺熟练，观察敏锐，善于在错综复杂的故障现象中，抓住主要矛盾，由表及里，去伪存真，不受表面现象的迷惑，找出真正的原因，给予正确的处置。

参考文献：

[1]鲍军晖.某船主机增压器故障探究[J].中国修船，2010，23（4）：51.

[2]周明顺.船舶柴油机[M].大连海事大学出版社，2007.

[3]孙齐虎，吕运，汪兆臣.船舶柴油机增压器喘振故障的分析与排除[J].内燃机与动力装置，2019，36（1）：88-92.

[4]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）：6-7+12.