MAN 主机涡轮增压器排气叶片损伤故障原因分析

赵金亮 谢小波

摘要：MAN 16V32/40型双燃料柴油机运行中，一台主机增压器出现了剧烈震动，在主机报警关停后，现场人员对主机增压器做了一系列的检查，确认故障原因。通过对主机滑油壓力、温度等参数的分析，并拆检增压器，发现故障原因主要为排气端叶片损伤，而增压器喷嘴环的坚硬积碳是废气端叶片损坏的主要因素，同时叶片长时间运行后，其强度性能下降，有疲劳损伤的可能性。通过故障现象分析，提出了改进措施，控制住造成主机叶片损伤的关键因素，保证设备稳定和人员安全。

关键词：涡轮增压器;高转速;高震动;叶片损伤;措施

中图分类号：TK44文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0278-04

Analysis of Damaged Turbine Wheel Blade with Turbochager

Zhao Jinliang1，Xie Xiaobo2

（1. CFD Operating Company， CNOOC China Ltd.， Tianjin 300452， China;

2. CNOOC Energy Technology&Services-Oil Production Services Co.， Tianjin 300452， China）

Abstract： During the operation of MAN 16V32/40 dual fuel diesel engine， one main engine supercharger vibrated violently. After the main engine was shut down by alarm， the on-site personnel conducted a series of inspections on the main engine supercharger to confirm the cause of the fault. Through the analysis of the lubricating oil pressure， temperature and other parameters of the main engine and the disassembly and inspection of the supercharger， it was found that the main cause of the fault was the damage of the blade at the exhaust end， and the hard carbon deposition of the nozzle ring of the supercharger was the main factor of the damage of the blade at the exhaust end. At the same time， the strength performance of the blade decreased after long-term operation， and there was the possibility of fatigue damage. Through the analysis of fault phenomena， improvement measures were put forward to control the key factors causing the damage of main engine blades and ensure the stability of equipment and personnel safety.

Key words： turbochager; high speed; high vibration; blade damage; measure

0 引言

某油田的动力系统是由5台MAN 16V32/40型发动机和1台 Solar titan130型透平组成的，MAN 16V32/40发动机是原油/柴油双燃料主机，主机转速750 r/min ，柴油机额定功率是7540 kW 。 MAN16V32/40型主机有2台轴流式涡轮增压器，型号为 NR34/S ，增压器最大转速26500 r/min ，用于柴油机给 A/B侧进气增压。在主机带载6 MW左右时，增压器转速在21000 r/min左右。在近几年的运行中，该型号增压器转子反复出现转子进气端、废气端叶片及转子轴承损坏情况，不仅对现场操作人员造成很大的操作风险，同时也造成巨大的财产损失。在问题原因查找中，也未找到增压器损坏相同故障现象的案例参考借鉴。由于这几次增压器转子损坏前设备运转正常，突然的设备故障危害更大，而增压器损坏

一般有外部和内部原因两种，本文从这两个方面入手，希望找到故障根源。在国内柴油机增压器运用比较广泛，这些故障的查明和解决，不仅能处理棘手的问题，同时也能为现在使用的柴油机公司和企业提供借鉴，通过一些措施和方法，避免设备资产损失及人员伤害。

1 主机增压器工作原理、故障现象及检查

动力值班人员在日常的主机房巡检时，发现2号主机 B 侧增压器突然发生进气气流不稳定，气流出现流向逆反并从进气滤棉侧反流出来;增压器振动和噪声瞬间增大。随后2号主机在几秒内自动紧急关停。

1.1MAN NR34/S主机涡轮增压器的工作原理

柴油机增压器运行中，利用发动机排出的废气来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴上的叶轮转动，叶轮的转动时会吸入空气并压缩，压缩后的空气压力增大，通过空气冷却器冷却后进入气缸，空气压力和密度增大可以增加柴油主机的输出功率。NR34/S增压器包含一个一级径流式废气叶轮和一个一级径流式压气叶轮[1]，整个转子通过2个滑动轴承支撑。废气叶轮与转子轴是整合一体的，近气压缩叶轮通过外部锁紧螺母装配到转子轴上。

NR34/S型增压器整体结构如图1所示，在柴油机的运行中，柴油机燃烧后的废气进入排烟总管后，从①位置进入增压器废气涡轮入口，经过废气涡轮入口的喷嘴环②叶片导向，推动废气涡轮③转动，之后废气进入尾端的排烟管⑤排到大气中。在废气涡轮转动同时，新鲜空气通过进气滤器（6.1）、消音器（6.2）进入进气涡轮⑧，通过进气涡轮的转动压缩空气，压缩后的空气通过扩压器⑨和压气机外壳⑩进入进气管内。增压器转子轴承箱里有两个轴承支撑整个转子，一个滑动轴承，一个推力轴承，推力轴承靠近压气机叶轮侧，起到定位及支撑作用。两个轴承通过公用管线提供润滑油。

1.2 MAN主机增压器故障检查

MAN 主机停机后，首先检查了主机的现场控制盘故障记录，如图2所示，从主机的运行记录中查看，在主机 A/B侧排烟温度高关停前并无其他不正常的报警，因此初步判断为主机增压器故障，并且在主机关停前8 s，增压器转速助推气打开，说明因为某种原因，增压器当时出现了转速降低的现象。随后对主机增压器 B 进行了拆卸检查，同时内窥检查了主机缸头气门。气门及缸头并未发现异常。在主机增压器拆解中[2]，增压器压气机叶片与导流罩之间有摩擦痕迹，叶片边缘磨损严重，叶片整体无缺损，如图3所示。检查增压器的轴向窜量及径向跳动，数值超过正常值数倍。拆除增压器转子后，对转子总成进行解体检查发现：废气端转子叶片边缘都有磨损痕迹，其中一片的转子叶片出现了4 cm×6 cm左右的缺损，缺损的叶片未在后边的排烟管中找到，如图4所示。

检查增压器主轴及轴瓦，主轴的表面有磨损痕迹，浮动轴承的外表面有磨损，推力轴承的压气机侧的推力面磨损严重，另一侧轻微磨损，如图5所示。

2 主机增压器故障原因分析及改进措施

2.1 主机 EDS曲线分析

增压器的进排气叶轮及轴承都出现了磨损，为了排查叶轮和轴承损坏的先后顺序，对主机的 EDS运行曲线进行分析，找出问题的根源[3-4]。

主机转速/油门刻度/功率曲线如图6所示，在主机增压器出现问题前，主机的各项参数无异常（图中数据标注从上到下，参数依次为主机转速/油门刻度/主机功率/增压器转速）。在6点19分33秒，主机增压器转速（A/B 两侧）突然下降，转速从21000 r/min 左右下降至16000 r/min左右（A 侧转速比 B 侧高400 r/min左右），并持续下降。同时主机的功率从5800 kW下降至4100 kW，并在6点19分41秒主机功率突降为0，即主机关停;而主机转速在最初只是有一点轻微下降，在主机关断后平缓下降为0;主机的油门为了保持转速不变，出现了小幅拉升，控制系统为保持增压器转速，开启了增压器增速装置保持转速，但效果不明显。在6点19分41秒主机关停，说明增压器最早出现问题，而主机的控制系统做了一系列的稳速措施，所以其他的参数数据会延迟几秒。

主机增压器前/后排烟温度曲线如图7所示（图中从上到下，参数标注依次为增压器前排烟问题/增压器后排烟问题），红色为 A 侧，蓝色为 B 侧，在曲线的前段时间内增压器的整个排烟温度参数都是比较平稳的。在6点19分33秒，增压器 A/B侧的前/后排烟温度都出现快速上升趋势，而增压器前的排烟温度上升更快;在6点33分41秒，主机增压器前排烟温度高报警，并关停主机。从数据中判断，排烟温度的增高是因为转速下降，导致排烟集聚进而高温关停。

TE2580增压器轴承回油温度曲线如图8所示，图中的 TE2580指示为增压器轴承回油温度，用于检测增压器轴承的状态。从图中可以看出，在6点19分38秒增压器的蓝色曲线（ B 侧）出现上升趋势，红色曲线相对比较稳定，蓝色曲线上升到最高点后又逐步下降;因此从时间上可以大致判断出，在6点19分33秒时，增压器的叶片首先出现问题，造成增压器转子动平衡破坏，动平衡失效后造成转子运转不平稳[5]，压气机叶片和废气端叶片与外侧的导流罩发生了接触摩擦，造成增压器转子转速的快速下降，同时转子的不平衡进而影响轴承的稳定，轴承的推力轴承和浮动轴承出现了损毁，造成滑油的温度升高。

2.2 增压器叶片断裂问题分析

增压器正常维保时间为12000 h ，上次维保后运转了约9000 h ，维保时也对增压器叶片进行了探伤，未发现异常缺陷。增压器转子运转时间为72000 h左右，检查增压器转子尺寸参数[2]，都在数据要求范围内;核对上次增压器转子安装时的控制参数，其安装间隙及尺寸在数据要求范围。于是对增压器损坏的断裂面进行了金相显微镜检查，检查是否有疲劳原因造成叶片脱落，从未动平衡损坏造成增压器轴承和进气叶轮的损坏。金相检查显示：增压器叶片断裂位置较平整，未见疲劳扩展延伸裂纹，出现叶片断裂较大可能为来自机体内异物撞击转子叶片造成的。随后对主机缸头气门及排烟管进行了内窥检查，检查是否有设备部件损坏后通过排烟管进入增压器转子处，也未发现部件损坏痕迹。同时对排烟管进行了拆卸清洁检查，未发现物体撞击痕迹，也未发现积碳掉落痕迹，同时积碳清理时，发现集聚在排烟管内壁的积碳厚度4 mm 左右，但比较松软，即便出现积碳掉落也不会对增压器叶片造成损伤。

对其他主机增压器进行状态检查[6-7]，在检查增压器废气端的喷嘴环时，發现个别主机增压器的喷嘴环根部有坚硬的积碳，这些积碳与排烟管内的积碳完全不一样，这些积碳坚硬，形状不规则，附着在喷嘴环缝隙处，粘合力比较强，而这么坚硬的积碳如果出现掉落，在增压器高速运转时是足以对叶片产生损伤的。随后对积碳进行了化验分析，同时对主机的燃油进行化验分析。查找积碳在这个位置集聚的原因。如图9～11所示，积碳的物质分析为钙和硫，分别占比为41.31%、12.8%，燃油化验成分碳含量为0.261，硫含量超标，为4.31 mgKOH/G。

2.3 叶片故障后的改进措施

增压器喷嘴环的坚硬积碳是废气端叶片损坏的主要因素，同时叶片的长时间运行后，叶片的强度性能下降，有疲劳损伤的可能性。为保证增压器的安全运转，采取以下措施。

（1） 首先原油作为燃料油，需要筛选燃油，运用技术手段或者改变流程工艺等办法降低酸值降低燃油杂质及硫类物质含量，提升燃油品质，降低积碳的产生。

（2） 在操作方面，減少低载荷下主机运转时间[8]，提升主机功率，降低积碳产生和集聚。利用主机增压器原有的管线，将增压器废气端转子水洗纳入日常维护中，定期对增压器废气端进行水洗，确保动力涡轮的清洁，在积碳积聚前能清理掉，防止大块积碳脱落损伤叶片。

（3） 在增压器维保时，增加增压器动平衡检测工艺，消除增压器转子长时间运转后的叶片不平衡问题。将原有增压器的12000 h维保中间，增加一次6000 h增压器清洁，主要观察增压器喷嘴环处的积碳状态，在出现积碳后及时清理。

（4） 对比2号主机 A/B侧增压器运转曲线，B 侧增压器转速低于 A 侧400 r/min左右，分析为喷嘴环出现积碳后，通过增压器转子的气量受到减少，影响到转子的转速。在以后主机运行时，观察同样工况下，各主机增压器参数对比，如果出现了400 r/min左右的转速差异，尽量停机检查，评估增压器的状态，避免增压器的损坏。

3结束语

通过以上措施的实施，提高了主机增压器运行的稳定性，避免增压器问题的出现。这些措施，也可以借鉴推广，对其他发动机增压器设备的运行维保起到提示作用。

主机增压器是发动机设备的重要部件，其稳定及性能将极大地影响发动机设备的稳定性和性能。同时增压器在高速运转时，如果出现动平衡失效，极可能对设备乃至现场操作人员造成伤害。关注设备运行中的参数变化，分析设备问题后的影响因素，做好应对措施，就能减少设备故障，避免人身伤害。

参考文献：

[1] MAN B&W.Technical DocumentationExhaust Gas Turbocharg- er NR34/SOperating Manual[Z].2003.

[2] MAN B&W.Technical DocumentationExhaust Gas Turbocharg- er NR34/S Work Cards[Z].2003.2007

[3]陈大荣.船舶柴油机设计[M].北京：国防工业出版社， 1980.

[4]刘良睿.船用柴油机常见故障分析与排除[J].船舶物资与市场， 2019（10）：69-70.

[5]许结龙.NR 增压器故障处理及维修技术[J].上海铁道科技， 1999（4）：32-34.

[6]马玉成，林永全，孙虎，等.某大型二冲程柴油机增压器喘振故障浅析[J].中国设备工程，2020（10）：48-50.

[7]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（4）：57-59.

[8]张忠良.某船增压器故障及改进实例[J].航海技术，2019（6）：38-40.

第一作者简介：赵金亮（1982-），男，河北石家庄人，大学本科，工程师，研究领域为海上油田设备维保及管理。

（编辑：王智圣）