某船用柴油機增壓器喘振故障的排除

(海軍湛江地區裝備修理監修室 周圣兵;海軍 4804工廠 楊騰輝;海軍駐廣州地區艦船配套軍事代表室 劉 浩供稿)

某型 1000t油船采用 8L 20/27柴油機作為主機,增壓系統為定壓增壓,設計最高轉速為 1000 r/min,對應輸出功率 800kW。2009年 7月進廠修理前主機較長時間內出現較嚴重的喘振,經修前試航確定機組在轉速達到 830 r/min時發生喘振,至850 r/m in時機組負荷難以繼續升高,同時該機排溫也偏高,屬于此次修理需要重點解決的問題之一。

1 故障原因分析

該船修前試航時柴油機啟動正常,各轉速排氣煙色基本保持良好,可以排除燃油供油系統的故障。通過拆檢增壓器發現軸和軸承沒有異常磨損,通流部分的積垢程度也在正常范圍內。問題在于噴嘴環上的葉片基本都出現了較大變形,有的甚至已經變成 S型,并且有從壓力面向吸力面倒伏情況。

根據上述檢測結果可以判明,噴嘴葉片變形過大導致渦輪當量流通面積減小過多是引發增壓器喘振的主要原因,同時葉片變形過大也會使渦輪的氣動效率降低,引起排溫升高。進一步對噴嘴變形原因進行分析,初步認為原噴嘴環在材料選用和熱處理兩方面存在一定不完備,導致高溫狀態下葉片的加工內應力釋放、以及葉片本身的熱應力和氣動力綜合作用,使噴嘴環整列葉片在機組運行期內產生不同程度的變形。

2 新噴嘴環的確定

增壓器匹配的關鍵在于,在滿足柴油機熱工參數的前提下,確定增壓器壓氣機出口壓力和流量、渦輪的當量通流面積。渦輪的當量通流面積由渦輪和噴嘴的出口喉部面積決定,實際調整時由于渦輪一般不變,主要調整噴嘴喉部面積。另外需要確定噴嘴環的選用材料和加工工藝,至少保證一個修期內葉片不出現明顯變形。

1)通流尺寸的確定。

該型機為直列 8缸,汽缸內徑 200mm,活塞行程 270mm,壓比 13.37。根據計算表明,在渦輪排氣背壓為 0.07MPa的情況下,經過中冷后空氣壓力為 0.27MPa,空氣流量為 1.6cm3/s,如果渦輪進口溫度為 506℃,則可以計算得到噴嘴的當量面積為 53cm2。考慮到壓氣機的喘振裕度要大于20%,原機組設計的喉部總面積 58cm2是適當的,新噴嘴環可以按原型機的參數進行制造。

葉片截面由一段圓弧 (吸力面)和一段直線(壓力面)構成,類似機翼葉型。其平均喉口直徑10.34mm,葉片高度 23.4mm,喉口總面積 58cm2(根據喘振發生時柴油機的工況可以確定,因為葉片變形,噴嘴面積縮小了約 31%),葉片安裝角 17.75°。

2)材料和加工工藝。

噴嘴環葉片產生嚴重變形的主要原因在于,原進口機型的鑄造噴嘴改為了銑削加工,因為材料和熱處理不完備的原因,導致葉片的加工內應力在工作時的高溫狀態下釋放,加上葉片本身的熱應力和氣動力復合作用,使得葉片發生了不規則變形。

作為船用主機的柴油機,增壓系統的穩定運行對整個機組的可靠工作有決定性影響。根據性價比最優的原則,此次更換的噴嘴環采用耐熱鋼精密澆鑄工藝生產,其喉部面積控制在 (58±0.7)c m2,同時對制造過程進行全程跟蹤,對成品驗收嚴密把關,確保其裝船后可靠運行。

3 實船試驗和結論

新噴嘴環制造完成并經檢驗合格后回裝船上,試航取得成功。航行時驗收轉速為 950 r/min,實際最高轉速達到 973 r/min,此時增壓壓力、爆炸壓力、排氣溫度等參數均符合試驗大綱的要求。在出廠后的使用過程中,柴油機工作穩定,喘振故障得以排除。

8L 20/27型柴油機設計采用定壓增壓,一般作為發電機組。在用作船用主機時,因為頻繁的變工況運行,噴嘴環容易發生變形,使流通面積變小導致出現喘振。因此,噴嘴環材質和加工工藝的選用至關重要,需要引起重點關注。