船用主柴油機增壓器喘振的排除

李成福 吳昭陽

(威海海事局,山東威海 264200)

在近代柴油機的增壓系統中,廢氣渦輪增壓器是應用最廣泛的一種,特別是船舶柴油機,絕大多數都采用這種增壓器。隨著船舶的營運,柴油機與渦輪增壓器的工作條件不斷發生變化,柴油機與渦輪增壓器會逐漸失去最初的匹配,從而失去平衡,導致廢氣渦輪增壓器的喘振。船舶柴油機廢氣渦輪增壓器喘振是一種常見故障,本文結合一次排除船用柴油機渦輪增壓器的喘振的工作實踐,探討船用主柴油機增壓器喘振的排除。

1 增壓器喘振

1.1 增壓器喘振的表現及原理

渦輪增壓器喘振是壓氣機的固有特性,是其在流量減少到一定程度時所發生的一種非正常工況下的振動,通常表現為壓氣機出現氣流劇烈波動,并伴隨很大的吼叫聲。

增壓器產生喘振的原理較為復雜,當壓氣機處于低流量高背壓的工作狀態時,進入壓氣機的空氣流向與壓氣機葉片入口之間產生沖角,當這個角度大到一定程度時,進氣流與壓氣機葉片之間就會有較嚴重的氣流分離,該氣流以周期性強烈的脈沖形式表現出來,氣流壓力、速度和流量均發生急劇的變化,其外部表現就是增壓器不斷發出震動和吼叫聲。

1.2 增壓器喘振的原因

引起喘振的原因主要有以下幾種:(1)柴油機載荷突然出現較大負向波動,由于增壓器轉子轉速不能很快地跟隨柴油機轉速的下降而下降,造成柴油機過渡過程的喘振。增壓器與柴油機是需匹配工作的,當柴油機降轉速、卸負載時,氣缸內所需空氣量也急劇減少,而增壓器轉子的轉速卻一時無法同步下降,使增壓器壓氣機吸氣量與柴油機氣缸所需相比過多,使多余的空氣堵塞在壓氣機進口處而發生喘振。

(2)聯合調節器的降速針閥(有級調速)或減載針閥開度過大,容易造成短時喘振。其原因也是由于針閥的開度過大,使柴油機降速減載過快,使增壓器轉子轉速的下降跟不上。

(3)柴油機過載或載荷波動較大時,柴油機的燃燒狀態變差,排氣溫度升高,排氣總管的廢氣能量增加,使增壓器轉子的轉速升高,造成壓氣機的吸氣量大于出氣量而發生喘振。

(4)增壓器噴咀環積炭,或噴咀環截面積過小,都使燃氣流經縮小了的噴咀環流通截時流速增高,促使轉子轉速上升(每減少l cm2,轉子轉速約上升250 r/m in),壓氣機進氣流量增大,使部分空氣堵在壓氣機入口而產生氣流擾動,喘振就此發生。

(5)增壓器系統空氣的通道堵塞,如空氣濾清器太臟、進氣道變形等原因使進氣阻力過大,造成壓氣機吸氣量不足,柴油機燃燒狀態惡化,排氣溫度升高,廢氣能量增大,反過來促使增壓器轉子轉速上升,壓氣機吸氣量加大,到吸氣量發生過剩時,增壓器就出現喘振。

在以上原因中增壓系統流道堵塞是引起增壓器喘振最常見的原因,在此狀況下,柴油機運行時,增壓器的氣體流動路線是:壓氣機進口濾器和消音器→壓氣機葉輪→壓氣機擴壓器→空冷器→掃氣箱→柴油機的進氣口(閥)→排氣口(閥)→排氣管→廢氣蝸輪噴嘴環→廢氣蝸輪葉輪→廢氣鍋爐→煙囪,其中各組成部分的流通面積都是固定的,只有各氣缸的進、排氣口(氣閥)是按照一定的發火順序輪流開關,上述流動路線中的任一環節發生阻塞,如臟污、結碳、變形等,都會因流阻增加而使壓氣機流量減少、背壓升高,引起喘振。其中容易臟污的部件有進口濾器、壓氣機葉輪和擴壓器、空冷器和氣缸的進、排氣口、蝸輪的噴嘴環及葉輪。氣缸進、排氣口(閥)容易結碳,渦輪的噴嘴環容易發生熱變形等。

1.3 增壓器喘振的危害

增壓器喘振時氣流強烈顫動,壓氣機出口壓力、氣體流量大幅下降,同時引起壓氣機葉片強烈震動并常伴有很大的吼叫聲。喘振一方面會使增壓器性能減低,影響柴油機的燃燒,主機處于降功率運行狀態,造成較大的功耗損失。另一方面強烈的喘振會使壓氣機零件和增壓器軸承損壞。因此在運行過程中盡量避免增壓器發生喘振。

2 故障情況

2.1 故障發生的狀態

我所船舶主機在正常運轉時侯主柴油機各參數正常,渦輪增壓器運轉平穩沒有喘振現象,但當船舶大幅度轉向時,一般轉向超過20°,特別是超過25°主機渦輪增壓器幾乎每次都會發生喘振。

2.2 船舶基本情況

建造時間:1976年5月,

建造地點:日本,

總噸18000,

載重噸30000,

船舶長180 m,

主機型號MAN B&W,

主機功率8000 KW,

主機6缸機,(發火順序1-6-2-4-3-5)

增壓器2臺。(1.2.3缸為一組,4.5.6缸為一組)

增壓器型號:ABBVTR4AE

3 本渦輪增壓器喘振的原因排查

針對輪主機增壓器喘振的現象,我們采取排除的方法逐一對各可能導致本主機增壓器喘振的原因[3]進行排查。

(1)增壓器問題。我們首先懷疑主機增壓器內部有問題,因為船東變換頻繁,我們沒有找到關于增壓器的拆檢記錄,我們申請船東安排船廠對增壓器解體檢查清理。通過解體主機增壓器,未發生任何問題。這說明主機增壓器喘振的根本原因不在增壓器本身。

(2)廢氣鍋爐煙道臟堵。廢氣鍋爐煙道是由船員自檢的,我們重新打開檢查;清潔效果良好,沒有發現問題。

(3)空冷器問題?？绽淦魇切薮瑫r換新的,通過我們檢查發現該新的空冷器容量與原件基本相同,并且我們也定時打開檢查,內部清潔,氣流暢通,沒有發現問題。航行時經常通過空冷器前后的測壓裝置,檢查其壓差值。

(4)主機問題。主機單缸不發火或主機各缸負荷不均也可以引起主機增壓器喘振。于是在航行期間我們定時對主機測量各主要參數,壓縮壓力、爆炸壓力、排煙溫度,均無異常,尚不能判斷喘振是由主機方面的原因引起。

在采取了針對上述可能引發主機增壓器喘振的原因的糾正措施后,主機增壓器喘振的狀況有所改善,但是在船舶突然大幅度轉向的情況下,仍然會出現主機增壓器喘振的現象。我們經過一段時間的分析判斷造成主機增壓器喘振的根本原因應該還是在柴油機本身。

4 本輪渦輪增壓器喘振的原因判定[4]

考慮到本輪為一艘三十年的老舊船,渦輪增壓器與柴油機匹配已經失去了原先的最佳匹配。在高壓油泵沒有解體前,在船舶正常航行時個別缸因為高壓油泵供油效果差,但是由于管理人員為了保證該缸的熱負荷和機械負荷與其他缸基本一致,人為加大了該缸的單缸油門,在正常情況下由于該主機各缸的熱負荷(排煙溫度)和機械負荷(爆炸壓力)基本一致,處于暫時的平衡狀態,一旦船舶大幅度轉向,船舶的阻力發生突然變化導致主機負荷變化時,就會打破這種短暫的平衡狀態(各缸供油不均衡)。導致渦輪增壓器與柴油機匹配已經失去了原先的平衡。

為了判定增壓器喘振原因我們采取了以下措施[5]:

(1)檢查主機各缸供油提前角,發現各缸供油提前角基本符合說明書的要求。

(2)對主機的各工作參數進一步測量,見表1。

表1 柴油機正常航行時的主要參數(主機轉速105rpm,額定轉速120rpm)

(3)數據分析。通過對主機測量的主要參數看,各缸參數基本平均,只有1缸單缸油門(42)比其他缸高出較多,最低缸5缸(32)相差16格。

(4)主機高壓油泵維護。利用合適時間安排輪機人員對主機1缸和4缸高壓油泵解體,換新偶件。

(5)對高壓油泵維護后再次對相關參數進行了參數測量,具體數據如表2。

表2 高壓油泵解體維護后柴油機正常航行時的主要參數(主機轉速105rpm,額定轉速120rpm)

高壓油泵換新后通過調整各缸油門格,各缸負荷,排煙溫度、壓縮力、爆炸壓力基本相差不大。在航行中船舶再次大幅度的轉向時,主機增壓器喘振的現象基本消失。

5 結 語

本輪渦輪增壓器喘振原因在于主機個別缸發功不均,通過觀察可發現個別缸溫度偏低,故應該從高壓油泵、缸套磨損、活塞環等方面去找原因和采取相應措施,不能為平衡各缸溫度而簡單采取加大單缸油門的辦法[6]。片面調整油門來尋求解決渦輪增壓器喘振難以從根本上去解決問題。

為避免再次發生渦輪增壓器喘振,建議如下[7]:(1)按時清洗增壓器濾網,按運行時間計算一般主機增壓器濾網工作500-750h清洗一次;及時對增壓器消音器的清洗保養;(2)按時給廢氣鍋爐吹灰和內部煙道打開清洗,航行期間每天對廢氣鍋爐吹灰,每航次到港就對廢氣鍋爐內部煙道打開清洗;(3)按時對空冷器進行清洗;(4)按時對主機掃氣口清潔、掃氣箱清潔、排氣閥清潔、更換;(5)壓氣端水洗、蝸輪端水洗,按時對增壓器油更新。

1 陸家祥.柴油機渦輪增壓技術[M].北京:機械工業出版社,1999.

2 黃少竹.船舶柴油機故障分析及診斷技術[M].大連:大連海事大學出版社,2005.

3 李文華,范贏,渦輪增壓器防喘振系統設計研究[J].內燃機,2008 VOL.05,11-13.

4 夏治發,劉 超,蔣祖星.MAK8M435C型主機增壓器喘振及故障排除過程[J].航海技術,2002 VOL.(3)48-49.

5 杜天玉,黃加亮,蔡振雄,董自虎 VTR 564D-32型廢氣渦輪增壓器喘振及故障排除[J].中國修船,2008 VO L.21 NO.1,17-20.

6 李 鋒柴油機渦輪增壓器喘振的理論分析及故障排除[J].潤滑與密封,2001,VOL.06,65-66.

7 肖 航 淺析柴油機渦輪增壓器的使用與維護[J].柳鋼科技,2009 VOL.2 51-52