船舶廢氣渦輪增壓器喘振故障分析及排除

林穎毅

（福建船政交通職業學院，福建福州 350007）

目前，為了提高船舶柴油機的功率，廣泛采用廢氣渦輪增壓器，提高了柴油機的經濟性，但增壓系統工作的好壞直接影響到船舶柴油機的工作性能。增壓器工作條件惡劣，柴油機長期低負荷運行，有時引起增壓器喘振現象的發生，影響船舶的航行性能，因此，有必要對渦輪增壓器喘振故障進行分析。

1 增壓器喘振機理分析

廢氣渦輪增壓器由廢氣渦輪和壓氣機所組成，柴油機的廢氣驅動渦輪來帶動壓氣機，以來壓縮空氣，并送入氣缸，可以看出廢氣渦輪增壓器與柴油機本體無任何的機械聯系。只要增壓器與柴油機匹配在正常工作范圍內，壓氣機是不會發生喘振現象的。但當空氣流量減少到某一值時，壓氣機工作變得不穩定，流過壓氣機的氣流產生強烈的振蕩，引起葉片強烈振動并發出噪聲，而此時壓氣機出口壓力明顯下降并伴隨波動，進氣管發出“轟隆”的響聲，導致柴油機的工作不穩定。壓氣機產生喘振的原因，是由于流量過小時，在葉片擴壓器和葉輪進口產生強烈的氣流分離引起的。

（1）設計工況

當壓氣機在設計工況運轉時，氣流能平順的進入葉片通道，不會產生沖擊。

（2）轉速不變而空氣量增大

當空氣量增大，氣流進入工作葉片時沖至葉片背面，而在葉片正面產生渦流和分離，但是由于葉片向前轉動以及氣體所產生的離心力，使分離現象減弱。氣流在擴壓器中沖向葉片正面，在葉片背面也產生了分離，由于此時氣流按對數螺旋線運動，壓制了分離現象。所以，在這種工況下，不會引起壓氣機的工作不正常。

（3）轉速不變而空氣量減少

圖1 空氣流動情況

圖1 中，C1a為絕對速度；ω1為相對速度；ü1為葉輪剖切處圓周速度；C2u為工作輪圓周速度；C2r為氣流相對速度；C2為氣流絕對速度。

當空氣量減少，氣流進入后在葉片的背面和擴壓器葉片的正面均產生了強烈的氣流分離現象，而此時葉輪的氣體慣性力和進入擴壓器的氣流運動趨勢增加了渦流區域，造成了氣流分離現象，使流量減少到一定值后，偏離角i達到17°～18°時在整個葉輪和擴壓器中氣流會產生強烈的振蕩和倒流現象，壓氣機此時產生喘振現象，轉速越高，現象越明顯。通過以上分析我們可以知道導致壓氣機喘振的根本原因就是小流量，高背壓。

2 增壓器喘振原因分析

圖2 喘振故障樹圖

由圖2可知，對于二沖程柴油機來講，增壓器產生喘振一般是由于空氣流通阻力的增加、增壓器本身故障、柴油機長期低速運行以及增壓器和柴油機的運行失配等，而最主要的原因就是氣流通道的堵塞。氣流行進過程為：壓氣機進口濾網——壓氣機——中冷器——掃氣箱——掃氣口——排氣口——排氣管——渦輪機——廢氣鍋爐，各部分的通道面積是固定的，雖然進、排氣口按發火順序，但不管什么時候總有1或2缸的換氣通道是相通的，在整個管路中氣流是不會受堵的，如果在通道中產生臟污、結炭、變形、結垢等，就會增加空氣流通的阻力，造成壓氣機喘振。而其他的因素，如：

（1）環境溫度過高，空氣流量會減少；

（2）負荷劇烈波動，主機轉速和增壓器轉速會失去匹配、供需失衡而引發瞬時喘振；

（3）高負荷運轉，增壓器轉速升高，若主機轉速不變或降低，也會引起增壓器喘振。

（4）燃油油嘴故障，會使柴油機燃燒不充分，渦輪噴嘴、渦輪葉片積聚油垢，導致積碳嚴重，影響通道的流通面積。

（5）進排氣未氣封，①燃氣漏泄，新鮮空氣少，燃燒不充分，活塞上行后新鮮空氣進入排氣管如遇高溫熱源引起燃燒，排氣管中壓力急劇升高，增壓器轉速隨之升高，產生喘振；而活塞下行，氣缸內壓力降低，排氣管中的燃氣通過掃氣口再進入掃氣箱，導致壓氣機背壓提高，產生喘振；②進氣泄漏使壓氣機流量減小。

（6）渦輪噴嘴變形，噴嘴出口面積增大，轉子轉速降低；噴嘴葉片變形嚴重時與渦輪葉片相碰或咬死，將導致轉子停止轉動。

3 實例分析

3.1 故障現象

某輪主機匹配一臺增壓器定壓增壓，使用約三年時間后，車速降低，排溫升高，煙色變濃，且增壓器伴有微弱喘振聲。

該輪一年前放自來水吹洗葉片，沒有經過軟化處理，自來水進入高溫端后結成水垢，后煙灰有附在水垢上，排氣端鋼絲網上被煙灰黏附50%的面積，影響了進氣量，造成通道的空氣阻力增加。清洗后，車速和排溫恢復正常。

3.2 故障現象

某輪車速在正常時，發出低沉喘振聲，后將車速降低，喘振消失。當時，增壓器軸承油溫、油壓和油量正常，壓氣端進口濾網無臟堵。

該輪當時溫度很高，油味濃，進出風壓表損壞，開啟抽風機運行，整個機艙新鮮空氣量很少，導致增壓器吸入空氣量不足，掃氣壓力下降，燃燒不良，在渦輪機的葉片上，轉軸與密封環之間形成積炭，使轉子旋轉阻力增加，轉速下降，增壓器轉速與主機不匹配發生喘振。開啟送風后正常。

1 杜天玉，黃加亮，蔡振雄，等.VTR 564D－32型廢氣渦輪增壓器喘振及故障排除［J］.中國修船，2008.

2 黃加亮，黃少竹，陳景鋒.船用增壓四沖程柴油機中冷器傳熱惡化對性能影響分析［J］.集美大學學報（自然科學版），2007.

3 鮑軍暉.某船主機增壓器故障探究［M］.中國修船，2010.

4 周明順.船舶柴油機［M］.大連海事大學出版社，2007

5 鄭仁勃，孫貴芳，洪哲.某輔機增壓器喘振故障分析與排除［J］.中國修船，2008

6 蔣德明.內燃機的渦輪增壓［M］.北京：機械工業出版社，1986