某船渦輪增壓器爆燃事故的診斷與預(yù)防

焦宇飛，李 雷，徐百匯,郎勇智，梁前超

(1.海軍某裝備部，浙江 寧波 210000;2.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 4300333.大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116000)

某船渦輪增壓器爆燃事故的診斷與預(yù)防

焦宇飛1，李 雷2，徐百匯1,郎勇智3，梁前超2

(1.海軍某裝備部，浙江 寧波 210000;2.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 4300333.大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116000)

針對某船渦輪增壓器因發(fā)生突然爆燃事故而損壞，從理論上計算并結(jié)合系統(tǒng)實際分析了故障產(chǎn)生的原因和機理，提出了預(yù)防該船渦輪增壓器爆燃事故有效方法和措施。經(jīng)過近4 000 h的實際增壓系統(tǒng)運行且預(yù)防措施到位，有效地防止了該型號增壓器爆燃事故的發(fā)生。

渦輪增壓器;發(fā)動機；爆燃；預(yù)防

1 渦輪增壓器故障情況

某船在啟動主機時, 渦輪增壓器出現(xiàn)報警,同時聽到機艙發(fā)出異常響聲,經(jīng)過詳細檢查發(fā)現(xiàn)A列渦輪增壓器因為主柴油機爆燃而損壞。

該船主柴油機爆燃，造成A列渦輪增壓器燃氣進氣殼與燃氣排氣殼連接法蘭360°全部斷裂(見圖1)，并向柴油機排氣管外側(cè)移動約100 mm；燃氣排氣殼出口連接方圓接頭的D12螺栓24根全部震斷，方法蘭和圓法蘭完全變形，膨脹節(jié)損壞；壓氣機的排氣殼360°開裂、裂縫間隙為10 mm(見圖2)。

2 渦輪增壓器拆解

拆解增壓器后發(fā)現(xiàn)燃氣排氣殼與燃氣排氣殼連接法蘭360°斷裂(見圖1)；壓氣機排氣殼與燃氣排氣殼連接側(cè)360°斷裂(見圖2)；增壓器轉(zhuǎn)子渦輪端軸彎曲，動葉片已松動，中間隔墻270°斷裂，軸保護套損壞，壓氣機葉輪和導(dǎo)風(fēng)輪葉片彎曲，整根轉(zhuǎn)子報廢(見圖3)；壓氣機擴壓器葉輪彎曲(見圖4)；壓氣機進氣殼油池有裂縫(見圖5)；壓氣機葉片罩殼法蘭斷裂(見圖6)；壓氣機端和渦輪的軸承已全部損壞(見圖7)。

圖1 渦輪增壓器進氣排殼斷裂

圖2 壓氣機的排氣殼開裂

圖3 渦輪增壓器整根轉(zhuǎn)子報廢

圖4 壓氣機擴壓器葉輪彎曲

圖5 壓氣機進氣殼油池有裂縫

圖6 壓氣機葉片罩殼法蘭斷裂

圖7 軸承損壞

3 故障分析及可靠性計算

爆燃的定義是[1-2]當(dāng)高壓噴油器噴入的高熱量燃料進入燃燒室后，發(fā)散為許多小的油滴，經(jīng)過不斷地蒸發(fā)、擴散并且與空氣混合等物理準(zhǔn)備及分解氧化等化學(xué)準(zhǔn)備階段后發(fā)生不規(guī)律或不可控制的自燃。

混合氣著火的2個條件是混合氣濃度和溫度。同時滿足2個條件時缸內(nèi)的區(qū)域為多點自燃且發(fā)火位置隨循環(huán)不同而不同，著火延遲期內(nèi)噴入汽缸形成可燃混合氣的燃料一起燃燒造成汽缸壓力急劇升高，當(dāng)壓力升高率大于0.4 MPa/°CA時就是爆燃現(xiàn)象。產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象的主要原因有如下幾點。

1)燃燒室內(nèi)積碳聚集過多，高壓噴油器熾熱提前燃燒導(dǎo)致其容積相對變小，致使壓縮比相應(yīng)變大，積碳的蓄熱和不導(dǎo)熱性使可燃混合氣由于熾熱提前燃燒，同時會降低混合氣在壓縮終了時產(chǎn)生的渦流強度，延長了燃燒時間，增大了自燃傾向。

2)發(fā)動機過熱，當(dāng)過熱故障較嚴(yán)重且得不到及時改善時，可燃混合氣在進入燃燒室的同時會被預(yù)熱，造成局部混合氣溫度過高，從而引發(fā)爆燃。

3)高壓噴油器燃油使用不當(dāng),噴入燃燒室的油量過多。汽缸內(nèi)壓力上升太快時就會發(fā)生爆燃現(xiàn)象，所以油的十六烷值在40～50之間比較合適。

4)高壓泵和噴油器的供油時間發(fā)生過早和過量現(xiàn)象。噴油器將過量的燃料噴入壓力和溫度都不夠高的壓縮空氣中，延遲期增長導(dǎo)致工作粗暴、油耗增高和功率下降。

5)噴油提前角不準(zhǔn)確時柴油機性能嚴(yán)重下降。噴油延續(xù)角小則噴油速度過快也會導(dǎo)致柴油機工作粗暴。

從以上1)、3)、4)、5)幾個方面可以看出, 高壓泵及噴油器的故障是其故障的主要原因,因此進行可靠性分析研究非常重要。可靠性計算及分析：零部件的故障分布雖有多種多樣，但常見的是指數(shù)分布、正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布和威布爾分布。因為威布爾故障分布包括了常見的幾種形式分布，所以可以重點研究威布爾分布對艦船故障的影響,利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行可靠性評估時，可以用兩參數(shù)的威爾分布[3-4]處理并用最小二乘法(線性估計法)進行分布假設(shè)檢驗和參數(shù)估計。

式中：t0為尺度參數(shù)；m為形狀參數(shù)，m=1時，(t)為指數(shù)分布，m≥3.25時為正常分布(近似)。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理采用殘存比率法計算有關(guān)指標(biāo)：

1)失效比率X(ti+1),X(ti+1)=Δti+1內(nèi)失效的樣本數(shù)/ti時刻殘存的樣本數(shù)。

2)殘存比率S(ti+1)=1-X(ti+1)。

3)可靠度R(ti)=ΠS(ti)。

4)Xi=ln(ti)。

5)Yi=lnln [ 1/R(ti)]。

采用最小二乘法，將威布爾分布函數(shù)R(t)=exp(-tm/to)取二次對數(shù)后變?yōu)閅=bX+A形式，其中，X,Y計算對于設(shè)備一級產(chǎn)品采用如上4)、5)的公式計算， 對于機件一級產(chǎn)品則應(yīng)按相應(yīng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)計算。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)計算收集了13臺同類型機器的同類型故障數(shù)據(jù)，分類統(tǒng)計計算后，得到的結(jié)果如圖8和圖9。計算機程序可以自動計算可靠性各參數(shù)值并分析檢驗分布結(jié)果。圖8為實際故障數(shù)據(jù)為指數(shù)分布的曲線，圖9為實際故障數(shù)據(jù)為威布爾分布的曲線。

圖8 實際故障數(shù)據(jù)為指數(shù)分布圖

圖9 實際故障數(shù)據(jù)為威布爾分布圖

可靠性軟件包計算出的威布爾分布參數(shù)，可以按下列公式計算常用的可靠性參數(shù)。

1)可靠度：R(t)=exp(-tm/to) 。

2)失效率：λ(t)=(m/to)tm-1。

3)平均壽命：MTBF=ηΓ(1+1/m)。

4)壽命方差：D(t)=η2[Γ(1+2/m)-Γ23(1+1/m)]。

5)可靠壽命：ρr=η(-lnR)1/m。

6)中位壽命：ρ0.5=η(ln1/2)1/m。

7)特征壽命：η=(t0)1/m。

計算機程序自動計算各參數(shù)值，并進行參數(shù)估計后的檢驗，作出檢驗結(jié)果是或不是該分布，結(jié)果如下。

1)某高壓泵及噴油器故障分布服從威布爾,其參數(shù)估計值為：m=1.123 4，n=5 823。

由此可見，高壓泵及噴油器故障間隔規(guī)律也十分接近指數(shù)分布。

2)估計值為：MTBF=9 925.71 h,Ra0.99=831.930,Ra0.90=2 925.303 h,Ra0.08=16 217.688 h。

根據(jù)計算結(jié)論, 高壓泵及噴油器的故障間隔為9 925 h。我們提出在一定程度的保障容余及安全系數(shù)條件下的4 000 h安全檢查措施。也就是說必須在此期間進行檢查,防止渦輪增壓器爆燃事故發(fā)生。通過討論分析爆燃點的部位在增壓器燃氣排氣殼前段中心，爆燃后的爆炸力向增壓器兩側(cè)及排氣殼出口煙囪擴散，力量太大使增壓器各部件全都報廢。

4 預(yù)防渦輪增壓器爆燃的可靠性保障措施

從理論上分析故障產(chǎn)生的原因和機理出發(fā)[5-6]：柴油機燃燒室內(nèi)積碳聚集過多，導(dǎo)致混合氣由于熾熱提前燃燒突然爆燃損壞、發(fā)動機過熱造成局部混合氣溫度過高，從而引發(fā)爆燃、燃油使用不當(dāng)導(dǎo)致工作粗暴、供油時間過早及噴油提前角不當(dāng)導(dǎo)致柴油機工作粗暴等。針對以上幾點意見提出預(yù)防柴油機爆燃措施主要有以下幾點。

1)及時清除燃燒室內(nèi)積碳。

2)提高冷卻系統(tǒng)的冷卻功能。對高溫的排放系統(tǒng)采取隔熱措施，降低高溫排放系統(tǒng)對冷卻系統(tǒng)的影響；改善機艙的通風(fēng)換氣能力。

3)使用合適的燃油。

4)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整供油時間。

5)調(diào)整供油提前角滿足說明書規(guī)定的正確值。使用工廠規(guī)定的專門的調(diào)整方法，得到柴油機噴油泵的正確供油提前角。

5 結(jié)束語

1) 理論上分析了渦輪增壓器因發(fā)生突然爆燃損壞的成因。從理論上分析了故障產(chǎn)生的原因和機理：①柴油機燃燒室內(nèi)積碳聚集過多，導(dǎo)致混合氣由于熾熱提前燃燒，增大了突然爆燃損壞的可能性；②發(fā)動機過熱造成局部混合氣溫度過高，從而引發(fā)爆燃；③燃油使用不當(dāng)導(dǎo)致汽缸內(nèi)壓力上升過快，工作粗暴；④供油時間過早導(dǎo)致柴油機工作粗暴；⑤噴油提前角不當(dāng)導(dǎo)致柴油機工作粗暴。

2)提出了預(yù)防某船渦輪增壓器爆燃事故有效方法和措施。聯(lián)系實際系統(tǒng)并及時清除燃燒室內(nèi)積碳、提高冷卻系統(tǒng)的冷卻功能、對高溫的排放系統(tǒng)采取隔熱措施、嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整供油時間及供油提前角。

3)在一定程度的保障容余度及安全系數(shù)條件下的4 000 h安全檢查措施，也就是說必須在此期間進行檢查,防止渦輪增壓器爆燃事故發(fā)生，經(jīng)過4 000 h的實際增壓系統(tǒng)運行，預(yù)防措施到位，有效地防止了該型號的增壓器的爆燃事故的發(fā)生。

[1] 顧卓明.輪機維護與修理[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] 蔣世明，何果龍.某船用主機連續(xù)拉缸的故障分析及其預(yù)防措施[J].中國修船，2009(3):17-19.

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To the damage of turbocharger because of diesel exploding combustion,the reason is analyzed to propose precaution in the theoretical contribution.And the effective action and method have been put forward.Turbocharger has been taken to work on the system in nearly 4 000 h,which proposes the proper prevention for the exploding combustion fault.

turbocharger;engine;exploding combustion;prevention

焦宇飛(1961-)，江蘇揚州人，高級工程師，碩士，主要從事現(xiàn)代熱力學(xué)及動力裝置的研究工作。

U672；TK12

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.01.004

2015-10-21