XX輪主機(jī)增壓機(jī)喘振原因分析

張有海

（廈門海隆對(duì)外勞務(wù)合作有限公司，廈門 361003）

無(wú)論是四沖程柴油機(jī)還是二沖程柴油機(jī)，都須將前一循環(huán)的廢氣排出氣缸并充入新鮮空氣，同時(shí)活塞在上死點(diǎn)前需將燃油噴入氣缸并使之燃燒。從熱力學(xué)角度來(lái)看，廢氣的排出即意味著工質(zhì)向低溫?zé)嵩瓷幔加偷娜紵鸵馕吨邷責(zé)嵩聪蚬べ|(zhì)的加熱。二者缺一，熱機(jī)就不能循環(huán)做功。而這個(gè)新鮮空氣取代廢氣的過(guò)程就是柴油機(jī)的換氣過(guò)程。

柴油機(jī)的功率、經(jīng)濟(jì)性和工作可靠性首先取決于噴入氣缸的燃油量以及燃油燃燒的完善程度。而燃油燃燒的完善與否在很大程度上又取決于充入氣缸的空氣量。在一定噴油量的情況下，充入氣缸的空氣量多（和廢氣排出干凈），燃燒就好，柴油機(jī)的功率和經(jīng)濟(jì)性就高。燃油燃燒得好，機(jī)件不容易過(guò)熱，工作就可靠。為保證氣體（廢氣和空氣）在一定時(shí)刻排除和充入氣缸，柴油機(jī)設(shè)有相應(yīng)的換氣機(jī)構(gòu)。

近幾十年來(lái)，由于船舶噸位和航速的日益增大，船舶推進(jìn)裝置要有更大的機(jī)組功率，因而使增壓技術(shù)在柴油機(jī)的發(fā)展中得到廣泛使用。增壓的實(shí)質(zhì)就是用提高進(jìn)氣壓力的方法，大幅度增加氣缸的充氣量，以保證在接近完全燃燒的情況下燃燒更多的燃油，并增大柴油機(jī)的功率。因此，它與柴油機(jī)的換氣是密切相關(guān)的，只有在良好的換氣基礎(chǔ)上才能有效地實(shí)現(xiàn)增壓。

1 渦輪增壓機(jī)工作原理

船舶主機(jī)增壓機(jī)（Turbocharger）的功用是增加進(jìn)入氣缸中的空氣量，使噴入氣缸的燃油能更充分燃燒。渦輪增壓機(jī)由一渦輪機(jī)與壓氣機(jī)組合而成，渦輪機(jī)由柴油機(jī)的排氣推動(dòng)，而壓氣機(jī)是把更多的新鮮空氣壓入柴油機(jī)的氣缸內(nèi)。壓氣機(jī)葉輪與渦輪機(jī)葉輪兩者共同裝配在一支轉(zhuǎn)軸上。

2 XX輪增壓機(jī)工作原理

XX輪 主 機(jī) 型 號(hào)；7RTA84TB，MCR；27160kW/74RPM，NOR；23090kW/70.1RPM，主機(jī)增壓機(jī)為 ABB TPL80-B12，系采用軸流式渦輪機(jī)和離心式鼓風(fēng)機(jī)（壓氣機(jī)），柴油機(jī)排出的排氣進(jìn)入渦輪機(jī)后，沿渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的軸線方向流動(dòng)，在渦輪機(jī)葉輪做完功后，沿徑向流入排氣管排出。

如圖1所示，該渦輪增壓機(jī)由一個(gè)渦輪機(jī)與一個(gè)鼓風(fēng)機(jī)（壓氣機(jī)）經(jīng)由一支共享軸所組成。來(lái)自柴油機(jī)排氣總管的高溫排氣從進(jìn)口機(jī)殼9（Gas inlet casing）、噴嘴環(huán)6&7（Nozzle ring）流入驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)10（Turbine）而帶動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)（壓氣機(jī)）葉輪13（Compressor wheel）。鼓風(fēng)機(jī)（壓氣機(jī)）13將新鮮空氣經(jīng)由進(jìn)氣消音器1（Silencer）吸入、鼓風(fēng)機(jī)（壓氣機(jī)）葉輪13壓縮后，進(jìn)入擴(kuò)散器12（Diffuser）從渦卷室14（Volute housing）的出口離開(kāi)增壓機(jī)，最后經(jīng)中間冷卻器冷卻后，送入掃（進(jìn)）氣總管。

圖1 增壓器構(gòu)造

3 離心式鼓風(fēng)機(jī)（壓氣機(jī)）的工作流程

增壓柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)氣流通道。氣體流動(dòng)的路線是：進(jìn)口濾網(wǎng)→壓氣機(jī)→空冷器→掃氣箱→各氣缸進(jìn)氣口（閥）→各氣缸排氣口（閥）→排氣管→排氣渦輪→廢氣鍋爐→煙囪。各氣缸進(jìn)、排氣口（閥）按發(fā)火順序在換氣期間輪流打開(kāi)。

4 XX輪主機(jī)增壓機(jī)發(fā)生喘振——之前船員查找喘振原因的做法

4.1 之前報(bào)告給公司的信文

2016年3月8日，XX輪主機(jī)增壓機(jī)出現(xiàn)一聲“呼嘯”的聲音，經(jīng)檢查后判斷是No2增壓機(jī)發(fā)生喘振，主機(jī)減至65r/min之后又出現(xiàn)一聲“呼嘯”的聲音，于是主機(jī)再減至64r/min，同樣會(huì)有不定時(shí)的出現(xiàn)一聲“呼嘯”的聲音，主機(jī)在63～61r/min也同樣會(huì)出現(xiàn)。只要主機(jī)負(fù)荷指示刻度超過(guò)6.2就發(fā)生喘振（正常情況下主機(jī)負(fù)荷指示刻度為6.4～6.8）。

No2增壓機(jī)發(fā)生喘振之時(shí)，掃氣壓力和No1、No2增壓機(jī)轉(zhuǎn)速有所下降，但No1、NO2增壓機(jī)廢氣進(jìn)出口溫度、冷卻油出口溫度、主機(jī)排煙溫度沒(méi)有變化。增壓機(jī)發(fā)生喘振之前，主機(jī)排煙溫度沒(méi)有變化（相對(duì)穩(wěn)定）。

No1增壓機(jī)壓氣端的運(yùn)轉(zhuǎn)聲音較清晰，No2增壓機(jī)壓氣端的運(yùn)轉(zhuǎn)聲音較沉悶。用聽(tīng)棒檢查增壓機(jī)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常聲音。檢查F.O.SETT. & SERV.TK燃油中沒(méi)有水分，檢查主機(jī)空氣冷卻器放殘管（排放管未有堵塞）正常，至于主機(jī)活塞及空氣擋板情況待查。

4.2 之前后續(xù)的做法

為了避免增壓器發(fā)生喘振現(xiàn)象，在空載航行時(shí)，主機(jī)只能運(yùn)轉(zhuǎn)在60～65r/min，在重載航行時(shí)，主機(jī)只能運(yùn)轉(zhuǎn)58～60r/min，且根據(jù)海況，主機(jī)負(fù)荷指示刻度必需控制在6.2之內(nèi)。主機(jī)增壓機(jī)發(fā)生喘振之后，船員利用靠碼頭和拋錨等待時(shí)間進(jìn)行下列保養(yǎng)檢查工作：主機(jī)空冷器空氣側(cè)用化學(xué)藥劑清洗2次；主機(jī)掃氣道及掃氣箱damper檢查；主機(jī)第3缸o(hù)verhauled；主機(jī)各缸油頭更換；主機(jī)爆壓測(cè)量；主機(jī)#1和#3缸排氣閥更換；在主機(jī)空冷器冷凝水排放管處泄氣減壓等。此外，計(jì)劃拆檢No.2增壓機(jī)廢氣進(jìn)口端，但兩航次都沒(méi)有合適的機(jī)會(huì)，就繼續(xù)觀察。

5 配合船員分析、判斷、排除增壓器喘振現(xiàn)象之做法

XX輪渦輪增壓機(jī)，由一個(gè)渦輪機(jī)與一個(gè)壓氣機(jī)經(jīng)由一支共享軸所組成。縱觀之前的做法，主機(jī)排氣流入驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，若主機(jī)排氣不順暢，壓氣機(jī)改變動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，進(jìn)而影響壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速。在一定的轉(zhuǎn)速時(shí)，當(dāng)壓氣機(jī)流量減小到一定值后，氣體進(jìn)入工作葉輪13（Compressor wheel）和擴(kuò)散器12（Diffuser）的角度偏離設(shè)計(jì)工況，造成氣流從葉片或擴(kuò)散器上強(qiáng)烈分離，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動(dòng)，并可能引發(fā)氣體倒流，引起壓氣機(jī)工況的不穩(wěn)定而導(dǎo)致振動(dòng)，發(fā)出異常響聲——喘振現(xiàn)象。由于各氣缸進(jìn)、排氣口（閥）按發(fā)火順序在換氣期間輪流打開(kāi)，所以可以初步判斷問(wèn)題就是出在排氣閥工作狀態(tài)。

XX輪排氣閥是可變排氣閥關(guān)閉VEC機(jī)構(gòu)（Variable exhaust valve closing），如圖 2 所示。

圖2 XX輪排氣閥

這個(gè)VEC機(jī)構(gòu)的目的是在主機(jī)任一負(fù)荷下，保持100%發(fā) 火 壓 力（firing pressure），VEC機(jī) 構(gòu) 結(jié) 合 VIT機(jī)構(gòu)，主機(jī)在UPPER LOAD范圍內(nèi)，保持最大的燃燒壓力Pmax（maximum combustion pressure）。VEC機(jī)構(gòu)是由掃氣壓力信號(hào)和主機(jī)速度信號(hào)來(lái)控制的。

另外，排氣閥的開(kāi)閉是根據(jù)發(fā)火順序，排氣閥的排氣是靠柱塞泵蓄壓打出的高壓液壓油來(lái)開(kāi)啟的，關(guān)閉是靠spring air來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

查找故障原因時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)，XX輪主機(jī)排氣閥air spring調(diào)壓閥有漏氣現(xiàn)象。由于船在航行時(shí)，無(wú)法檢修，該調(diào)壓閥后來(lái)在錨泊時(shí)整修完畢。拆檢時(shí)發(fā)現(xiàn)膜片破損，閥芯及閥座都被油垢粘死，流道都被滑油垢粘死（空氣的質(zhì)量不好，系空壓機(jī)沒(méi)有保養(yǎng)到位導(dǎo)致），初步判斷主機(jī)增壓器喘振原因是排氣閥air spring調(diào)壓閥漏氣。單位時(shí)間內(nèi)空氣壓力不足，導(dǎo)致主機(jī)排氣閥關(guān)閉不及時(shí)或關(guān)閉不嚴(yán)，引發(fā)增壓器壓氣機(jī)背壓升高，致使渦輪機(jī)與壓氣機(jī)動(dòng)平衡被破壞，進(jìn)而影響主機(jī)增壓器轉(zhuǎn)速，引起壓氣機(jī)工況的不穩(wěn)定而導(dǎo)致振動(dòng)，從而發(fā)出異常響聲。

經(jīng)過(guò)air spring的修復(fù)（不漏氣，工作正常），XX輪于重載時(shí)，主機(jī)加車到65r/min運(yùn)轉(zhuǎn)1h，掃氣壓力為0.13MPa，負(fù)荷指示為6.5～6.6，調(diào)速器actuator輸出是68，VEC輸出指示在15，spring air的空氣壓力是0.82MPa，主機(jī)各缸排煙溫度及出水溫度都正常。再加車到67r/min運(yùn)行1h，掃氣壓力為0.165MPa，負(fù)荷指示為6.9，調(diào)速器actuator輸出是70，VEC輸出指示在15，VIT輸出指示在+2°（ADVANCE），主機(jī)增壓機(jī)2臺(tái)轉(zhuǎn)速在11000rpm，主機(jī)包括增壓機(jī)一切正常，沒(méi)有喘振（surging）發(fā)生。這改變了主機(jī)重載時(shí)最高轉(zhuǎn)速60r/min的記錄，主機(jī)一切恢復(fù)正常。以下附主機(jī)67r/min運(yùn)行時(shí)的主機(jī)性能參數(shù)（M/E PERFORMANCE DATA），分別如圖3～圖9所示，加車到67r/min時(shí)，各個(gè)參數(shù)如圖10所示。

圖4 排氣閥air spring

圖3 主機(jī)加車到67r/min

圖6 調(diào)速器actuator輸出位置

圖5 VEC指示刻度

圖7 Load指示計(jì)

圖8 掃氣壓力

圖9 主機(jī)2臺(tái)增壓機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)

圖10 主機(jī)加車到67r/min的參數(shù)

6 結(jié)論

排氣閥air spring調(diào)壓閥閥桿卡阻及漏氣，引起單位時(shí)間內(nèi)排氣閥air cylinder的空氣壓力和空氣量不足，導(dǎo)致主機(jī)排氣閥滯后關(guān)閉或關(guān)閉不嚴(yán)，使得壓氣機(jī)背壓增大，最后致使渦輪機(jī)與壓氣機(jī)失去動(dòng)態(tài)平衡而發(fā)生喘振現(xiàn)象——喘振。

主機(jī)增壓器壓氣機(jī)是不允許在喘振下工作的，因這時(shí)不僅達(dá)不到預(yù)期的增壓比，而且會(huì)引起壓氣機(jī)葉輪葉片振動(dòng)，造成葉片疲勞斷裂，會(huì)使增壓器轉(zhuǎn)子發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，特別是軸向振動(dòng)，這也將嚴(yán)重影響增壓器軸承使用壽命。

導(dǎo)致船舶主機(jī)喘振原因是多方面的，大管輪在航行中若發(fā)生主機(jī)喘振現(xiàn)象，首先要詳細(xì)研讀主機(jī)說(shuō)明書，然后科學(xué)全面分析故障原因，合理判斷故障，最后有效排除故障，避免在排除故障時(shí)走彎路，做無(wú)用功，保證主機(jī)時(shí)刻處于最佳工況下運(yùn)行。