“CENTRIES HAPPY”轮发电柴油机增压器故障分析
天津海运职业学院 葛 涛 徐燕铭
摘要：目前增压技术已经广泛应用于现代船舶柴油机，以实现提高柴油机单缸功率的目的，而喘振是船舶柴油机增压器的常见故障之一。针对一起ABB TPS.57-D型废气涡轮增压器喘振故障现象，结合增压器喘振的机理和常见原因，详细介绍喘振的排除过程，并对其日常维护管理提出建议。
关键词：船舶柴油机；涡轮增压器；喘振
一、引言
随着现代商船逐渐向大型化、自动智能化、绿色环保节能方向发展，势必对船舶柴油机的可靠性和功率提出了更高的要求。废气涡轮增压器是利用柴油机排出的具有一定温度和压力的废气能量，经过涡轮转换为转子的回转机械能，从而带动与其同轴的压气机叶轮高速旋转，将新鲜空气加压提高密度后经气管送入汽缸，增加汽缸的充气量，使得向汽缸内喷的燃油充分燃烧，从而提高柴油机的功率。因此，增压是在不增加柴油机排量和转速的情况下，提高动力性、改善经济性、降低排气污染行之有效的手段，也是目前柴油机的发展趋势。增压器喘振作为增压器故障之一，直接影响着柴油机的整体性能。因此，熟悉把握喘振的原因及机理，在喘振发生时迅速判断处理，可以综合提高船舶的安全性。
本文把“CENTRIES HAPPY”轮发电柴油机发生的增压器喘振故障作为切入点，进而分析故障原因及其处理的办法。该船发电机型号为L16/24型，采用纯废气涡轮增压，涡轮增压器型号为ABB TPS.57-D型。
二、增压器故障现象
“CENTRIES HAPPY”轮是2010年1月底下水并正式运营的一艘环球航线散货船，船舶发电柴油机型号为L16/24型（即直列式，缸径160 mm，行程240 mm），最大功率650 kW，工作转速750 r/min。设计和常用燃油的规格为在50 ℃时380 cSt的HFO燃油。发电柴油机的废气涡轮增压器型号是ABB TPS.57-D型，发电机组共三组，正常航行时两台并车运行，一台备用。
2010年6月该船从中国台湾高雄港开航去澳大利亚GLADSTONE港装矿砂，航行途中使用1#与3#发电机并车运行，两台发电机负荷均在365 kW左右，开始状况一直良好，后因大副打压载水，先启动了一台压载泵，两台发电机负荷各达到了450 kW左右，二管轮检查各柴油机运行参数基本正常。运行时间不到3 h，大副继续开启了第二台压载泵，两台发电机负荷达到了550 kW左右，此时两台发电机运行参数也基本正常。然而照此工况运行了不到2 h，1#发电机增压器发生严重喘振。
二管轮经过请示，停掉一台压载泵后，喘振仍然存在，只是稍微降低，继续停掉第二台压载泵后喘振明显降低，不得已将2#发电机启动并入电网，将1#发电机解列的瞬间，喘振基本上消失，此时检查各缸排温基本上维持在240～260 ℃，于是在轮机长指示下，再次将1#发电机并入电网，此时又出现喘振现象，各缸排温维持在320～350 ℃，于是再次解列，现象再次明显减轻。
三、增压器喘振机理与常见原因
1. 喘振的机理
如图1所示，废气涡轮增压器是利用柴油机排出的具有一定温度和压力的废气能量，经过涡轮转换为转子的回转机械能，从而带动与其同轴的压气机叶轮高速旋转，实现进气的增压，将新鲜空气加压提高密度后经气管送入汽缸，增加了汽缸的充气量。在运转
过程中，当压气机的流量减小到一定数值后，气体进入工作叶轮和扩压器的方向偏离设计工况，造成气流从叶片或扩压器上强烈分离，同时产生强烈振动，并有气流倒流，引起压气机工作不稳定，导致压气机振动，并发出异常的响声，这种现象称为压气机的喘振。[1]
在各种不同工况工作时，离心式压气机各主要参数会随之变化。在不同转速下压气机的排出压力和效率随空气流量的变化规律，称之为离心式压气机的工作特性。表示这种特性的曲线叫做压气机的特性曲线。
图2为ABB TPS.57-D型废气涡轮增压器压气机的特性曲线，横坐标代表压气机的流量Gk，纵坐标代表压比πk，其中A类曲线代表不同的等效率ηk曲线，B类曲线代表不同的等转速nk曲线。从图2中的曲线可以看出，连接各等转速线的最小稳定工作流量点，可得喘振线。从喘振线往左是喘振区，往右才是压气机的稳定运转范围。同时，可以看出等效率线近似椭圆形，最高效率区很接近喘振线。当转速nk等于常数时，随着流量Gk的减小，压比πk开始是增加的；当流量Gk减小到某一值时，压比πk值达到最大，然后随流量Gk的减小开始下降。效率随流量Gk的变化规律与压比πk类似。
经上述分析可以得出，产生喘振的根本原因就是当流量小于设计值很多时，在叶轮进口和扩压器内产生强烈的气流分离，即喘振现象。图3和图4分别表示压气机流量变化时在叶轮前缘和扩压器中的流动情况。在设计流量下，如两图中的a中所示，气流平顺地流进叶片前缘和扩压器，气流与叶轮叶片、扩压器叶轮叶片既不发生撞击，也不产生分离。当流量大
于设计流量时，如两图中b中所示，气流在叶轮叶片前缘冲向叶片的凸面，与叶片的凹面发生分离；在扩压器中气流冲向叶片的凹面，与叶片的凸面发生分离。但是，由于叶轮叶片的转动压向气流分离区，扩压器中气流的圆周向流动压向气流分离区，气流的分离区受到限制，不致随流量的增加而过分扩大。而当流量小于设计流量时，如两图中的c图，气流在叶轮
叶片前缘和扩压器中情况恰与b图流动情况相反。由于叶轮叶片在转动中要离开气流分离区，扩压器中气流的圆周向流动也使气流离开气流分离区，气流分离区有扩展的趋势。随着流量的减少，气流分离区会越来越大，在叶轮和扩压器中造成气体倒流，发生不稳定流动，最终导致喘振的产生。[2]
2. 增压器喘振原因分析
通过以上分析知导致压气机喘振的根本原因就是小流量及高背压。根据流量与时间和流速关系可知，空气进入压气机的速度降低，或者增压系统流道堵塞，都会引起流量的减少；柴油机用气量减少，增压器转速高，或者压气机后的气流通道堵塞，会使压气机背压升高。由于设计时已将压气机与柴油机的配合工作特性线远离喘振线，故正常情况下不会发生喘振。但是工作情况发生变化后，压气机配合工作特性线会发生移动，若部分或全部进入喘振区，则会发生喘振。[3]
所有柴油机增压器喘振可以分为三大类型：燃油系统故障、空气或废气系统的流体阻力和柴油机负荷突然变化三种，常见原因如下：
（1）燃油系统故障引起喘振
循环油泵或供油泵低压，燃油中含气或水，预热温度低，除气柜上部透气阀失效，吸油阀故障，泄放阀故障，喷油泵柱塞咬住，喷油器针阀咬住或喷嘴损坏，燃油回油管中溢流阀损坏，凸轮轴正时负荷分配不恰当等因素会引起喘振。
（2）空气或废气系统的流体阻力引起喘振
排气阀开启不对，增压器前废气进口防护格栅损坏或堵塞，增压器废气出口背压升高，增压器后压力波动，排气集气管内压力波动，增压器废气进口前的波纹管损坏，空冷器滴水分离器或通道结污，空冷器冷却水循环停止，扫气口结焦，扫气集管温度太高等会引起喘振。
（3）柴油机负荷突然变化引起喘振
调速器不稳定，柴油机应急停车或负荷变化等。
总之，具体表现为非流道阻塞影响因素，即上述（1）和（3）两类，不会影响通流特性，不会改变增压器与柴油机配合运行线的位置，仅改变增压器与柴油机配合运行点在该配合线上的位置，这是引起柴油机增压器喘振的次要原因，而上述（2）类是引起喘振的主要常见原因。
四、故障分析与排除
本船刚刚下水运行不到4个月，各零部件基本处于崭新时期，轮机长与二管轮通过外部观察与拆开进排气流道检查，内部各部件基本保持清洁状态，对与喘振有关的结构都进行了检修、调整和清洁保养，排除了流道阻塞因素；1#机组刚刚经过检修，更换了6个缸的喷油器，所以排除了由于喷油器雾化效果不好使得燃烧恶化的原因。于是，轮机长与二管轮进入下一步检查阶段：打开两端端盖，检查增压器内部结构，发现压气机叶轮、扩压器以及涡轮与喷嘴环完好无损，基本上很清洁，测量轴向与径向游动量知它们均在允许范围内。
最终，轮机长询问了上个航次（在本航次中轮机长、二管轮等人刚刚登船替班）的值班机工，以前是否出现类似故障，值班机工描述：以前1#发电机柴油机各缸的排烟温度不相近，尤其是4号缸的排烟温度与其他缸相差80～90 ℃，上一个二管轮发现后就将4号缸的供油齿条进行适当调节，然后就没有发现太多问题。此时，轮机长果断拆开4号缸进气管，仔细检查发现气道隐约有变黑迹象，于是判断4号缸进气阀烧蚀或者开裂。二管轮经过一番吊缸发现4号缸进气阀开裂，3号缸汽缸的进排气阀均有不同程度烧蚀，
因此初步判断是由于气阀漏气，柴油机在燃烧或者压缩过程中漏气，造成压气机叶轮背压过高，导致进气量不足从而产生喘振现象。拆开4号缸汽缸盖后，发现气阀已经开裂，如图5。更换气阀后，重新启动1#发电机组后并入电网，加大负荷后喘振现象消失。
经过本次故障，轮机长认为，上一个二管轮对各缸排烟温度不一致原因错误判断，并误认为是供油量不同所致，实际上是气阀由于材料或者磨损不良因素使密封变差，造成燃烧变坏，而误操作后造成各缸负荷严重不均，进而引起气阀烧蚀与裂纹，最终导致喘振的发生。
五、结语
喘振是压气机的固有特性，无法从根本上避免。当发生增压器喘振时，应保持清醒的认识和判断，采取正确的应对措施，及时排除喘振故障，以保证柴油机可靠稳定工作。一般对增压器喘振的诊断步骤为：启动柴油机查看是否是由于负荷突变引起→柴油机运行各参数是否正常→若以上均正常，再按照增压器说明书查看涡轮、喷嘴环、压气机叶轮、扩压器的状态以及相关间隙情况。切忌轻易拆检增压器，以防因为安装精度不够对增压器造成不必要的损坏。
影响柴油机喘振的因素很多，这些因素在柴油机运行中相互牵连相互影响，在实际工作中应综合考虑与判断。本文所涉及的增压器喘振是由于对柴油机排烟温度管理判断不善造成各缸负荷严重不均而导致的，所以轮机员在日常维护管理中，应重视涡轮增压器的正确使用及日常维护、保养工作，面对各种参数的变化时要先冷静思考，然后逐一排查，以保证柴油机处于最佳工作状态。
参考文献：
[1]周明顺.船舶柴油机[M].大连:大连海事大学出版社,2009:162-180.
[2]黄少竹.现代船舶柴油机故障分析[M].大连:大连海事大学出版社,2005:7-22.
[3]杜天玉,黄加亮,蔡振雄,等.VTR 564D-32型废气涡轮增压器喘振及故障排除[J].中国修船,2008(1):17-20.54
联系客服
