故障檢修與技術(shù)維護(hù)

發(fā)動機(jī)增壓器喘振的原因及解決方法

 

摘要：現(xiàn)代應(yīng)急電源主機(jī)幾乎全部采用廢氣渦輪增壓技術(shù)來提高柴油機(jī)功率，而喘振是柴油機(jī)增壓器的常見故障之一。文章首先分析了增壓器喘振的機(jī)理和原因，并結(jié)合廢氣渦輪增壓器喘振故障案例，詳細(xì)的介紹了喘振的排除過程，并對其日常維護(hù)管理提出了建議。

 

一、增壓器喘振機(jī)理

 

 

      從圖1中可以看出，壓氣機(jī)的通用特性曲線是由等折合轉(zhuǎn)速線，等效率特性線，和喘振邊界線組成。等轉(zhuǎn)速線的特點是曲線較抖，在轉(zhuǎn)速恒定的條件下，壓氣機(jī)的壓比和效率隨流量的改變而變化的關(guān)系，通稱為壓氣機(jī)的特性線。 而離心式壓氣機(jī)的特性是當(dāng)轉(zhuǎn)速nk等于常數(shù)時，隨著流量Gk的減少，壓比πk開始是增加的，當(dāng)流量Gk減少到某一值時，πk值達(dá)到最大值，然后隨Gk的減小開始下降。

      離心式特性曲線如圖2所示。當(dāng)壓氣機(jī)流量減小到某一值后，氣體進(jìn)入工作葉輪和擴(kuò)壓器的方向偏離設(shè)計工況，造成氣流從葉片或擴(kuò)壓器上強(qiáng)烈分離，同時產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動，并有氣體倒流，引起壓氣機(jī)工作不穩(wěn)定，導(dǎo)致壓氣機(jī)振動，并發(fā)出異常的響聲，稱為壓氣機(jī)喘振。不同轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)開始發(fā)生喘振流量值點連線稱為喘振線，如圖1虛線所示。喘振線左側(cè)為喘振區(qū)，右側(cè)為穩(wěn)定工作區(qū)。增壓器喘振原因從根本上講，是由于壓氣機(jī)的流量小于該轉(zhuǎn)速下引起喘振的限制流量，造成氣流與葉片的強(qiáng)烈撞擊與脫流。

      對于新造的增壓柴油機(jī)，配合運(yùn)行線與喘振線之間留有足夠喘振裕量，無論環(huán)境條件及柴油機(jī)工況如何變化，使用初期增壓器一般都不會發(fā)生喘振。喘振裕量dVs的定義為dVs=（Q－Qs）/Qs（dVs通常應(yīng)大于10﹪)，如圖2所示。從圖上看起來低負(fù)荷時配合運(yùn)行線離喘振線比高負(fù)荷還近些，而其實其喘振裕量較大，這是因為低負(fù)荷時分母Qs減小得更多，實際也是如此，柴油機(jī)在低負(fù)荷時較不易喘振。所以，有的教材認(rèn)為純廢氣渦輪增壓系統(tǒng)在流道阻塞時，在低負(fù)荷時其配合運(yùn)行線會先進(jìn)入喘振區(qū)而發(fā)生喘振的觀點是不符合實際的。

 

圖1 增壓器壓氣機(jī)通用特性曲線

圖2 離心壓氣機(jī)特性曲線圖

 

 

二、喘振故障原因分析

 

     純廢氣渦輪增壓柴油機(jī)喘振的影響因素可分為流道阻塞和非流道阻塞二類。

1．流道阻塞

      流道阻塞指組成增壓系統(tǒng)的氣流通道流通面積變小，使增壓器與柴油機(jī)配合運(yùn)行線左移，喘振裕量減少，當(dāng)進(jìn)入喘振區(qū)時，即發(fā)生喘振。雖然增壓系統(tǒng)流道阻塞都使四沖程和二沖程柴油機(jī)增壓器配合運(yùn)行線左移，但二沖程要比四沖程柴油機(jī)敏感得多，原因在于二者的換氣過程不同。因為二沖程機(jī)的換氣主要依靠掃氣口與排氣口之間的壓差來實現(xiàn)，流道堵塞對換氣質(zhì)量影響很大，一使氣流流通不暢，二使排溫升高，廢氣能量增加，導(dǎo)致增壓器喘振。而四沖程柴油機(jī)的換氣過程主要依靠活塞的抽吸和推擠，進(jìn)排氣壓差僅在燃燒室掃氣時才有所影響，所以流道阻塞對四沖程柴油機(jī)的影響相對二沖程柴油機(jī)要小得多。

2．非流道阻塞

      非流道阻塞因素有：當(dāng)航行條件惡化時，如大風(fēng)浪航行、柴油機(jī)污底、螺旋槳纏上漁網(wǎng)等。上述因素使柴油機(jī)阻力增大，由于現(xiàn)代船用推進(jìn)柴油機(jī)都裝有全制式調(diào)速器，噴油量增加，增壓器轉(zhuǎn)速升高，壓氣機(jī)流量增加，壓比升高，配合運(yùn)行點向高端移動，喘振裕量減少，使喘振較易發(fā)生。而對于驅(qū)動螺旋槳的四沖程柴油機(jī)，還會因柴油機(jī)阻力的增加，調(diào)速器使噴油量增加，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速未變，四沖程柴油機(jī)的通流能力主要取決于柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，氣缸前后的壓差對流量影響較小，可以認(rèn)為流量不變，壓氣機(jī)由于渦輪接受的廢氣能量增加使壓比升高而流量不變，配合運(yùn)行點向高端移動的同時，配合運(yùn)行線逐漸變陡而靠向喘振線。在考慮二沖程柴油機(jī)氣缸的通流能力時，將它看成一個通流面積不變的孔板（柴油機(jī)轉(zhuǎn)速升高，掃氣口、排氣口或閥開啟時間按比例減少，但單位時間內(nèi)開啟次數(shù)按比例增加），所以二沖程柴油機(jī)的通流能力與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，它主要取決于氣缸前后的壓力差，不論上述航行條件如何改變，其配合運(yùn)行線均不會變化。噴油系統(tǒng)故障、排氣閥開啟過早、空冷器冷卻能力下降等非流道阻塞因素造成的排氣溫度升高都將使配合運(yùn)行點上移而誘發(fā)增壓器喘振，特別是當(dāng)主海水泵故障，無冷卻海水供應(yīng)時，由于空氣溫度劇增，此時有些機(jī)型發(fā)生劇烈喘振比淡水高溫報警還來得早。

      由此可知，流道阻塞因素對四沖程機(jī)影響較小，對二沖程機(jī)影響較大。非流道阻塞因素對四沖程機(jī)影響較大，對二沖程機(jī)影響較小。

3．某增壓器喘振故障案例分析

      該主機(jī)增壓器喘振并不是特別嚴(yán)重，僅在惡劣工況時斷續(xù)發(fā)生。柴油機(jī)阻力突增過程，造成增壓器與柴油機(jī)的暫時失配無疑是該喘振的主要原因，特別是當(dāng)增壓器由于轉(zhuǎn)子慣性轉(zhuǎn)速下降滯后，轉(zhuǎn)速仍然較高，而主機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，與壓氣機(jī)串聯(lián)的四沖程柴油機(jī)的通流能力減弱，使壓氣機(jī)在高背壓低流量下工作，配合運(yùn)行點落入喘振區(qū)而發(fā)生喘振。然而在柴油機(jī)與增壓器選配時，配合運(yùn)行線與喘振線之間的喘振裕量應(yīng)足以避免因這種短暫失配所引起的喘振現(xiàn)象，特別是象該例增壓系統(tǒng)增壓度較低，其喘振裕量相對于高增壓系統(tǒng)要大些，就更不易發(fā)生喘振，由此判斷該喘振現(xiàn)象不是由上述單一外界條件變化引起的，應(yīng)該還有增壓系統(tǒng)內(nèi)在因素存在，與之疊加而成。在良好工況航行時未發(fā)生喘振，并不能確定增壓器與柴油機(jī)所組成的增壓系統(tǒng)各環(huán)節(jié)都正常，如果某種因素僅使配合運(yùn)行線向喘振線靠近或運(yùn)行點向高端移動，但該因素還不能單獨引起增壓器喘振，因此需要進(jìn)一步分析相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，找到這一因素。

      對比增壓器喘振發(fā)生前后柴油機(jī)排氣溫度等參數(shù)，如表1、表2（滿載條件下檢測）。表中顯示喘振發(fā)生前后高壓油泵齒條刻度、爆發(fā)壓力基本相同，說明主機(jī)負(fù)荷在同轉(zhuǎn)速下沒有增大，以及噴油定時也沒有變化，且各缸負(fù)荷均勻。表中顯示各缸排氣溫度較喘振發(fā)生前高出200C左右，噴油器的霧化質(zhì)量惡化會導(dǎo)致排氣溫度升高，但六只缸同時出現(xiàn)噴射霧化不良的可能性極小，經(jīng)查后也排除了這種可能性。由于進(jìn)氣溫度基本不變，也排除了該因素的影響（進(jìn)氣溫度上升帶動排氣溫度上升，廢氣能量增加壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速升高，配合運(yùn)行點移向高處，對四沖程機(jī)同時伴隨著配合運(yùn)行線左移），也排除了因燃油品質(zhì)改變引起的排氣溫度變化。表中的進(jìn)氣壓力在喘振發(fā)生后有所降低，進(jìn)氣壓力的降低可由流道阻塞、廢氣能量減少（主要因素有渦輪保護(hù)格柵及消音器堵塞）等引起，可見排氣溫度升高是進(jìn)氣壓力降低（過量空氣系數(shù)減少）引起，并非是該喘振現(xiàn)象的誘因，這樣也驗證了前面關(guān)于排氣溫度升高的原因分析。這樣基本可肯定該內(nèi)在因素為廢氣渦輪增壓系統(tǒng)氣流通道阻塞。

表1 喘振未排除時主機(jī)運(yùn)行參數(shù)(不喘振)

表2喘振故障前主機(jī)運(yùn)行參數(shù)

 

      因為各缸排氣溫度均勻升高，不可能是個別缸的進(jìn)排氣流道不暢引起，應(yīng)該考慮除柴油機(jī)本身以外增壓系統(tǒng)各環(huán)節(jié)由于流通面積偏離原設(shè)計值所造成影響。由于該增壓系統(tǒng)未設(shè)空冷器氣側(cè)壓差計及增壓器轉(zhuǎn)速表，給排除故障帶來一定難度。排除故障原則應(yīng)是先易后難、先外圍后內(nèi)部、先主要后次要。其實三年來已經(jīng)拆檢了空冷器、增壓器好幾次，喘振沒有消除，剩下來似乎只有保護(hù)格柵和消音器。但前幾次增壓器的拆檢僅做到抽出轉(zhuǎn)子，然后檢查噴嘴環(huán)，然而由于其斜向布置，在出口側(cè)是看不見進(jìn)口側(cè)的，所以應(yīng)該對增壓器做一次徹底解體，順便也對保護(hù)格柵進(jìn)行檢查。抽出轉(zhuǎn)子后，發(fā)現(xiàn)有三個噴嘴處卡著金屬碎片，當(dāng)時有人認(rèn)為原因已找到，可如果仔細(xì)回憶一下，以前抽出轉(zhuǎn)子清潔噴咀后，喘振并未消除，所以這樣的堵塞還不至于對氣流的流動產(chǎn)生太大的影響。拆下渦輪進(jìn)氣箱后，發(fā)現(xiàn)與排氣總管之間的保護(hù)格柵已不存在，在進(jìn)氣箱氣道與噴咀環(huán)的結(jié)合處卡有一呈卷曲狀的薄鋼板，尺寸約10×4cm，如果不拆除渦輪機(jī)進(jìn)氣箱，在進(jìn)氣箱入口處也很難發(fā)現(xiàn)，那么這塊鋼板是什么地方來的呢？經(jīng)檢查確定是排氣管上的一只波紋膨脹接頭的內(nèi)導(dǎo)管脫落，該膨脹接的安裝是有方向性的，但在安裝時把方向裝反，這樣經(jīng)高溫廢氣的長期沖擊就容易脫落，此時如果保護(hù)格柵完好無損，也不致于進(jìn)入到噴咀環(huán)處，所幸未能通過噴咀環(huán)對渦輪葉片造成損傷。

      取出這塊卷曲狀鋼板后，不論在何種工況下增壓器再也沒有發(fā)生喘振現(xiàn)象。重新測量爆發(fā)壓力、排溫及高壓油泵齒條刻度與喘振故障排除前比較，排溫有明顯下降，進(jìn)氣壓力也提高了。說明噴咀環(huán)小部分被遮擋使主機(jī)排氣背壓升高，換氣質(zhì)量變差，排溫升高，增壓器渦輪效率下降，轉(zhuǎn)速有所降低（該增壓器無轉(zhuǎn)速表）?，F(xiàn)在讓我們回顧一下，既然噴咀環(huán)處有被堵現(xiàn)象，那么為什么在良好工況下增壓器不發(fā)生喘振呢？我們知道柴油機(jī)與增壓器選配時，配合特性曲線C與喘振線B之間留有一定的喘振裕量，如圖3。

 

圖3 增壓器配合特性曲線圖

 

      在氣流通道堵塞使流通面積減小不是特別嚴(yán)重的情況下，配合特性曲線C向喘振線B靠近，喘振裕量減小，此時以C/表示，C/并未進(jìn)入喘振區(qū)，此時增壓器轉(zhuǎn)速應(yīng)該有所降低，等轉(zhuǎn)速線由n下降為n/，運(yùn)行點由設(shè)計時的a點移至a1點，顯然a1點在穩(wěn)定工作區(qū)，所以柴油機(jī)在負(fù)荷小的時候，增壓器不會發(fā)生喘振。柴油機(jī)在較惡劣工況下運(yùn)行時，主機(jī)轉(zhuǎn)速下降很多，而增壓器此時瞬間轉(zhuǎn)速仍為nK/，增壓器壓氣機(jī)背壓升高流量減少，運(yùn)行點由a1點移至a2點，a2點已進(jìn)入喘振線左側(cè)，即喘振區(qū)，發(fā)生短暫喘振。故障排除后，配合特性曲線恢復(fù)到接近原設(shè)計特性曲線，柴油機(jī)即使在惡劣工況下航行，增壓器也不會產(chǎn)生喘振。由此可見，該喘振故障是氣流通道流通面積減少和主機(jī)負(fù)荷的急劇變化兩個因素疊加引起的。

 

 

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