故障檢修與技術維護

發動機增壓器喘振的原因及解決方法

 

摘要：現代應急電源主機幾乎全部采用廢氣渦輪增壓技術來提高柴油機功率，而喘振是柴油機增壓器的常見故障之一。文章首先分析了增壓器喘振的機理和原因，并結合廢氣渦輪增壓器喘振故障案例，詳細的介紹了喘振的排除過程，并對其日常維護管理提出了建議。

 

一、增壓器喘振機理

 

 

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

      離心式特性曲線如圖2所示。當壓氣機流量減小到某一值后，氣體進入工作葉輪和擴壓器的方向偏離設計工況，造成氣流從葉片或擴壓器上強烈分離，同時產生強烈脈動，并有氣體倒流，引起壓氣機工作不穩定，導致壓氣機振動，并發出異常的響聲，稱為壓氣機喘振。不同轉速下壓氣機開始發生喘振流量值點連線稱為喘振線，如圖1虛線所示。喘振線左側為喘振區，右側為穩定工作區。增壓器喘振原因從根本上講，是由于壓氣機的流量小于該轉速下引起喘振的限制流量，造成氣流與葉片的強烈撞擊與脫流。

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

 

圖1 增壓器壓氣機通用特性曲線

圖2 離心壓氣機特性曲線圖

 

 

二、喘振故障原因分析

 

     純廢氣渦輪增壓柴油機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的氣流通道流通面積變小，使增壓器與柴油機配合運行線左移，喘振裕量減少，當進入喘振區時，即發生喘振。雖然增壓系統流道阻塞都使四沖程和二沖程柴油機增壓器配合運行線左移，但二沖程要比四沖程柴油機敏感得多，原因在于二者的換氣過程不同。因為二沖程機的換氣主要依靠掃氣口與排氣口之間的壓差來實現，流道堵塞對換氣質量影響很大，一使氣流流通不暢，二使排溫升高，廢氣能量增加，導致增壓器喘振。而四沖程柴油機的換氣過程主要依靠活塞的抽吸和推擠，進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的影響相對二沖程柴油機要小得多。

2．非流道阻塞

      非流道阻塞因素有：當航行條件惡化時，如大風浪航行、柴油機污底、螺旋槳纏上漁網等。上述因素使柴油機阻力增大，由于現代船用推進柴油機都裝有全制式調速器，噴油量增加，增壓器轉速升高，壓氣機流量增加，壓比升高，配合運行點向高端移動，喘振裕量減少，使喘振較易發生。而對于驅動螺旋槳的四沖程柴油機，還會因柴油機阻力的增加，調速器使噴油量增加，柴油機轉速未變，四沖程柴油機的通流能力主要取決于柴油機的轉速，氣缸前后的壓差對流量影響較小，可以認為流量不變，壓氣機由于渦輪接受的廢氣能量增加使壓比升高而流量不變，配合運行點向高端移動的同時，配合運行線逐漸變陡而靠向喘振線。在考慮二沖程柴油機氣缸的通流能力時，將它看成一個通流面積不變的孔板（柴油機轉速升高，掃氣口、排氣口或閥開啟時間按比例減少，但單位時間內開啟次數按比例增加），所以二沖程柴油機的通流能力與柴油機的轉速無關，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，其配合運行線均不會變化。噴油系統故障、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行點上移而誘發增壓器喘振，特別是當主海水泵故障，無冷卻海水供應時，由于空氣溫度劇增，此時有些機型發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影響較小，對二沖程機影響較大。非流道阻塞因素對四沖程機影響較大，對二沖程機影響較小。

3．某增壓器喘振故障案例分析

      該主機增壓器喘振并不是特別嚴重，僅在惡劣工況時斷續發生。柴油機阻力突增過程，造成增壓器與柴油機的暫時失配無疑是該喘振的主要原因，特別是當增壓器由于轉子慣性轉速下降滯后，轉速仍然較高，而主機轉速迅速下降，與壓氣機串聯的四沖程柴油機的通流能力減弱，使壓氣機在高背壓低流量下工作，配合運行點落入喘振區而發生喘振。然而在柴油機與增壓器選配時，配合運行線與喘振線之間的喘振裕量應足以避免因這種短暫失配所引起的喘振現象，特別是象該例增壓系統增壓度較低，其喘振裕量相對于高增壓系統要大些，就更不易發生喘振，由此判斷該喘振現象不是由上述單一外界條件變化引起的，應該還有增壓系統內在因素存在，與之疊加而成。在良好工況航行時未發生喘振，并不能確定增壓器與柴油機所組成的增壓系統各環節都正常，如果某種因素僅使配合運行線向喘振線靠近或運行點向高端移動，但該因素還不能單獨引起增壓器喘振，因此需要進一步分析相關運行參數，找到這一因素。

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

表1 喘振未排除時主機運行參數(不喘振)

表2喘振故障前主機運行參數

 

      因為各缸排氣溫度均勻升高，不可能是個別缸的進排氣流道不暢引起，應該考慮除柴油機本身以外增壓系統各環節由于流通面積偏離原設計值所造成影響。由于該增壓系統未設空冷器氣側壓差計及增壓器轉速表，給排除故障帶來一定難度。排除故障原則應是先易后難、先外圍后內部、先主要后次要。其實三年來已經拆檢了空冷器、增壓器好幾次，喘振沒有消除，剩下來似乎只有保護格柵和消音器。但前幾次增壓器的拆檢僅做到抽出轉子，然后檢查噴嘴環，然而由于其斜向布置，在出口側是看不見進口側的，所以應該對增壓器做一次徹底解體，順便也對保護格柵進行檢查。抽出轉子后，發現有三個噴嘴處卡著金屬碎片，當時有人認為原因已找到，可如果仔細回憶一下，以前抽出轉子清潔噴咀后，喘振并未消除，所以這樣的堵塞還不至于對氣流的流動產生太大的影響。拆下渦輪進氣箱后，發現與排氣總管之間的保護格柵已不存在，在進氣箱氣道與噴咀環的結合處卡有一呈卷曲狀的薄鋼板，尺寸約10×4cm，如果不拆除渦輪機進氣箱，在進氣箱入口處也很難發現，那么這塊鋼板是什么地方來的呢？經檢查確定是排氣管上的一只波紋膨脹接頭的內導管脫落，該膨脹接的安裝是有方向性的，但在安裝時把方向裝反，這樣經高溫廢氣的長期沖擊就容易脫落，此時如果保護格柵完好無損，也不致于進入到噴咀環處，所幸未能通過噴咀環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生喘振現象。重新測量爆發壓力、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，進氣壓力也提高了。說明噴咀環小部分被遮擋使主機排氣背壓升高，換氣質量變差，排溫升高，增壓器渦輪效率下降，轉速有所降低（該增壓器無轉速表）。現在讓我們回顧一下，既然噴咀環處有被堵現象，那么為什么在良好工況下增壓器不發生喘振呢？我們知道柴油機與增壓器選配時，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/并未進入喘振區，此時增壓器轉速應該有所降低，等轉速線由n下降為n/，運行點由設計時的a點移至a1點，顯然a1點在穩定工作區，所以柴油機在負荷小的時候，增壓器不會發生喘振。柴油機在較惡劣工況下運行時，主機轉速下降很多，而增壓器此時瞬間轉速仍為nK/，增壓器壓氣機背壓升高流量減少，運行點由a1點移至a2點，a2點已進入喘振線左側，即喘振區，發生短暫喘振。故障排除后，配合特性曲線恢復到接近原設計特性曲線，柴油機即使在惡劣工況下航行，增壓器也不會產生喘振。由此可見，該喘振故障是氣流通道流通面積減少和主機負荷的急劇變化兩個因素疊加引起的。

 

 

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