船用主柴油机增压器喘振的排除

李成福 吴昭阳

(威海海事局,山东威海 264200)

在近代柴油机的增压系统中,废气涡轮增压器是应用最广泛的一种,特别是船舶柴油机,绝大多数都采用这种增压器。随着船舶的营运,柴油机与涡轮增压器的工作条件不断发生变化,柴油机与涡轮增压器会逐渐失去最初的匹配,从而失去平衡,导致废气涡轮增压器的喘振。船舶柴油机废气涡轮增压器喘振是一种常见故障,本文结合一次排除船用柴油机涡轮增压器的喘振的工作实践,探讨船用主柴油机增压器喘振的排除。

1 增压器喘振

1.1 增压器喘振的表现及原理

涡轮增压器喘振是压气机的固有特性,是其在流量减少到一定程度时所发生的一种非正常工况下的振动,通常表现为压气机出现气流剧烈波动,并伴随很大的吼叫声。

增压器产生喘振的原理较为复杂,当压气机处于低流量高背压的工作状态时,进入压气机的空气流向与压气机叶片入口之间产生冲角,当这个角度大到一定程度时,进气流与压气机叶片之间就会有较严重的气流分离,该气流以周期性强烈的脉冲形式表现出来,气流压力、速度和流量均发生急剧的变化,其外部表现就是增压器不断发出震动和吼叫声。

1.2 增压器喘振的原因

引起喘振的原因主要有以下几种:(1)柴油机载荷突然出现较大负向波动,由于增压器转子转速不能很快地跟随柴油机转速的下降而下降,造成柴油机过渡过程的喘振。增压器与柴油机是需匹配工作的,当柴油机降转速、卸负载时,气缸内所需空气量也急剧减少,而增压器转子的转速却一时无法同步下降,使增压器压气机吸气量与柴油机气缸所需相比过多,使多余的空气堵塞在压气机进口处而发生喘振。

(2)联合调节器的降速针阀(有级调速)或减载针阀开度过大,容易造成短时喘振。其原因也是由于针阀的开度过大,使柴油机降速减载过快,使增压器转子转速的下降跟不上。

(3)柴油机过载或载荷波动较大时,柴油机的燃烧状态变差,排气温度升高,排气总管的废气能量增加,使增压器转子的转速升高,造成压气机的吸气量大于出气量而发生喘振。

(4)增压器喷咀环积炭,或喷咀环截面积过小,都使燃气流经缩小了的喷咀环流通截时流速增高,促使转子转速上升(每减少l cm2,转子转速约上升250 r/m in),压气机进气流量增大,使部分空气堵在压气机入口而产生气流扰动,喘振就此发生。

(5)增压器系统空气的通道堵塞,如空气滤清器太脏、进气道变形等原因使进气阻力过大,造成压气机吸气量不足,柴油机燃烧状态恶化,排气温度升高,废气能量增大,反过来促使增压器转子转速上升,压气机吸气量加大,到吸气量发生过剩时,增压器就出现喘振。

在以上原因中增压系统流道堵塞是引起增压器喘振最常见的原因,在此状况下,柴油机运行时,增压器的气体流动路线是:压气机进口滤器和消音器→压气机叶轮→压气机扩压器→空冷器→扫气箱→柴油机的进气口(阀)→排气口(阀)→排气管→废气蜗轮喷嘴环→废气蜗轮叶轮→废气锅炉→烟囱,其中各组成部分的流通面积都是固定的,只有各气缸的进、排气口(气阀)是按照一定的发火顺序轮流开关,上述流动路线中的任一环节发生阻塞,如脏污、结碳、变形等,都会因流阻增加而使压气机流量减少、背压升高,引起喘振。其中容易脏污的部件有进口滤器、压气机叶轮和扩压器、空冷器和气缸的进、排气口、蜗轮的喷嘴环及叶轮。气缸进、排气口(阀)容易结碳,涡轮的喷嘴环容易发生热变形等。

1.3 增压器喘振的危害

增压器喘振时气流强烈颤动,压气机出口压力、气体流量大幅下降,同时引起压气机叶片强烈震动并常伴有很大的吼叫声。喘振一方面会使增压器性能减低,影响柴油机的燃烧,主机处于降功率运行状态,造成较大的功耗损失。另一方面强烈的喘振会使压气机零件和增压器轴承损坏。因此在运行过程中尽量避免增压器发生喘振。

2 故障情况

2.1 故障发生的状态

我所船舶主机在正常运转时侯主柴油机各参数正常,涡轮增压器运转平稳没有喘振现象,但当船舶大幅度转向时,一般转向超过20°,特别是超过25°主机涡轮增压器几乎每次都会发生喘振。

2.2 船舶基本情况

建造时间:1976年5月,

建造地点:日本,

总吨18000,

载重吨30000,

船舶长180 m,

主机型号MAN B&W,

主机功率8000 KW,

主机6缸机,(发火顺序1-6-2-4-3-5)

增压器2台。(1.2.3缸为一组,4.5.6缸为一组)

增压器型号:ABBVTR4AE

3 本涡轮增压器喘振的原因排查

针对轮主机增压器喘振的现象,我们采取排除的方法逐一对各可能导致本主机增压器喘振的原因[3]进行排查。

(1)增压器问题。我们首先怀疑主机增压器内部有问题,因为船东变换频繁,我们没有找到关于增压器的拆检记录,我们申请船东安排船厂对增压器解体检查清理。通过解体主机增压器,未发生任何问题。这说明主机增压器喘振的根本原因不在增压器本身。

(2)废气锅炉烟道脏堵。废气锅炉烟道是由船员自检的,我们重新打开检查;清洁效果良好,没有发现问题。

(3)空冷器问题。空冷器是修船时换新的,通过我们检查发现该新的空冷器容量与原件基本相同,并且我们也定时打开检查,内部清洁,气流畅通,没有发现问题。航行时经常通过空冷器前后的测压装置,检查其压差值。

(4)主机问题。主机单缸不发火或主机各缸负荷不均也可以引起主机增压器喘振。于是在航行期间我们定时对主机测量各主要参数,压缩压力、爆炸压力、排烟温度,均无异常,尚不能判断喘振是由主机方面的原因引起。

在采取了针对上述可能引发主机增压器喘振的原因的纠正措施后,主机增压器喘振的状况有所改善,但是在船舶突然大幅度转向的情况下,仍然会出现主机增压器喘振的现象。我们经过一段时间的分析判断造成主机增压器喘振的根本原因应该还是在柴油机本身。

4 本轮涡轮增压器喘振的原因判定[4]

考虑到本轮为一艘三十年的老旧船,涡轮增压器与柴油机匹配已经失去了原先的最佳匹配。在高压油泵没有解体前,在船舶正常航行时个别缸因为高压油泵供油效果差,但是由于管理人员为了保证该缸的热负荷和机械负荷与其他缸基本一致,人为加大了该缸的单缸油门,在正常情况下由于该主机各缸的热负荷(排烟温度)和机械负荷(爆炸压力)基本一致,处于暂时的平衡状态,一旦船舶大幅度转向,船舶的阻力发生突然变化导致主机负荷变化时,就会打破这种短暂的平衡状态(各缸供油不均衡)。导致涡轮增压器与柴油机匹配已经失去了原先的平衡。

为了判定增压器喘振原因我们采取了以下措施[5]:

(1)检查主机各缸供油提前角,发现各缸供油提前角基本符合说明书的要求。

(2)对主机的各工作参数进一步测量,见表1。

表1 柴油机正常航行时的主要参数(主机转速105rpm,额定转速120rpm)

(3)数据分析。通过对主机测量的主要参数看,各缸参数基本平均,只有1缸单缸油门(42)比其他缸高出较多,最低缸5缸(32)相差16格。

(4)主机高压油泵维护。利用合适时间安排轮机人员对主机1缸和4缸高压油泵解体,换新偶件。

(5)对高压油泵维护后再次对相关参数进行了参数测量,具体数据如表2。

表2 高压油泵解体维护后柴油机正常航行时的主要参数(主机转速105rpm,额定转速120rpm)

高压油泵换新后通过调整各缸油门格,各缸负荷,排烟温度、压缩力、爆炸压力基本相差不大。在航行中船舶再次大幅度的转向时,主机增压器喘振的现象基本消失。

5 结 语

本轮涡轮增压器喘振原因在于主机个别缸发功不均,通过观察可发现个别缸温度偏低,故应该从高压油泵、缸套磨损、活塞环等方面去找原因和采取相应措施,不能为平衡各缸温度而简单采取加大单缸油门的办法[6]。片面调整油门来寻求解决涡轮增压器喘振难以从根本上去解决问题。

为避免再次发生涡轮增压器喘振,建议如下[7]:(1)按时清洗增压器滤网,按运行时间计算一般主机增压器滤网工作500-750h清洗一次;及时对增压器消音器的清洗保养;(2)按时给废气锅炉吹灰和内部烟道打开清洗,航行期间每天对废气锅炉吹灰,每航次到港就对废气锅炉内部烟道打开清洗;(3)按时对空冷器进行清洗;(4)按时对主机扫气口清洁、扫气箱清洁、排气阀清洁、更换;(5)压气端水洗、蜗轮端水洗,按时对增压器油更新。

1 陆家祥.柴油机涡轮增压技术[M].北京:机械工业出版社,1999.

2 黄少竹.船舶柴油机故障分析及诊断技术[M].大连:大连海事大学出版社,2005.

3 李文华,范赢,涡轮增压器防喘振系统设计研究[J].内燃机,2008 VOL.05,11-13.

4 夏治发,刘 超,蒋祖星.MAK8M435C型主机增压器喘振及故障排除过程[J].航海技术,2002 VOL.(3)48-49.

5 杜天玉,黄加亮,蔡振雄,董自虎 VTR 564D-32型废气涡轮增压器喘振及故障排除[J].中国修船,2008 VO L.21 NO.1,17-20.

6 李 锋柴油机涡轮增压器喘振的理论分析及故障排除[J].润滑与密封,2001,VOL.06,65-66.

7 肖 航 浅析柴油机涡轮增压器的使用与维护[J].柳钢科技,2009 VOL.2 51-52