基于故障树法的船舶柴油机顺序增压系统故障诊断

安伯瑞

摘要：顺序增压技术可以扩大柴油机功率运行范围、提高低工况经济性以及降低柴油机有害排放，是改善柴油机低工况性能的重要方法。文章分析了船舶柴油机顺序增压系统的工作原理，针对柴油机顺序增压系统的喘振故障特点，采用故障树方法，建立了柴油机顺序增压系统的喘振故障树，可为船舶柴油机顺序增压系统的实际管理和故障排查提供参考。

关键词：船舶;柴油机;顺序增压系统;故障树

0  引言

柴油机与增压器之间的匹配优化是提高柴油机功率的一个主要限制因素，顺序增压系统是一种解决高功率密度柴油机与涡轮增压器匹配时出现高低工况难以兼顾问题的增压系统，通过不同涡轮增压器的切换，在不同工况下均可保持较高的效率，同时其结构和控制相对简单，使得其在船舶柴油机上得到广泛应用。顺序增压系统结构更复杂和零部件更加智能化、精密化，如若出现故障，通常是凭经验和拆检来查找故障，其拆检、诊断、安装更为复杂，精密的零部件也更容易损坏，找到故障的准确位置也变得更加困难。如果在故障未发生之前，通过测量得到系统的一些征兆数据，然后利用现代信息处理科学等故障诊断理论进行仔细诊断，提前预判柴油机顺序增压系统有可能发生的故障，然后根据诊断情况采用针对性的维修和预防措施，能够有效保障柴油机顺序增压系统的持续工作。本文以船舶顺序增压系统的喘振故障为例，采用故障树方法，建立了顺序增压系统的喘振故障树，对实际工作具有参考意义。

1  柴油机顺序增压系统

对于顺序增压系统工作原理，如图1所示，压气机C和涡轮T组成增压器，分别为基本增压器和受控增压器，在顺序增压系统中两套增压器是并联的，为了实现在柴油机在高工况时两台增压器同时工作，以及在柴油机低负荷工况下能够切断一台涡轮增压器工作，应在切断的一台增压器的压气机和涡轮进口前分别设置一个进气控制阀（也称作空气阀）和一个排气控制阀（也称作燃气阀），用来控制加入或切断涡轮增压器运行，当柴油机转速或负荷低于某一个设定值时，切断一台或多台增压器涡轮的废气以及压气机的空气供给，使废气集中全部流给工作着的增压器涡轮，如图1（a）所示，对于低速工况，基本增压器工作，受控增压器停止工作，提高了涡轮效率;当柴油机转速或柴油机负荷高于某一设定值时，被切断停止运行的涡轮增压器又重新投入使用，如图1（b）所示，对于高速工况，基本增压器和受控增压器全部工作，使柴油机在高工况时运行性能得到保证，这样就能够充分利用废气能量，大大提高增压压力，从而改善发动机在低工况运行时的排放性能、动力性及经济性[1]。

2  柴油机顺序增压系统喘振

顺序增压系统虽然能够较好的匹配柴油机各个工况，但是仍然会产生喘振故障，喘振故障作为涡轮增压器最为典型的故障现象，其故障特征表现为涡轮增压器压气机端会出现剧烈的气流波动，同时会有“吼叫声”发出[2]。增压器产生喘振的原因较为复杂，对于常规的涡轮增压器，由于增压器转子转速不能很快地随着柴油机转速的下降而下降，使得涡轮增压器的压气机端处于“低流量、高背压”工况，会使得空气进入涡轮增压器压气机端的气流方向与压气机的叶片入口之间出现冲角，造成柴油机在低负荷运行下增压器发生喘振。虽然顺序增压系统能够在低负荷下有效运行，但是顺序增压系统切换过程中也是容易发生喘振的。对于顺序增压系统，根据柴油机的转速和工作负荷，设置不同涡轮增压器投入工作或切断工作切换点，该切换点的合理设置将决定柴油机与顺序增压系统之间的良好匹配效果。柴油机1TC（单增压器）和2TC（双增压器）的切换点就是工作状态相互切换时的运行工况点。

選择一个合适的切换点是顺序增压系统工作良好的标志，不同的切换点将影响顺序增压柴油机在各高负荷工况、低负荷工况的输出功率效率、燃油消耗率等。在柴油机转速变化负荷工况变化进行增压器切换时，空气阀必须迟于燃气阀打开，才能避免在切换过程中涡轮增压器的压气机端产生喘振故障。也就是说，当柴油机顺序增压系统由单增压器工作切换为双增压器工作时，如果切换延迟过小，将会导致受控增压器的压气机端气流导流，进而发生喘振故障;如果切换延迟过大，当空气阀打开后由于主增压器的压气机端气流流量过小，背压过大，将会导致基本增压器的压气机端发生喘振故障，与此同时，受控增压器由于压气机端零流量、转速过高也会发生喘振故障[3]。

3  基于故障树法的顺序增压系统喘振诊断

3.1 故障树方法

故障树方法在故障排查与诊断中广泛应用，其是一种特殊的树状逻辑图，用图形符号的方式表示系统故障发生的可能原因，主要由顶事件、中间事件以及底事件组成，它们之间用图形符号表示彼此之间的关系。对于顶事件，是指结果事件，为故障树所分析的目标;对于底事件，一般位于故障树的最底端，是指导致故障树其他事件发生原因的时间;对于中间事件，其是位于顶事件和底事件之间的中间结果事件[4]。

3.2 故障诊断

顺序增压系统的气流过程，如图2所示。除上述顺序增压系统增压器切换时间可能引起喘振故障之外，顺序增压系统的气流通道堵塞也会使涡轮增压器压气机喘振。在气流流动过程中，只要有其中一个流通环节发生阻塞，都会因为阻碍气流的流动而引生喘振。因此在对顺序增压系统进行维修保养时，应注意对上述气流方向涉及的通道进行清洁检查，特别是在空气滤清器、压气机叶轮、中冷器、柴油机气缸进气口与排气口、顺序增压系统的涡轮喷嘴环和涡轮端叶轮。其中，顺序增压系统中涡轮增压器涡轮端叶片的损坏以及增压器轴承的烧毁也是产生增压器喘振的重要原因。

根据上述分析建立顺序增压系统喘振故障树，如图3所示。从图3中可以明显的看出顺序增压系统喘振故障涉及的部件以及原因。

4  结束语

本文基于故障树方法，建立了包含进排气系统、轴承、转子、喷嘴以及切换时间等要素的顺序增压系统喘振故障树，可为船舶柴油机顺序增压系统保养、维修以及故障诊断提供参考。

参考文献：

[1]李胜达.柴油机多阶段及双压气机顺序增压系统仿真研究[D].上海交通大学，2012.

[2]曾宪民.船用柴油机故障分析及辅助诊断系统[D].大连理工大学，2013.

[3]邱晗.基于故障树和油液检测的柴油机的故障诊断与研究[D].大连海事大学，2010.

[4]石凡，王银燕，冯永明.船用高速柴油机多台增压器相继增压计算分析[J].船舶工程，2007（2）：24-28.