船用柴油機廢氣渦輪增壓器喘振修理分析及維護建議

付鎮

摘要：廢氣渦輪增壓器是增壓系統重要組成部分，因其在提高柴油機功率和經濟性能等方面性能突出，所以目前船用主機和副機絕大部分采用增壓柴油機。廢氣渦輪增壓器好壞直接影響著柴油機的性能及可靠性。作為增壓器故障之一的增壓器喘振直接影響著柴油機的整體性能。本文以某船增壓器喘振為切入點，分析增壓器喘振的成因、故障判斷、解決方法，以及維護管理建議。

Abstract： Exhaust gas turbocharger is an important part of the supercharging system. Because of its outstanding performance in improving the power and economic performance of diesel engine， most marine main engine and auxiliary engine use supercharged diesel engine. The quality of exhaust turbocharger directly affects the performance and reliability of diesel engine. As one of turbocharger faults， turbocharger surge directly affects the overall performance of diesel engine. This paper analyzes the causes， fault judgment， solutions and maintenance management suggestions of supercharger surge.

關鍵詞：增壓器;喘振;成因;維護管理

Key words： supercharger;surge;origin;maintenance management

中圖分類號：U664.121.1?????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0125-03

0? 引言

近年來，隨著船舶使用頻率及負載量逐年增大，柴油機的故障率也隨之增加，在故障清單中廢氣渦輪增壓器（以下簡稱增壓器）故障頻率也在逐漸增加，其中增壓器喘振故障比較頻發。喘振故障一旦出現可能帶來增壓器軸承損壞、壓氣機葉輪損壞、柴油機工作粗暴等危害，當喘振故障不能排除時，柴油機只能降功率使用或停止使用，影響船舶航行及安全。

1? 典型案例

1.1 案例一

某船發電柴油機型號8L23/30A四沖程柴油機，直列8缸，缸徑為225mm，行程為270mm，額定功率為1280kW，增壓器是由一個單級徑流式渦輪和一個單級徑流式壓氣機組成（如圖1所示）。本柴油機正常發電負荷為580kW，主吊車運轉時負荷為630kW。某日在主吊車運轉時，增壓器出現“酷哧酷哧”喘振聲，隨即停止主吊車，喘振消失。隨后反復試驗，只要啟動主吊車就會出現喘振現象。

針對負荷增加出現喘振現象分析，首先可能的原因是負荷增加，進氣量不足或進氣壓力偏低導致，其次負荷增加，增壓器與柴油機間出現不匹配。針對分析的這兩種可能情況進行排查。進氣量不足或進氣壓力偏低的排查，①對進氣系統各部件進行檢查，進氣濾網、消音器、中冷器、增壓器的壓氣端無異常臟堵，排除此可能性;②對增壓器轉動檢查，沒有異常聲音、卡滯。對廢氣進口、噴嘴環、檢查，無異常臟堵現象，各部間隙在測量要求范圍內。但發現噴嘴環有輕微變形現象，拆卸后在平臺進行檢查，發現有3只噴嘴葉片與平臺間存在間隙，不能緊密貼合，其中一片最大間隙達到了0.6mm，分析可能是此間隙過大導致廢氣泄露使增壓器轉速降低，壓氣端吸氣量不足，壓力下降導致;對氣閥定時、噴油定時進行檢查，符合要求，對噴油器霧化情況檢查，霧化良好。對排查中存在問題的噴嘴環更換后，柴油機負荷加至630kW時，增壓器喘振現象消失，柴油機工作正常。

1.2 案例二

某船柴油機主機型號12V20/27，12缸，缸徑為200mm行程為270mm，額定功率為1200kW。在額定轉速1000r/min時，增壓壓力0.24MPa～0.29MPa;單缸爆發壓力≤10MPa;單缸排煙溫度≤530℃，單級、徑流式渦輪增壓器。某天修后航行試驗，加速至930r/min時，A列增壓器開始出現“空空空”斷續性喘振。主機轉速降至840r/min時，喘振現象消失。柴油機在930r/min工況時B列排氣溫度比A列排氣溫度低約30℃，其余參數正常。此型柴油機排氣系統路徑是交叉式，主要是A列各缸排氣匯總后進入B列增壓器端，B列各缸排氣匯總后進入A列增壓器端，進氣系統路徑主要是A、B列增壓器增壓后匯總至中冷器，然后再至各缸進氣口。

針對A列增壓喘振現象進行分析，鑒于柴油機剛修理完畢，排除柴油機進氣系統各部件臟堵引起的進氣不足導致的增壓器喘振。重點檢查柴油機與增壓器匹配性及增壓器轉動靈活性。①增壓器靈活性檢查，將增壓器護罩及外殼進行拆卸，增壓器內部清潔良好，轉動平穩無卡滯;②柴油機與增壓器的匹配性檢查，對B列各缸的氣閥間隙、噴油定時檢查均符合要求，高壓油泵拆解未發現異常，針對B列排氣溫度低問題，提高了高壓油泵的供油量。再次出海試驗，主機轉速加速至930r/min時，A列增壓器未出現喘振現象。

從以上兩個案例可以看出引起增壓器喘振的原因很多，排除往往是一一排查，故障點準確判斷比較困難。為更好修理維護增壓器，預防或排除增壓器喘振故障，從增壓器發生喘振的機理和故障點入手進行分析判斷。

2? 喘振的表現及原理

增壓器喘振是其固有特性，是在進氣流量減少到一定程度時所發生的一種非正常工況下的振動，通常表現為壓氣機出現劇烈波動，并伴隨很大的吼叫聲。

增壓器產生喘振的原理較為復雜，當壓氣機處于低流量高背壓工作狀態時，進入壓氣機的空氣流向與壓氣機葉片入口之間產生沖角（如圖2、圖3所示），當這個角度擴大到一定程度時，進氣流與壓氣機葉片之間就會有較嚴重的氣流分離，該氣流以周期性強烈的脈沖形式表現出來，氣流壓力、速度和流量等均發生急劇變化，在其外部變現就是增壓器不斷發出振動和吼叫聲。

3? 喘振的成因

增壓器喘振從修理角度出發增壓器喘振按其發生機理可分為氣體通道阻塞[1]引起的喘振、增壓器或柴油機故障引起的喘振、增壓器和柴油機不匹配引起的喘振等。

3.1 氣體通道阻塞引起的喘振

增壓器氣流通道的阻塞是喘振的主要原因，因為阻塞會導致流阻增大而使壓氣機流量減小，背壓升高。增壓系統的氣體流動路線：進氣濾器→壓氣端→中冷器→進氣管→進氣閥→燃燒室→排氣閥→排氣管→廢氣端→煙囪。他們的流通面積都是固定的，任何部位發生堵塞、變形。都有可能因流動阻力增大而使壓氣機背壓升高、流量減少引起喘振。

例如中冷器臟污，氣缸內進氣不暢無法完全燃燒，造成后燃排溫升高，致使轉速升高、壓氣機吸氣量也增加，而增加的空氣不能全部進入氣缸，因此就產生了喘振;噴嘴環積碳，廢氣經過噴嘴環時流速會加大，促使增壓器轉速上升，導致壓氣機進氣量增大，多余的空氣堵在進氣口產生氣流擾動，也會引起喘振;柴油機長時間運行，進氣濾器、噴嘴環、葉輪等部件都可能出現臟堵，柴油機的氣閥上產生積碳，都會造成增壓系統流道堵塞，從而產生喘振。

3.2 增壓器或柴油機故障引起的喘振

3.2.1 增壓器故障

壓氣機葉輪變形或損壞，會使增壓能力減弱，引起效率下降，可能會導致流經壓氣機的空氣流量減小，從而引起喘振。噴嘴環變形，可能會使廢氣流速增高，增壓器轉速上升，壓氣機進氣流量增大，使部分空氣堵在壓氣端入口，從而引起喘振。

3.2.2 柴油機故障

柴油機由于各缸負荷不均勻，噴油提前角提前或滯后，氣閥密性不良，噴油器霧化不良等問題引起燃燒狀態變差，排溫較高，排出的廢氣能量增加，從而使增壓器轉速升高，造成壓氣端的吸氣量大于出氣量就會發生喘振。

3.3 增壓器和柴油機失配引起的喘振

增壓器與柴油機在各工況下是相互匹配工作的[2]（如圖4所示），例如當柴油機卸負載時，供油量突然減少，氣缸內所需空氣量急劇減少，而增壓器轉子的轉速由于慣性等因素卻一時無法同步下降，使增壓器壓氣端吸氣量與氣缸所需相對過多，使多余的空氣堵塞在壓氣端進口處而發生喘振;柴油機載荷波動較大或者過載時，柴油機燃燒狀態變差，排氣溫度升高，排氣總管的廢氣能量增加，使增壓器轉子的轉速升高，造成壓氣機的吸氣量大于出氣量而發生喘振。

4? 喘振的故障判斷

結合修理判斷當增壓器發生喘振時一般先檢查柴油機排氣溫度、增壓壓力和增壓器轉速，從而判斷引起喘振的原因是增壓系統流道堵塞還是柴油機故障。

4.1 流道堵塞

如果柴油機排氣溫度、增壓壓力和增壓器轉速均正常，喘振可能是增壓系統流道堵塞引起的。這時就要檢查增壓系統流道是否通暢，主要檢查進氣濾器和中冷器等部件，清潔臟堵部件;檢查噴嘴環和葉輪葉片，清洗噴嘴環、葉輪[1];檢查壓氣機葉輪和擴壓器，清洗葉輪和擴壓器，對損壞件進行修復或更換。

4.2 柴油機故障

柴油機在運轉過程中，如果排氣溫度過高和增壓壓力過高、增壓器轉速過快等，這些故障引起增壓器喘振的可能性很大。針對這些故障現象主要檢查進、排氣閥，確保氣閥無泄漏;檢查燃燒狀況，噴油提前角、噴油器霧化情況、高壓油泵噴油量，以確保燃燒良好。

5? 維護管理

增壓器喘振的危害性很大，為使增壓器處于良好的工作狀態，保證柴油機正常運轉，我們平時在修理和維護過程中要重視，預防增壓器發生喘振現象。

5.1 修理維護

增壓器首先拆檢前，必須閱讀領會說明書的相關要求，清楚拆裝工藝、步驟。其次，按技術要求解體增壓器，清潔好各部件，尤其是的噴嘴、葉片和壓氣機的葉輪和擴壓器[3]。對增壓器上各油孔、氣孔疏通清潔。各相關部件的清潔是保證裝配后增壓器高效運轉的關鍵。再次，關于修換件。仔細檢查各部件，尤其是噴嘴、葉片組，以便及時發現隱患，采取相應防范措施，這也是避免檢修后發生故障的防范。對于軸承應嚴格遵循說明書及銘牌上所推薦的使用時間，及時予以換新。最后，增壓器裝配，按照技術要求逐步進行安裝，并且逐步進行檢查測量，滿足要求后進行下一步工序。對于某些型號的增壓器裝配時要保證K、L、M值符合規范[1]，所以裝配時必須清楚K、L、M、K1、K2的概念、測量方法及調整方法。這里K值是指轉子在自由狀態下，壓氣端轉子端面與蓋板特定端面之間的垂直距離S，這個值在壓氣機蓋板內側一般均有標識，一般實測方法是在上緊兩端軸承緊固螺絲后再松開螺絲，測量此距離S，即為K值;K1、K2是指轉子在壓氣端和端兩個極端位置時距離S，L=K-K1[1]，M=K2-K[1]，所以L、M值實際就是轉子在自由狀態下壓氣機工作輪與兩側殼體間的最小間隙，它兼顧了轉子工作所需的膨脹空間。增壓器安裝完畢后，應無異常聲音、卡滯，將增壓器防護好等待安裝。

5.2 使用保養

①按照說明書要求正確保養柴油機，按時檢查和調整氣閥間隙，防止氣閥間隙過大或過小，導致氣閥關閉不嚴，出現燒蝕等情況。②監控柴油機的燃油霧化情況，加強噴油器保養，避免柴油機在高負荷運行時各缸負荷不均勻。③按照說明書要求定期清洗增壓器側、壓氣側、進氣濾網及中冷器等，保證氣道順暢。④防止柴油機負荷突加和突降。⑤加強柴油機各項參數監控，發現問題應及時查明原因解決問題。

參考文獻：

[1]程東，朱新河，嚴志軍.輪機維護與檢修[M].大連：大連海事大學出版社，2017.

[2]蔣德明內燃機的渦輪增壓[M].北京機械工業出版社，1986.

[3]滿一新.船機維修技術[M].大連大連海事大學出版社，1998.