艦船廢氣渦輪增壓器喘振故障分析及排除

由于柴油機(jī)在經(jīng)濟(jì)性和機(jī)動(dòng)性等方面具有優(yōu)勢(shì)，目前柴油機(jī)作為艦船主動(dòng)力而被廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代艦船向高速化、大型化方向發(fā)展，對(duì)艦用柴油機(jī)在大功率方面提出了更高的要求。增壓是提高柴油機(jī)輸出功率的主要方法，艦用柴油機(jī)采用廢氣渦輪增壓器，使進(jìn)入汽缸的空氣壓力和密度增大，噴射的燃油量相應(yīng)增加，進(jìn)而達(dá)到提高功率的目的。廢氣渦輪增壓器喘振是艦用柴油機(jī)常見故障之影響柴油機(jī)的正常運(yùn)行和艦船的航行性能。一、廢氣渦輪增壓器喘振機(jī)理分析廢氣渦輪增壓器由壓氣機(jī)和廢氣渦輪同軸相連而組成,廢氣渦輪在柴油機(jī)排出的高溫和具有一定壓力的廢氣推動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng),通過轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，壓縮空氣，提高進(jìn)氣壓力。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定,壓氣機(jī)的進(jìn)氣流量減小時(shí)，造成流道中氣體的速度不均勻和出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，壓氣機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工作狀態(tài)，進(jìn)而出現(xiàn)空氣流量忽大忽小，壓力值波動(dòng)劇烈，伴隨著壓氣機(jī)的劇烈振動(dòng)，并發(fā)出吼叫聲或喘息聲，這種現(xiàn)象稱為壓氣機(jī)的喘振。喘振會(huì)加速壓氣機(jī)葉片等內(nèi)部零件的疲勞損傷并快速擴(kuò)展已有的裂紋，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)的損壞。當(dāng)壓氣機(jī)進(jìn)氣流量小于設(shè)計(jì)值很多的時(shí)候,在壓氣機(jī)葉片背面產(chǎn)生劇烈的氣流分離現(xiàn)象，進(jìn)而引起壓氣機(jī)喘振。圖1為進(jìn)氣流量變化時(shí)空氣在葉輪前緣的流動(dòng)情況，圖中c，代表進(jìn)人壓氣機(jī)前緣時(shí)空氣的絕對(duì)速度，u?代表葉輪的圓周速度，w?代表進(jìn)入壓氣機(jī)前緣時(shí)空氣的相對(duì)速度。當(dāng)進(jìn)氣流量等于設(shè)計(jì)值時(shí)，氣流平順的進(jìn)入葉片通道,不會(huì)與葉片發(fā)生撞擊，如圖1(a)所示;圖1進(jìn)氣流量變化時(shí)空氣在葉輪前緣的流動(dòng)情況當(dāng)進(jìn)氣流量大于設(shè)計(jì)值時(shí)，氣流撞擊葉背，在葉腹處發(fā)生氣流分離，但由于葉輪的旋轉(zhuǎn)，使葉片壓向分離的氣流，進(jìn)而使分離現(xiàn)象變?nèi)?，如圖1(b)所示;當(dāng)進(jìn)氣流量小于設(shè)計(jì)值時(shí)，氣流撞擊葉腹，在葉背處發(fā)生氣流分離，一方面由于氣流在葉背部分加速流動(dòng)，壓力降低，另一方面葉輪的旋轉(zhuǎn)使葉背處的氣流分離具有擴(kuò)大的趨勢(shì)，如圖1(c）所示，進(jìn)而堵塞通道,使氣流在葉片流道內(nèi)的流動(dòng)受阻，造成空氣在擴(kuò)壓器前堆積，壓力升高,而排出壓力降低，空氣流量變小。當(dāng)擴(kuò)壓器前后壓差增大到一定程度時(shí)，這種流道阻力被打破,堆積的大量空氣得以排出，引起增壓器強(qiáng)烈地振動(dòng)，使得空氣流量和排出壓力劇烈地波動(dòng)。但是因?yàn)榱髁孔冃]有得到改變，葉片流道中又會(huì)出現(xiàn)氣流分離，這種現(xiàn)象周而復(fù)始,形成壓氣機(jī)喘振。二、廢氣渦輪增壓器喘振原因分析壓氣機(jī)發(fā)生喘振的根本原因是進(jìn)氣流量過小或者背壓過高，根據(jù)喘振機(jī)理及柴油機(jī)實(shí)際工作狀況，建立喘振故障樹，如圖2所示。圖2喘振故障樹三、喘振故障實(shí)例分析1、故障實(shí)例11)故障現(xiàn)象及排除過程。大風(fēng)浪海況下，艦船搖晃角度較大，在此種情況下，廢氣渦輪增壓器在主機(jī)轉(zhuǎn)速為950r／min的工況下發(fā)生喘振，各缸排氣溫度比正常運(yùn)行時(shí)高15℃左右。喘振故障發(fā)生后首先降低主機(jī)轉(zhuǎn)速，降工況運(yùn)行后喘振偶有發(fā)生，打開機(jī)帶海水泵前加裝的放氣閥門，對(duì)海水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行放氣，放氣后，喘振現(xiàn)象消除。2)原因分析。大風(fēng)浪海況下，艦船橫搖角度較大，海底門進(jìn)入的海水夾雜著大量氣泡導(dǎo)致進(jìn)入主機(jī)空冷器的冷卻海水量減小，空冷器的冷卻能力降低,汽缸進(jìn)氣初溫升高，進(jìn)氣量減少，汽缸內(nèi)燃燒質(zhì)量變差，柴油機(jī)的排氣溫度升高,壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速、背壓升高,引起進(jìn)氣流量減小,壓氣機(jī)特性曲線中的運(yùn)行點(diǎn)與設(shè)計(jì)點(diǎn)發(fā)生偏離,由A點(diǎn)移向高處A'點(diǎn)，離喘振邊界線B更近，導(dǎo)致喘振裕度減小，易發(fā)生喘振，如圖3所示，曲線C為等效率線。圖3離心式壓氣機(jī)特性曲線2、故障實(shí)例21）故障現(xiàn)象及排除過程。海面風(fēng)浪較小的情況下，主機(jī)在840r/min的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,突然廢氣渦輪增壓器發(fā)生喘振;主機(jī)降速到600r/min，增壓器喘振現(xiàn)象消失;主機(jī)升速到730r/min，增壓器繼續(xù)發(fā)生喘振。首先認(rèn)為主機(jī)海水管路堵塞或海底門濾網(wǎng)臟堵引起海水量減小，主機(jī)停止工作后立即拆開海底門濾網(wǎng)和海水管路各法蘭接頭處進(jìn)行檢查，經(jīng)檢查確定海水系統(tǒng)管路無堵塞。再次啟動(dòng)柴油機(jī),當(dāng)主機(jī)由空車轉(zhuǎn)入進(jìn)一工況時(shí)，主機(jī)冒黑煙嚴(yán)重且振動(dòng)較大，轉(zhuǎn)入進(jìn)二工況時(shí),廢氣渦輪增壓器發(fā)生喘振。主機(jī)冒黑煙一方面因?yàn)槿紵怀浞郑环矫嬉驗(yàn)槌?fù)荷，考慮到艦船剛經(jīng)歷中修,各缸噴油器產(chǎn)生霧化不良現(xiàn)象的概率較小，且主機(jī)齒輪箱接排前工作狀態(tài)良好，而一接排就發(fā)生上述問題，則認(rèn)為主機(jī)超負(fù)荷的概率較大，于是懷疑船底螺旋槳是否絞纏漁網(wǎng)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)螺旋槳纏上一大塊漁網(wǎng)，割除漁網(wǎng)后，主機(jī)工作運(yùn)行正常，喘振現(xiàn)象消除。2）原因分析。圖4為柴油機(jī)和螺旋槳的配合關(guān)系示意圖。圖4柴油機(jī)和螺旋槳的配合關(guān)系示意圖曲線A為正常配合時(shí)的螺旋槳推進(jìn)特性線，曲線B為重載配合時(shí)螺旋槳的推進(jìn)特性線，C為柴油機(jī)特性曲線。螺旋槳絞纏漁網(wǎng)使得螺旋槳的推進(jìn)特性線由曲線A變?yōu)榍€B，柴油機(jī)在接排后負(fù)荷超載，如果要使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值，機(jī)一槳配合點(diǎn)由H點(diǎn)變?yōu)镠點(diǎn)，柴油機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，供油量增多，排出廢氣的能量變大，導(dǎo)致增壓器轉(zhuǎn)速升高，壓氣機(jī)的排氣量增多，排出壓力升高，即導(dǎo)致壓氣機(jī)背壓升高，引起進(jìn)氣流量減少，進(jìn)而引發(fā)喘振。四、結(jié)束語1）大風(fēng)浪海況下主機(jī)應(yīng)降速運(yùn)行，從而使廢氣渦輪增壓器的進(jìn)氣需求量減小，防止其因?qū)嶋H進(jìn)氣量比理論進(jìn)氣需求量小而引起喘振。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)海水冷卻系統(tǒng)的檢查，及時(shí)