船舶主机增压器喘振故障原因及排除

船舶主机增压器喘振故障原因及排除摘要:现代船舶主机几乎全部采用废气涡轮增压技术来提高柴油机功率,而喘振是船舶主机增压器的常见故障之一,文章通过介绍一起主机增压器喘振故障的排除过程,从理论上分析了增压器喘振的原因,并对其日常维护管理提出了建议。关键词:增压器;喘振;管理;船舶中图分类号:U672.2文献标识码:C文章编号:1001-8328(2006)01-0017-04Abstract:Panttingoscillationisoneoftheusualfaultsonsuperchargerofmarinemainengine.Andthepowerofthedieselengineisalwaysraisedbysuperchargingtechniquefromwastesteamturbine.Thispaperanalysesthecauseforpanttingoscillationontheoryandgivesviewondailymaintenancethroughremovingsuchafault.Keywords:supercharger;panttingoscillation;management;ship1概述增压是提高柴油机功率的主要途径,柴油机功率随增压压力的增加成比例地增加。现代船用柴油机几乎全部采用废气涡轮增压,由于利用废气能量,不仅柴油机工作过程得到改善,燃油消耗下降,经济性提高,排放也得到改善,因此,采用废气涡轮增压技术后,柴油机的性能得到了全面的、大幅度的提高。某集装箱班轮航行于中、日、韩间,1996年韩国建造,主机型号MANB&W6L35MC,功率3352kW(4560HP),额定转速206r/min,目前常用转速185r/min左右;采用定压废气涡轮增压,1台增压器,另有两台辅助鼓风机,增压器型号ABBV342,正常航行时增压器转速一般在18000～19000r/min之间,增压空气压力在1.8MPa左右。该轮从国内某港开航后主机逐渐加速,当加至140r/min左右,辅助鼓风机自动停止后,增压器压气机出现喘振,同时伴随增压器转速降低,增压空气压力降低,主机排烟温度升高。最后只得强制启动辅助鼓风机,主机维持低速航行,不但严重影响了船期,而且还对船舶的航行安全构成了威胁。2喘振原因分析压气机与涡轮机同轴相连,构成涡轮增压器。涡轮机在排气能量的推动下,带动压气机工作,实现进气的增压。2.1离心式压气机的工作原理废气涡轮增压器的压气机采用单级离心式压气机,其工作原理如图1所示。它由进气道、压气机叶轮、扩压器和排气涡轮组成。压气机工作时,空气经滤器和消音器后沿进气道轴向进入压气机叶轮,进气道是渐缩流道,在进气道中,压力、温度略有降低,流速提高,空气被吸进压气机叶轮。叶轮旋转时,空气因离心力作用而被抛向叶轮四周,加上叶片之间的流道从进口到出口是收缩的,因此空气一边被抛出叶轮,一边被压缩,使空气流速、温度、压力都升高,其中流速提高很多,这是由于叶轮对气体作功,把叶轮的机械能变成气体的动能和压力能。气体被压缩时也提高了温度。空气流经扩压器时由于扩压作用将空气的动能转换成压力能和热能,流速降低,压力和温度升高。排气蜗壳中的通道也是渐扩的,因而空气流过时继续将动能转换成压力能和热能。压气机中的损失,主要有空气流动损失(取决于流速和流道阻力),叶轮轮盘的摩擦鼓风损失(取决于空气流量),轴承摩擦损失和空气撞击损失等。2.2离心式压气机喘振机理在运转过程中,如果压气机处于严重的不稳定状态,空气流量忽大忽小,压力值剧烈波动,甚至出现气体倒流,同时伴随着压气机叶轮产生剧烈振动,并发出沉重的喘息声或吼叫声,这种现象称为压气机的喘振。发生喘振会使压气机打不出气来,若不迅速排除,严重时会造成压气机的损坏。喘振是离心式压气机的固有现象,它与离心式压气机的特性有关。离心式压气机在各种不同的工况下工作时,它的各主要参数会随之变化。在不同转速下压气机的排出压力P和效率η随空气流量Q的变化规律,称为离心式压气机的特性。如图2所示,横坐标表示空气流量,纵坐标表示排出压力,图中1、2、3、4为等转速线,表示在不变转速下,排出压力和效率随流量变化的规律。从图中可以看出转速越高,这种曲线位置越高,但曲线的变化特性相似。曲线D为等效率线,等效率线近似椭圆型,越靠里边效率越高,曲线A为最高效率线。压气机在每一转速的某一流量时有一个最高效率,偏离这个流量,效率就会降低,将各种转速下的最高效率点连接起来即为最高效率曲线A。当压气机的流量减少到一定限度时,压气机的工作便开始变得极不稳定,流过压气机的正常气流遭到破坏,而发生不正常的气喘和振动,亦即喘振。把不同转速下的喘振点连接起来就形成喘振线B。喘振线B的左方为喘振区,右方为稳定工作区,压气机不允许在喘振区工作。当离心式压气机被作为增压器与柴油机配合工作时,增压器(或包括辅助扫气泵)的供气量和压力应满足柴油机的要求。此时压气机在柴油机各种负荷下的排气压力———流量变化曲线称为增压器的工作特性曲线或配合工作特性曲线,如图2中C线所示。因最高效率线A靠近喘振线B,为避免过早地发生喘振,所以C线并不选在A线上,而是把C线适当地右移。在这个工作线上运行时,压气机的效率虽有所降低,但这种效率上的损失换来了压气机的良好运转特性。压气机喘振的机理是当流量小于设计值很多时,在叶轮进口和扩压器叶片内产生强烈的气流分离造成的。图3为压气机流量变化时空气在叶轮前缘的流动情况。图中u1为叶轮剖分处的圆周速度,c1为空气进入压气机前缘时的绝对速度,w1表示气流进入压气机叶片时相对速度。流量Q=c×S,S为通流面积。当S不变时,Q与c成正比。当转速不变时,在设计流量下,如图3(a)所示,气流平顺地流进压气机叶轮,气流与叶轮叶片既不发生撞击,也不产生分离。当流量大于设计流量时如图3(b)所示,气流冲击叶轮进口端叶片的凸面,与叶片的凹面发生气流分离现象。但由于叶片向前转动,其凹面压向气流,使分离现象减弱,因而除了压气机效率降低外,不会在压气机中产生较大的气流分离现象。当流量小于设计流量时,如图3(c)所示,气流冲击叶轮前缘叶片的凹面,而在叶片的凸面发生气流分离现象,由于叶片向前转动进一步扩大了这种分离现象,导致进入压气机的气流严重撞击叶片的凹面,而在凸面产生气流的旋涡和分离。在扩压器中,如图4(c)所示,气流冲向叶片的凸面,与叶片的凹面发生分离,扩压器中气流的圆周向流动也使气流离开气流分离区,从而加剧了气流分离的扩展趋势。这种扩展使流道变窄,气流流动受阻,导致扩压器前空气堆积,压力升高,而排出压力下降,流量减少。当扩压器前后压差达到一定值时,旋涡阻力被冲破,大量堆积的空气得以排出,但却引起了增压器强烈振动,使排出压力和流量大幅度波动。由于流量过小这一根本原因未改变,在扩压器叶片中又出现气流分离现象,周而复始,形成了压气机的喘振。2.3压气机喘振原因导致压气机喘振的根本原因就是小流量,高背压。根据公式Q=c×S,空气进入压气机的速度降低,或增压系统流道堵塞,都会引起流量的减少。而柴油机用气量减少,增压器转速高,或压气机后的气流通道堵塞,则会使压气机背压升高。由于设计时已将压气机与柴油机的配合工作特性线选择在远离喘振线,故正常情况下不会发生喘振。但是当工作情况发生变化后,压气机配合工作特性线会发生移动,若部分或全部进入喘振区,则会发生喘振。(1)气流通道堵塞。增压系统流道堵塞是引起增压器喘振最常见的原因。柴油机运行时,增压系统的气体流动路线是:压气机进口滤器和消音器→压气机叶轮→压气机扩压器→空气冷却器→扫气箱→柴油机扫气口→排气口(阀)→排气管→废气涡轮喷嘴环→废气涡轮叶轮→废气锅炉→烟囱。其中各组成部分的流通面积都是固定的。若上述流动路线中任一环节发生堵塞,如脏污、结碳、变形等,都会因流阻增大使压气机背压升高,流量减少,引起喘振。其中容易脏污的部件是压气机进口滤器、压气机叶轮和扩压器、空气冷却器、柴油机扫气口和排气口(阀)、废气涡轮喷嘴环、废气涡轮叶轮。(2)柴油机在低转速高负荷下运行。当柴油机发生故障或船舶满载、顶风、污底使外负荷增大时,柴油机转速下降,此时调速器自动增加供油量,使柴油机在低转速、高负荷下运行。由于供油量增多,废气能量增大,必然导致增压器转速提高,压气机排气量和排出压力升高。而此时柴油机转速低,耗气量少,使增压器供气与柴油机耗气之间的供需平衡被打破。压气机背压升高,流量减少,从而引起喘振。(3)运行中的暂时失配。在变负荷运行时,若操作不当,或风浪天航行发生飞车时,可能使增压器与柴油机之间的供需平衡被暂时打破而发生喘振。由于柴油机运动部件质量大,当供油量增加时转速上升慢,供油量减少时转速下降快;增压器转子质量小,当废气能量加大时转速上升快,废气能量减少时转速下降慢。如在柴油机高转速下大幅度降速,或低转速下大幅度增速,或风浪天航行发生飞车时,都会引起压气机背压升高、流量减少而发生喘振。(4)环境温度的变化。在低温航区匹配的不带空冷器的增压柴油机航行于高温海域时,或在高温航区匹配的带空冷器的增压柴油机航行于低温海域时,由于两者的匹配关系发生变化,运行点容易靠近喘振区,引起喘振。3故障排除过程通过综合分析,引起本轮增压器喘振的最大可能的原因是增压系统流道堵塞。因压气机进口滤网开航前刚刚清洗过,压气机航行中每两天冲洗一次,所以主机降速后先水洗废气涡轮,然后对废气锅炉蒸汽吹灰,但喘振现象并未消除。维持到港后又对空气冷却器进行了清洗,开航后情况亦未改善。于是回国后对增压器进行了解体检修,发现废气涡轮喷嘴环叶片上结了一层厚约3mm的淡黄色的硬垢。清除污垢后,增压器喘振现象消失,机器恢复正常。由此判断本机增压器喘振是由于涡轮喷嘴环叶片处结垢,通流面积减小,流阻增大,使压气机流量减小,背压升高而引起的。4增压器日常管理注意事项(1)硬垢的断面呈淡黄色,说明含有硫化物。重油中含有硫分,燃烧时产生的硫氧化物除低温腐蚀,污染大气外,还能加速碳氢化合物聚合而结碳,而且此结碳较硬,不易清除。废气涡轮喷嘴环叶片上的硬垢就是由于此种原因形成的。本轮启停主机时不换轻油,而一直使用重油,且由于航线短,有时一天要靠离两个码头,在日本内海经常需要变速航行,因此主机负荷变化大,低负荷运行时间较长,燃烧状况不好,更加剧了结碳的形成。根据实际情况,建议适当缩减增压器的拆检周期。(2)根据说明书要求定期拆检主机排气阀,校验喷油器,定期吊缸,保证主机雾化燃烧良好,各部件工作正常。另外,操作主机时加速、减速不可过快过猛,大风浪天航行时应适当减小油门。(3)定期清洁增压器压气机进气滤器。航行中定期冲洗增压器压气机端、废气涡轮端;定期对废气锅炉进行吹灰;根据实际情况冲洗空气冷却器,经验表明,常温下空冷器清洁剂的清洗效果较差,若将清洗液加温至50～60℃,清洗效率将大大增加。空冷器上有“U”型压差计,航行中应注意其进出口压差,并与试航报告中的数值相比较,以掌握其脏污程度,决定是否冲洗。当压差超过1961Pa(200mm水柱)时,表明空冷器已严重脏污,需解体清洁。喘振是增压器压气机的固有现象,但如果我们在日常工作中正确操作,加强管理,就可以防止和消除它。参考文献[1]葛鸿翔.船舶柴油机[M].科学出版社,1996.[2]孙培廷.船舶柴油机[M].大连海事大学出版社,2002.[3]赵宗雄.船舶柴油机[M].大连海事大学出版社,2001.[4]轮机工程手册[M].人民交通出版社,1993.