关于船舶主机增压器喘振的探讨.doc

关于船舶主机增压器喘振的探讨前言现代船舶上已普遍采用增压的方式来提高柴油机的功率，所谓增压，就是用提高气缸进气压力的方法，使进入气缸的空气密度增加，从而可以增加喷入气缸的燃油量，以提高柴油机的平均指示压力，和柴油机的平均有效压力。通过使用废气涡轮增压器将柴油机所排放的废气通入增压器的涡轮端，废气中的能量通过涡轮机将其转变为动能，进而带动同轴的压气机转动，压气机将压缩空气，使进入扫气箱的空气密度增大压力升高。由于进气压力提高密度增加，进入气缸的进气量便增多，这样不仅可以是喷入汽缸的燃油得到更充分的燃烧还可以向汽缸喷入更多的燃油，从而可以大幅提高柴油机的功率。因此才用废弃涡轮增压器不仅可以提高柴油机的功率而且有提高了柴油机的经济性。废气涡轮增压器虽已得到广泛的应用，但由于日常管理不善，常常会出现一些故障，如扫气箱的进气压力异常升高或者降低，轴承的烧损尤其是增压器的喘振等常见故障。 1 增压器喘振故障现象 某日，天津港“某拖轮”轮正在对一艘马士基的远洋船舶拖靠港操作，不久右舷主机的增压器发生“哒 哒”异常响声和振动并逐渐强烈，即发生增压器发生喘振现象。随后右舷主机排烟温度发出高温报警。此拖轮是天津港比较先进马力比较大的全回转拖轮，担负着大型船舶靠离天津港的辅助工作。船上有两台八缸四冲程中速柴油机，船舶主机型号为yanmar 8n280-sv，每个主机功率为2207.00kw，转速为720r/min,每台主机配有一台涡轮增压器和一个辅助风机。2 废气涡轮增压器喘振机理及原因分析首先必须了解涡轮增压器喘振是发生在离心式压气机部分（包括压气机叶轮和扩压器部分）。现代增压普遍采用带后弯式叶片的压气机及机翼型叶片扩压器。2.1 喘振机理 所谓喘振是指流体机械及其导管系统在特定的周期内排出压力和排量发生变化时流体和固体相互作用，而引起一种自激振动。涡轮增压器喘振是当压气机的气体流量减到一定值后，气体进入工作叶轮和扩压器偏离了设计工况，造成气流从叶片和扩压器上强烈的分离，同时产生强烈的脉动，且有气体倒流，引起压气机不能稳定工作，导致压气机振动和异常声响。喘振是压气机固有的特性 。2.2增压器喘振的原因分析产生喘振的原因是当流量小于设计值很多或压气机转速高于设计值太多时，在叶轮进口和扩压器叶片内产生的气流分离现象。如图1为压气机流量变化时，空气在前缘的变化情况。图中u1为叶轮剖分出的圆周速度c1a表示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的相对速度，空气流量q=c1as,(其中s为通流面积)，当s不变时，q与 c1a是成正比的关系。 图1（a）流量为设计流量 图1（b）流量为大于设计流量 图1（c）流量为大于设计流量如图1（a）所示当转速不变时在设计流量下，气流平顺的进入压气机叶轮，气流与叶片即不发生撞击也不产生分离。当流量大于设计流量时，如图1（b）所示由q=c1as可知q # s不变，则c1a#。气流冲击叶轮进口端叶片的凸面，与叶片的凹面发生分离现象，但由于叶片是向前转动的，使凹面的转动压向气流，使分离现象减弱，气流分离区受到限制，故而不会随气体流量的增加而发生喘振现象。但由于气流的撞击和分离会使摩擦损失等增加，而使效率下降。当流量小于设计流量时，由q=c1as可知q减小，s不变，则c1a减小。如图1（c）所示气流在叶轮的叶片前缘冲向叶片的凹面，而与叶片的凸面发生气流分离，同时又由于叶轮叶片是向前转动的，有离开气流区的趋势，进一步扩大了这种现象，随着气流进一步的减小，气流分离区愈来愈大，以至于在叶轮及后级的扩压器中造成气体堵塞甚至倒流，压气机停止向外正常供气，直到后续的进气的挤压，压力重新升高使倒充消失，出现继续进气现象，发生了周期性不稳定流动，最终导致喘振的产生。 图2（a）流量为设计流量 图2（b）流量为大于设计流量 图2（c）流量为大于设计流量在扩压器中，当流量小于设计流量的工况情况下，如图2(c)气流会冲击扩压器叶片的凸面，与叶片的凹面发生分离现象。，在扩压器中气流的圆周方向流动也使气流离开气流分离区，从而进一步加剧了气流分离的扩大趋势。这种趋势发展的结果使流道变窄，气流的流动进一步受阻，导致扩压器前的压力升高，排出压力下降，流量减少，当扩压器前后的压差达到一定程度时，旋涡阻力被冲破，使大量的空气排出，但此时增压器会出现强烈的振动，使流量和排压大幅度的波动，即发生喘振。当流量大于设计流量时与上述相反不会发生喘振现象如图2（b）。一般扩压器叶片内气流分离的扩展的压气机发生喘振主要的原因，而叶轮进口处气流分离的扩展会使喘振加剧。 当压气机的流量s不变而增压器的转速过大时，六经压气机的气流也会在叶轮叶片的凹面发生分离而在叶片的凸面发生气流分离，导致增压器喘振的发生3 导致涡轮增压器喘振的具体因素31 增压器系统阻力增加柴油机运行时气体的流动的路线为：进气滤网及消音器压气机叶轮压气机扩压器空气冷却器扫气箱或进气管气缸（包括燃烧室进排气阀或口）排气管废气涡轮喷嘴环废气涡轮叶轮废气锅炉或废气烟囱。在上述中个组成部分的通流面积都是固定的，只有各缸的进排气口或阀是按一定的发火顺序轮流开关的，但无论什么时刻至少有一 .二气缸的进排气口或阀是相同通的。压气机经过滤网从大气中吸入空气，把从废气涡轮得到的机械功加给吸入的空气使其压力升高，向气缸提供燃油燃烧所需的空气，燃烧后废气通过涡轮将废气中部分的废热能和压力能传递给涡轮，之后排出。气流流过每一环节都不可避免的产生阻力损失，压力都有所下降，这是正常的，但是上述的流动的路线中任一环节，如由于积垢，脏污或是其它阻塞因素导致阻力增加，压气机的负荷就会增大，流量减少，背压升高，从而引起喘振。其中最容易脏污的部件是进气滤网，压气机叶轮和扩压器，空气冷却器，气缸进口或是排气口和涡轮喷嘴环、叶轮、流道等，具体分析如下：3.1.1 压气机的进口滤网很脏或是消音器的羊毛毡松脱压气机的进口滤网很脏或是消音器的羊毛毡松脱,使进气空气阻力增加，进入压气机的空气流量减少，进而导致进入扫气箱的空气量减少，气缸中的燃油不能完全燃烧，柴油机的排烟温度升高，增压器的转速升高容易引起喘振。通常我们可以对滤网进行清洗，或是更换新滤网。如是消音器的羊毛毡松脱的问题只需对羊毛毡重新铆好或是换新即可消除故障。3.1.2 压气机叶轮和、或扩压器积垢严重增压器工作一段时间后，工作叶轮以及扩压器上的叶片常会积累一些污垢，厚度可达0.5-1.5mm，如果不及时清楚掉，那么在同样的转速下，压气机的效率和压缩比都会降低。一是因为严重积垢后使进气流量减少；二是因效率下降使压缩比下降而影响压气机的流量特性，使运行线向靠近喘振区方向移动,使工作点进入喘振区,因此积垢严重，会导致增压器的喘振。在每次涡轮增压器常规检修后必须要做好运行当中对涡轮和压气机清洗工作，在平时轮机员对增压器的运行中的管理中也要及时的对其清洗工作。3.1.3 空气冷却器发生脏污或是堵塞空气冷却器发生脏污或是堵塞，空气的流动阻力加大，导致压气机的背压升高，同时流经压气机的空气流量减少，易引起喘振。此时对空气冷却器进行清洗，消除脏污即可避免喘振的发生。 3.1.4 空气冷却器的冷却水温度偏高 空气冷却器的冷却水温度偏高，也可能引起喘振的发生，因为冷却水温度过高，来自压气机的压缩空气得不到充分的冷却导致压气机的背压升高，流经压气机的空气流量减少，减少至一定程度，变会发生喘振。此时可以通过降低冷却水的温度或是增加冷却水的流量的方法来解决问题。3.1.5 涡轮叶片及喷嘴环积垢严重柴油机长期运转后，在涡轮叶片上和喷嘴环上常会有积碳和污垢，致使涡轮通道截面积减小和流量下降，喷嘴环的通道截面机减小会使增压器的转速提高，增压压力升高，当积垢严重到一定程度时，会使增压器的工作点进入喘振区而产生喘振。要求要对涡轮进行必要的清洗工作，严格按其说明书的要求进行维护保养。 3.1.6 气缸进排气口积碳或油污由于近排气口积碳或是油污会造成气口的流通面积减小，最终也会导致喘振。例如排气口的流通面积变小，在增压器的转速会增高，增压器的运行工况发生转移，向喘振区移动，易发生喘振。定期气口的检查和清除积碳和油污，保证进排气口的通畅是必要的。3.1.7 涡轮前端的保护格栅的脏污或异物堵塞和废气锅炉烟道的积碳脏赌涡轮前端的保护格栅的脏污或异物堵塞和废气锅炉烟道的积碳脏赌，都会引起涡轮效率的下降，流经压气机的空气流量会减少，而发生喘振，另外如设有废气消音器时，严重积垢也会使涡轮背压升高，涡轮效率下降，导致流经压气机的气体流量减少而发生喘振。 以上所述都是关于某个部件发生脏赌，使流体阻力增大，最终造成流经压气机的空气流量减少而导致喘振。对于以上的故障我们只需把该处的脏污或油污进行清洁，保证气体的各个流动路线保持畅通，即可避免由上述因素而发生喘振现象。3.2 增压器自身故障 正常情况下，增压器工作特性曲线是远离喘振线的，一般不会发生喘振，但由于增压器本身故障，工况改变，增压器压气机可能会工作在喘振区内，而发生喘振。一般原因有：3.2.1 压气机的叶轮损坏或过量腐蚀压气机的叶轮损坏或过量腐蚀，造成压气机对空气的压缩能力减弱，从而使流经压气机的进气流量减少，而发生喘振现象。消除此故障最好是换新压气机叶轮。 3.2.2 涡轮叶片顶部及喷嘴环罩内表面腐蚀涡轮叶片顶部及喷嘴环罩内表面腐蚀。侵蚀或是涡轮叶片损坏,使两者之间的配合间隙增大引起涡轮效率下降,导致流经压气机的气体流量减少而发生喘振.可以通过修复或是换新叶轮叶片和喷嘴环罩,翻新或更换涡轮叶片,来消除增压器的喘振。 3.2.3 涡轮增压器出现废气或空气泄露涡轮增压器出现废气或空气泄露,同样会引起涡轮效率的下降,使流经压气机的空气流量减少造成压气机的喘振。解决方法是查找漏泄处，堵住漏泄。3.3 柴油机本身的故障 3.3.1 二冲程发动机的调速器负荷限制不当二冲程发动机的调速器负荷限制不当,当发动机加速时起压气机的运行点可能位于喘振区，而导致压气机喘振。解决方法是重新调整调速器的限制位，使压气机的工作点远离喘振区。3.3.2 采用脉冲增压系统的柴油机一缸熄火采用脉冲增压系统的柴油机一缸熄火，对于一缸熄火增压器的压气机端的背压与正常情况下的背压相比，就显得过高，而最终导致喘振。这就需要检查熄火缸的燃油系统，排除故障，恢复供油，来消除故障。3.3.3 其它因素气缸淡水冷却温度发生异常，柴油机的活塞环断裂或者粘着，气阀的漏泄或烧损及气阀的间隙过小等一些故障，都可能导致气缸的漏气，过量空气系数降低，热负荷增大，排烟温度升高，是增压器的转速增大，压气机背压升高，流量变小，严重时便可能造成增压的喘振，这就要求平时要加强管理，注意记录和观测各个运行参数的变化，如有异常应及时查找原因，排除故障。 3.4 柴油机喷油系统故障当喷油系统发生故障，燃用劣质重油，排烟温度会升高，由于排烟温度的升高，意味着废气能量的增加，使增压器的转速升高，供气量增多，导致压气机在高背压小流量的状态下工作，严重时就会发生增压器的喘振。这时只要排除燃油系统的故障，保证顺利的供油，也就消除了喘振。3.5 运行中增压器与柴油机暂时失配对于设计时选配良好的柴油机和增压器，在正常情况下是不会发生喘振的。但是，由于柴油机的本身某些故障或者由于装载、顶风、污底等原因以及大风浪天气航行都可能导致柴油机与增压器匹配不良引起增压器的喘振，以下为几种常见情况进行分析。3.5.1 柴油机减速过快在运行中，通过减小喷油量来降低柴油机的转速，由于柴油机运动部件质量大，转速可以迅速降低，但增压器却由于本身的惯性作用，转速下降的慢，增压器此时所提供的空气量大于柴油机实际所需的量，压气机的背压就会不断的升高，以至于过大而发生暂时性的增压器喘振现象。 3.5.2 柴油机加速过快加速后，加油过快，也会使增压器与柴油机暂时失配，引起瞬间喘振。柴油机运动部件大惯性大，转速上升的慢，而增压器的质量相对教小惯性小，增速比柴油机要快的多，最终使压气机的背压升高，使增压器发生暂时性的喘振。 以上两种情况，不久后又能恢复匹配关系，喘振现象自动消失，对于轮机员应尽量避免起发生，除非在紧急的情况下为了需要而进行此类操作。 3.5.3 船体脏污严重、顶风航行船体脏污严重、顶风航行，使船体阻力增加。船舶主机在原相同的转速下，船体脏污，使主机负荷增加了，柴油机在低转速高负荷下运行，气缸耗气量降低而循环喷油量增加，废气能量增大，使增压器的转速升高，供气量增多。这容易引起增压器与柴油机匹配不良而出现喘振，此时关小油门即刻消除喘振。3.5.4 个别缸断油或各缸负荷严重不均 个别缸断油，供油异常，柴油机各缸排出的废气量不均，本身就会引起增压器转速波动，诱发气流波动以至出现增压器的喘振。各缸负荷严重不均，同样会导致气流波动引起喘振。消除方法：检查发生异常缸的供油系统和喷油等系统，调节各缸的供油量，使各缸的供油量基本相同。 3.5.5 船舶在恶劣气候航行发生飞车发生飞车，主机调速器会自动调节，自动增减油门，调节供油量，起主机转速会上下波动，增压器的转速因主机排放的废气能量不断变化也发生波动，此时可能发生二者暂时失配而引起喘振。3.5.6 环境温度的变化在低温时匹配的不带空气冷却器的增压器和柴油机如用在高温海域时，或者在高温是匹配的带有空气冷却器的增压器和柴油机在低温海域时，由于两者匹配的关系改变，运行点更靠近喘振线，容易引起增压器的喘振。此时启用或是停用空气冷却器，使允运行点远离喘振区，恢复匹配关系。4 发生喘振的原因分析及排除过程 由于该船在2007年2月下水，正常情况下不会发生喘振的。大管轮随即通知值班驾驶员，之后停止作业，降低主机负荷直至增压器喘振消失，机舱集控室的显示器上显示右舷主机的排烟温度 18缸的温度为354、352、348、350、350、353、348、352，与正常的情况下290320高了几十度，扫气压力为0.1mpa而在正常的扫气压力为0.13mpa，扫气温度也高3度左右，空气冷却器的海水出口温度降低，海水进出口的温差变小，说明冷却已不良。轮机长与大管轮讨论分析，认为应该不是柴油机自身和喷油系统出现问题，因为在这不久前已经系统检查过，对于喷射压力达不到规定值的油头都已换新，故可暂时排除,而且今天风力小于四级，海况很好，只是由于港口施工，尘土飞扬，空气质量差，故可排除因海况不好而导致的喘振。那么就应该从检查增压器自身的开始排查，可能是进气流道的脏堵或是其内部的脏堵严重，此时机工说今天本来应该对增压器压气机的进气滤网进行清洗，只是还没有来得及清洗。于是认为就是进气滤网脏堵造成的喘振，因为一旦进气滤网脏堵，就会使进入压气机的空气流量减少，当流量减小到一定程度变会引起喘振。 停车后，由大管轮直接负责对滤网的清洗，取下滤网发现有许多灰尘附着在上面，并用压缩空气进行清洗。分析为什么会有那么多的灰尘，一是由于该清洗时没有清洗，二是这几天一直沙尘天气，空气质量差所造成的。之后检查空气冷却器，没有发现异常。轮机长翻阅最近的轮机日志，查看关于对增压气的日常维护工作的记录，结果发现对此方面的记录不全，按规定在增压器累计运行300小时后，应在低负荷运行下对其用水冲洗，当增压器累计运行2000小时要对增压器进行解体，彻底的清除涡轮和压气机的叶轮叶片及壳体上的积炭，而上面对此记录不祥。问其他的轮机员，他们也已忘记具体是什么时候做的保养工作，他们一般都是估计大概在什么时候该对其保养，便对其保养工作，因为是新船，那么长时间也没有出现什么问题，故记录的就不怎么详细了。轮机长要求起动主机，将主机负荷加到30%时，用水管对增压器的涡论和压气机分别进行水洗，并要求在水洗时观察泄水孔，观察是否有积炭被冲出。观察结果只要少许的颗粒被洗出，轮机长判定增压器内部一定有大量的积炭，要求对其解体彻底清楚内部的积炭。解体后发现，积炭严重，将叶轮叶片放到里面加入acc清洗剂的清水里浸泡4小时后（同时也将轴承取下浸泡在新透平油里4小时），清除表面的积炭，同时也壳体上的积炭也清楚干净。清洁工作完成后，将增压器重新装复（安装时要特别注意保证轴承的间隙在规定的范围内），并将透平油换新。一切工作结束后，起动主机（此时应注意观察增压器上面的观察镜，是否有油泡喷出，如有在说明润滑正常，如没有应立即停车），逐渐加负荷。加至全负荷后，排烟温度，扫气温度和压力和空气冷却器的进出口温差逐渐恢复正常，增压器不在发生喘振，故障排除。为了避免左舷机的增压器发生故障，随即也对其检查彻底清洁。至此原因也已经查明，由于轮机员对增压器的日常管理不规范，没有按说明书上的要求及时的对增压器进行维护保养，以至造成增压器内部严重积炭，致使涡轮通道截面积减小和流量下降，喷嘴环的通道截面机减小，会使增压器的转速提高，压气机端背压升高，流量减少，同时进气滤网的脏堵进一步使进气流量的减少，最终导致增压器喘振。5 总结及增压器日常维护管理需注意的几点通过对以上的故障的排除，可以知道引起这次增压器喘振的原因不仅仅只是一种原因所致，而很可能是几种原因的叠加，所以这就要求我们在分析问题要综合考虑各种因素，全面分析。作为轮机员应尽守职责，认真地记录轮机日志，在对增压器的日常维护管理中应保证气