重康动力（深圳）有限公司

 

故障检修与技术维护

发动机增压器喘振的原因及解决方法

 

摘要：涡轮增压器是现代大型柴油机提高功率的主要方式，随着科技的不断发展，高增压技术在现代柴油发电机组中应用越来越广泛，而喘振是柴油发电机组主机增压器常见故障之一。因此涡轮增压器在柴油发电机组中的地位越来越重要，其工况的好坏直接影响柴油机的正常工作。增压器的喘振不仅使压气机达不到预期的增压比，而且还有可能因为喘震，而造成转子、叶片及轴承的损坏。因此，了解柴油发电机组柴油机增压器喘振的原因，在操作中尽量消除喘振是我们备用电源工作的重要内容。本文结合笔者喘振现象的经验，对喘振的原因作出分析，并提出了日后维护和管理中应对的防措施。                                                                                                                                                                                                   

 

一、增压器喘振机理

 

      从图1中可以看出，压气机的通用特性曲线是由等折合转速线，等效率特性线，和喘振边界线组成。等转速线的特点是曲线较抖，在转速恒定的条件下，压气机的压比和效率随流量的改变而变化的关系，通称为压气机的特性线。 而离心式压气机的特性是当转速nk等于常数时，随着流量Gk的减少，压比πk开始是增加的，当流量Gk减少到某一值时，πk值达到最大值，然后随Gk的减小开始下降。

      离心式特性曲线如图2所示。当压气机流量减小到某一值后，气体进入工作叶轮和扩压器的方向偏离设计工况，造成气流从叶片或扩压器上强烈分离，同时产生强烈脉动，并有气体倒流，引起压气机工作不稳定，导致压气机振动，并发出异常的响声，称为压气机喘振。不同转速下压气机开始发生喘振流量值点连线称为喘振线，如图1虚线所示。喘振线左侧为喘振区，右侧为稳定工作区。增压器喘振原因从根本上讲，是由于压气机的流量小于该转速下引起喘振的限制流量，造成气流与叶片的强烈撞击与脱流。

      对于新造的增压柴油机，配合运行线与喘振线之间留有足够喘振裕量，无论环境条件及柴油机工况如何变化，使用初期增压器一般都不会发生喘振。喘振裕量dVs的定义为dVs=（Q－Qs）/Qs（dVs通常应大于10﹪)，如图2所示。从图上看起来低负荷时配合运行线离喘振线比高负荷还近些，而其实其喘振裕量较大，这是因为低负荷时分母Qs减小得更多，实际也是如此，柴油机在低负荷时较不易喘振。所以，有的教材认为纯废气涡轮增压系统在流道阻塞时，在低负荷时其配合运行线会先进入喘振区而发生喘振的观点是不符合实际的。

      压气机与涡备用电源同轴相连构成废气涡轮增压器，其基本原理是利用柴油机排出的废气的能量，带动增压器涡轮叶轮旋转。涡轮叶轮带动压气机叶轮旋转，对进入的气体进行压缩，提高其压力，从而提高了空气密度，增加了空气量，这样就可以燃烧更多的燃料，使平均有效压力提高，进而提高了柴油机的功率。

     压气机在工作中，由于种种原因使进入压气机的空气流量减少，导致气流在扩压器中发生漩涡分离，从而产生压力波动。因而引起涡轮增压器的结构震动，并发出嚎叫声。这种喘振现象产生的根本原因是在压气机出口产生了较高的背压，由于流量小于设计值很多时，叶轮进口和扩压器叶片内，产生了剧烈的气流分离引起的宏观现象。当分离现象较轻时，分离区域内气压与排量虽有波动，但对整个压气机来说，气压与排量基本上还是稳定的。但严重时，分离现象可以扩展到所有叶片及全部通道，甚此时出口压力急剧下降，甚至发生倒流，随着分离和倒流的发生，出口压力也随之上升，但只要此时的诱发因素只要还存在，就会再次发生分离。如此反复，并同时出现呼噜呼噜的声音，由此可见增压器喘振的发生不但是增压器本身有关，还与整个柴油机的匹配有很大关系。

 

图1 增压器压气机通用特性曲线

图2 离心压气机特性曲线图

 

 

二、阻塞类的喘振故障案例分析

 

     纯废气涡轮增压柴油机阻塞类喘振的影响因素可分为流道阻塞和非流道阻塞二类。

1．流道阻塞

      流道阻塞指组成增压系统的气流通道流通面积变小，使增压器与柴油机配合运行线左移，喘振裕量减少，当进入喘振区时，即发生喘振。虽然增压系统流道阻塞都使四冲程和二冲程柴油机增压器配合运行线左移，但二冲程要比四冲程柴油机敏感得多，原因在于二者的换气过程不同。因为二冲程机的换气主要依靠扫气口与排气口之间的压差来实现，流道堵塞对换气质量影响很大，一使气流流通不畅，二使排温升高，废气能量增加，导致增压器喘振。而四冲程柴油机的换气过程主要依靠活塞的抽吸和推挤，进排气压差仅在燃烧室扫气时才有所影响，所以流道阻塞对四冲程柴油机的影响相对二冲程柴油机要小得多。

2．非流道阻塞

      非流道阻塞因素有：当航行条件恶化时，如大风浪航行、柴油机污底、螺旋桨缠上渔网等。上述因素使柴油机阻力增大，由于现代船用推进柴油机都装有全制式调速器，喷油量增加，增压器转速升高，压气机流量增加，压比升高，配合运行点向高端移动，喘振裕量减少，使喘振较易发生。而对于驱动螺旋桨的四冲程柴油机，还会因柴油机阻力的增加，调速器使喷油量增加，柴油机转速未变，四冲程柴油机的通流能力主要取决于柴油机的转速，气缸前后的压差对流量影响较小，可以认为流量不变，压气机由于涡轮接受的废气能量增加使压比升高而流量不变，配合运行点向高端移动的同时，配合运行线逐渐变陡而靠向喘振线。在考虑二冲程柴油机气缸的通流能力时，将它看成一个通流面积不变的孔板（柴油机转速升高，扫气口、排气口或阀开启时间按比例减少，但单位时间内开启次数按比例增加），所以二冲程柴油机的通流能力与柴油机的转速无关，它主要取决于气缸前后的压力差，不论上述航行条件如何改变，其配合运行线均不会变化。喷油系统故障、排气阀开启过早、空冷器冷却能力下降等非流道阻塞因素造成的排气温度升高都将使配合运行点上移而诱发增压器喘振，特别是当主海水泵故障，无冷却海水供应时，由于空气温度剧增，此时有些机型发生剧烈喘振比淡水高温报警还来得早。

      由此可知，流道阻塞因素对四冲程机影响较小，对二冲程机影响较大。非流道阻塞因素对四冲程机影响较大，对二冲程机影响较小。

3．某增压器喘振故障案例分析

      该主机增压器喘振并不是特别严重，仅在恶劣工况时断续发生。柴油机阻力突增过程，造成增压器与柴油机的暂时失配无疑是该喘振的主要原因，特别是当增压器由于转子惯性转速下降滞后，转速仍然较高，而主机转速迅速下降，与压气机串联的四冲程柴油机的通流能力减弱，使压气机在高背压低流量下工作，配合运行点落入喘振区而发生喘振。然而在柴油机与增压器选配时，配合运行线与喘振线之间的喘振裕量应足以避免因这种短暂失配所引起的喘振现象，特别是象该例增压系统增压度较低，其喘振裕量相对于高增压系统要大些，就更不易发生喘振，由此判断该喘振现象不是由上述单一外界条件变化引起的，应该还有增压系统内在因素存在，与之叠加而成。在良好工况航行时未发生喘振，并不能确定增压器与柴油机所组成的增压系统各环节都正常，如果某种因素仅使配合运行线向喘振线靠近或运行点向高端移动，但该因素还不能单独引起增压器喘振，因此需要进一步分析相关运行参数，找到这一因素。

      对比增压器喘振发生前后柴油机排气温度等参数，如表1、表2（满载条件下检测）。表中显示喘振发生前后高压油泵齿条刻度、爆发压力基本相同，说明主机负荷在同转速下没有增大，以及喷油定时也没有变化，且各缸负荷均匀。表中显示各缸排气温度较喘振发生前高出200C左右，喷油器的雾化质量恶化会导致排气温度升高，但六只缸同时出现喷射雾化不良的可能性极小，经查后也排除了这种可能性。由于进气温度基本不变，也排除了该因素的影响（进气温度上升带动排气温度上升，废气能量增加压气机转速升高，配合运行点移向高处，对四冲程机同时伴随着配合运行线左移），也排除了因燃油品质改变引起的排气温度变化。表中的进气压力在喘振发生后有所降低，进气压力的降低可由流道阻塞、废气能量减少（主要因素有涡轮保护格栅及消音器堵塞）等引起，可见排气温度升高是进气压力降低（过量空气系数减少）引起，并非是该喘振现象的诱因，这样也验证了前面关于排气温度升高的原因分析。这样基本可肯定该内在因素为废气涡轮增压系统气流通道阻塞。

表1  喘振未排除时主机运行参数(不喘振)

表2  喘振故障前主机运行参数

      因为各缸排气温度均匀升高，不可能是个别缸的进排气流道不畅引起，应该考虑除柴油机本身以外增压系统各环节由于流通面积偏离原设计值所造成影响。由于该增压系统未设空冷器气侧压差计及增压器转速表，给排除故障带来一定难度。排除故障原则应是先易后难、先外围后内部、先主要后次要。其实三年来已经拆检了空冷器、增压器好几次，喘振没有消除，剩下来似乎只有保护格栅和消音器。但前几次增压器的拆检仅做到抽出转子，然后检查喷嘴环，然而由于其斜向布置，在出口侧是看不见进口侧的，所以应该对增压器做一次彻底解体，顺便也对保护格栅进行检查。抽出转子后，发现有三个喷嘴处卡着金属碎片，当时有人认为原因已找到，可如果仔细回忆一下，以前抽出转子清洁喷咀后，喘振并未消除，所以这样的堵塞还不至于对气流的流动产生太大的影响。拆下涡轮进气箱后，发现与排气总管之间的保护格栅已不存在，在进气箱气道与喷咀环的结合处卡有一呈卷曲状的薄钢板，尺寸约10×4cm，如果不拆除涡轮机进气箱，在进气箱入口处也很难发现，那么这块钢板是什么地方来的呢？经检查确定是排气管上的一只波纹膨胀接头的内导管脱落，该膨胀接的安装是有方向性的，但在安装时把方向装反，这样经高温废气的长期冲击就容易脱落，此时如果保护格栅完好无损，也不致于进入到喷咀环处，所幸未能通过喷咀环对涡轮叶片造成损伤。

      取出这块卷曲状钢板后，不论在何种工况下增压器再也没有发生喘振现象。重新测量爆发压力、排温及高压油泵齿条刻度与喘振故障排除前比较，排温有明显下降，进气压力也提高了。说明喷咀环小部分被遮挡使主机排气背压升高，换气质量变差，排温升高，增压器涡轮效率下降，转速有所降低（该增压器无转速表）。现在让我们回顾一下，既然喷咀环处有被堵现象，那么为什么在良好工况下增压器不发生喘振呢？我们知道柴油机与增压器选配时，配合特性曲线C与喘振线B之间留有一定的喘振裕量，如图3。

 

图3 增压器配合特性曲线图

 

      在气流通道堵塞使流通面积减小不是特别严重的情况下，配合特性曲线C向喘振线B靠近，喘振裕量减小，此时以C'表示，C'并未进入喘振区，此时增压器转速应该有所降低，等转速线由n下降为n'，运行点由设计时的a点移至a₁点，显然a₁点在稳定工作区，所以柴油机在负荷小的时候，增压器不会发生喘振。柴油机在较恶劣工况下运行时，主机转速下降很多，而增压器此时瞬间转速仍为nK'，增压器压气机背压升高流量减少，运行点由a₁点移至a₂点，a₂点已进入喘振线左側，即喘振区，发生短暂喘振。故障排除后，配合特性曲线恢复到接近原设计特性曲线，柴油机即使在恶劣工况下航行，增压器也不会产生喘振。由此可见，该喘振故障是气流通道流通面积减少和主机负荷的急剧变化两个因素叠加引起的。

 

三、柴油机类喘振故障案例分析

 

1、柴油机方面的原因

① 检查，进排气阀是否正常，扫气口是否有脏堵，因为排气阀泄漏，能引起排温高废弃能量过大而引起喘震。

② 测爆压、看排温、检测喷油正时，看燃烧情况是否况良好。

2、对于柴油机方面的处理

      为了保证一次解决问题我们对八个缸的喷油器全部抽出进行了雾化试验，全部正常，进排气阀的正时也正常，高压油泵的喷油定时也正常，因此柴油机方面原因也可排除。

      事已到此，引起增压器喘振的原因基本都排除了，可是问题仍然没解。思路到这已经陷于僵局。经过重新思考后，我们决定对每个环节重新进行检查，特别是对刚出舱清洗过的空气冷却器。对每一个细节，也不能放过。拆掉增压器到空冷器的进气管路，用手电照空冷器的气腔，发现气腔稍微有点脏，为了确定气腔内部脏堵程度，先采用了过水试验法，即在上边用水管往气腔加水，看水的通畅程度，就能大体确定气腔的脏堵程度了。水刚注入时，下的很快可几秒钟后，水就基本上不下了，也就是说气腔脏堵严重，为了更加验证气腔的脏污程度我们用一个轴流式鼓风机，这样就更能看出有多少气体通过空冷器进入扫气箱了。此时只要一开轴流风机热继电器就起到保护作用，后来经过检查确认轴流风机机械部分没有问题，于是，调大热继电器的保护电流后，继续让风机才工作。可此时通过空冷器气腔进入扫气箱的气体只有很少的一部分，很大的一部分可能因为被压太高一直穿不透气腔。这时我们才明白刚才轴流风机一直热保护，是因为被压太高而造成的。事情到了这一步，可以肯定的确定空气冷却器的气腔脏堵的非常厉害了，这可能就是涡轮增压器喘震的主要原因吧！此时，将空冷器重新出舱，在机务部门现场监督下，重新进行超声波清洗，经过16小时的连续不断的清洗，装复。在试航期间该主机的负荷达到95%时，且持续3小时，该主机仍没有发生喘振，并且各缸的排气温度，爆压都在正常范围之内。可是，为什么我们刚清洁不到两个月的空冷器，就一下子变脏了呢？为了探究此事，笔者特意向上次清洁空冷器的服务商，打电话询问此事，此事他说了实话，因为他当时的清洗设备有点问题，再一个他看到我们空冷器的气腔表面也不是太脏，也没有把空冷器给彻底的给解体（此空冷器是有螺栓将三部分完整的连接在一起的），就用高压水枪给循环的冲洗了一段时间，这样做的后果就是表面的污物是给冲掉了，而处在中间那部分的赃物却越发的结实了。

      事已至此，增压器喘振的原因，经过大家的努力，终于解决了。但是回过头来，再看我们解决问题的思路，思路虽然比较清晰，但是有时我们会想当然的认为：“什么东西刚刚修过”，我们就以为他是正常的，也正是我们的这种惯性思维，导致了我们今天走了许多的弯路。

 

总结：

      喘振是压气机的固有特性，是没有办法从根本避免的。其实我们只要牢牢的把握一下几大环节：空气滤网，压气机，空气冷却器，扫气箱，进气阀，排气阀，涡轮端，烟囱等。只要任何环节出现问题，都可能导致增压器喘振。因此为了避免喘振现象的发生，我们不光要加强增压器的维护和保养，还要对柴油机的工况进行及时的检测。

      本文详尽地介绍了增压器喘振的机理和原因，基于尽可能小拆部件的原则，总结出这套发生喘振时的处理方法。希望能根据此法，减小备用电源员的工作量，为柴油发电机组的安全航行提供帮助。同时也提醒我们的备用电源管理人员，平时要多注重柴油机相关理论的学习，养成一丝不苟，严肃认真，做到精通理论，技艺熟练，观察敏锐，善于在错综复杂的故障现象中，抓住主要矛盾，由表及里，去伪存真，不受表面现象的迷惑，找出真正的原因，给于正确的处置。同时也奉劝我们的备用电源管理人员，在进行一些关键性部件的修理时，一定要亲身亲历，加强责任心，做好修理的监控工作，以防一些服务商的不作为，而给柴油发电机组的安全留下隐患！

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