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 - 04 Abstract: Pantting oscillation is one of the usual faults on supercharger ofmarine main engine. And the power of the diesel engine is always raised by supercharging technique from waste steam turbine. This paper analyses the cause for pantting oscillation on theory and gives view on daily maintenance through removing such a fault.

Key words: supercharger; pantting oscillation; management; ship

1 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MAN B&W6L35MC, 功率3352 kW (4 560HP) , 额定转速206 r /min, 目前常用转速185 r/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18 000～19 000 r /min 之间, 增压空气压力在1. 8 MPa 左

右。该轮从国内某港开航后主机逐渐加速, 当加至140 r /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。