关于船舶主机增压器喘振的探讨

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=C1a×S,(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=C1a×S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=C1a×S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

3．1 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。