某船四冲程柴油机废气涡轮增压器喘振原因分析与修复.docxVIP

一、故障发生过程概况

某船主机为8L20/27型四冲程柴油机，8缸，缸径为200mm,行程为270mm,额定功率为800kW。

在额定转速1,000r/min时，增压压力≤0.16MPa～0.20Mpa，单缸爆发压力≤10Mpa，单缸排烟温度≤530℃，单级、径流式涡轮增压器。

某年坞修修前试航时右主机在840r/min以下运转正常，从840r/min加速到870r/min后，增压器开始出现严重喘振现象。

在修理后首次试航中，当右主机加速到930r/min时，增压器压气机端发出周期性的爆炸声，柴油机不能继续加速，单缸排烟温度达到460℃，比正常时高70℃左右，冒黑烟，随即停车进行检查。

经调查，该舰在两年前中修，修后试航时发现爆发压力高，单缸爆发压力在额定转速时高达11MPa，超出规定的要求。

同时，增压压力接近规定值的上限0.20MPa。

根据通常做法，首先调整喷油提前角降低爆发压力，但爆发压力基本没有改变，于是决定采取降低增压压力的方法达到降低爆发压力的目的。

为此，增压器运输到新中动力机厂进行修理，厂家将原来出口截面为34.92cm2的扩压器换为36.9cm2的扩压器。

在试验台试验时，各性能参数均正常，增压压力降低，但是装船后出现了轻微喘振，未进行进一步查找原因。

二、喘振的机理与原因分析

柴油机废气涡轮增压系统由柴油机、压气机、废气涡轮和空气冷却器等基本部件组成。

离心式压气机在各种不同工况工作时，它的各主要参数会随之变化。

当转速nk一定时，随着空气流量Gk的减小，增压比πk开始是增加的。

当Gk减小到某一值时πk值达到最大，然后随Gk的减小开始下降。

效率ηk随流量Gk的变化规律与πk类似。

当压气机中气体流量显著小于设计值时，在叶轮进口及叶片扩压器处，气体的分离现象随流量的减少而迅速扩大。

当流量少到某一最小值时，气流分离现象扩展到整个叶片扩压器和叶片通道内，使气流产生剧烈的振荡和倒流，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，这就是压气机的喘振现象。

增压器产生喘振一般是由于空气流通阻力的增加、柴油机或增压器本身故障、柴油机长期低速运行原因以及增压器和柴油机的运行失配等。

1、由于压气机匹配不当引起

在设计、修理、更换增压器主要零部件时，由于尺寸选择不当而导致压气机喘振。

（1）涡轮喷嘴环截面尺寸过小，涡轮流通能力不够，使压气机配合尺寸线移向喘振线；

（2）压气机扩压器喉口截面过大或叶轮出口截面过大，使压气机喘振线向右移动，即压气机配合尺寸线靠近喘振线。

2、空气流通阻力的增加

空气流通阻力的增加是引起增压器喘振最常见的原因。

四冲程柴油机运行时，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→柴油机的进气阀→排气阀→排气管→废气涡轮喷嘴环→废气涡轮叶轮→烟囱。

其中各组成部分的通流面积都是固定的，只有各气缸的进、排气阀是按照一定的发火顺序轮流开、关，它随着柴油机转速的高低改变着开、关次数和时间。

当上述流动路线中的任何一个环节因脏污、结炭、变形、结垢严重，都会因气体流阻损失加大而使压气机负荷增加、流量减小，背压升高，导致柴油机和增压器的联合运行工况接近喘振线而发生喘振。

其中容易脏堵的部件是进口滤器、压气机叶轮和扩压器、空气冷却器、气缸进气阀和排气阀、涡轮的喷嘴环和叶轮。

此外，涡轮机的喷嘴环容易发生热变形。

3、增压器本身故障

压气机叶轮变形、损坏或严重腐蚀，使压气压力减小；涡轮叶片变形、损坏，喷嘴环变形；涡轮叶片顶部及喷嘴环罩内表面腐蚀，使两者之间的配合间隙增大。

这样，引起涡轮效率降低，导致流经压气机的气体流量减少。

4、柴油机本身故障

（1）喷油设备出现故障，会使柴油机燃烧不良，后燃严重。

（2）柴油机的活塞环断裂或粘着、气阀的烧损、气阀间隙太小，会导致气缸漏气，使过量空气系数降低，热负荷增大，排气温度升高，在柴油机每循环喷油量不变的情况下，柴油机输出功率下降，柴油机转速降低，而排气温度的升高意味着废气能量的增加，使增压器转速升高，供气量增多。

这使原来增压器与柴油机正常的匹配被破坏，导致压气机在高背压、小流量的状态下工作，严重时引起增压器喘振。

（3）各缸负荷严重不均。

当柴油机某一个气缸突然发生故障而熄火时，在突然熄火的瞬间过程，由于柴油机转速迅速下降，空气流量减少，而增压器转速由于惯性不能瞬间降低，此时增压压力较高，增压器在高背压和小流量下运行，易进入喘振区。

5、柴油机长期低速运行原因

柴油机长期在低于额定功率50%（转速约为额定转速的80%）以下运行，导致不良后果。

（1）增压压力降低，导致进入气缸的空气量减少，过量空气系数减小，压缩终点压力温度降低，造成燃烧不良，产生烟垢、积炭、油垢等污染，脏堵进排气通道，增加空气流通