船用柴油机废气涡轮增压器喘振现象分析

船用柴油机废气涡轮增压器喘振现象分析

肖学炬

中国人民解放军92213部队广东湛江524000

摘要：大型船用柴油机广泛应用废气涡轮增压技术,喘振是增压器一种典型现象，本文阐述了增压器喘振产生的机理和成因,并结合多年来的实际经验对增压器的日常维护管理提出了使用建议。

关键词：船用柴油机；废气涡轮增压器；喘振现象

一、概述

目前，大型船舶上不论是主动力柴油机还是发电机组柴油机，都普遍采用废气涡轮增压器，其基本原理就是利用柴油机排出的废气能量，驱动涡轮高速旋转，带动与涡轮同轴的压气机叶轮高速旋转，压气机将空气压入发动机的气缸，增加了发动机的进气量，可供更多的燃油完全燃烧，从而提高了柴油机的功率，并且充分利用柴油机的废气能量，提高了柴油机的经济性。

涡轮增压器是柴油机上主要部件，目前一台柴油机根据气缸数和进气量可以装备有2台增压器和4台增压器（2至3个气缸使用一个增压器）。增压器处在高温高压和高速运转的工作状况，工作环境恶劣，各种机械故障多发，比如叶片烧蚀、轴承抱死等故障，可以这样说增压系统工作的好坏，直接影响着柴油机的工作乃至整个船舶的正常运营。近些年来，船舶柴油机上的涡轮增压器故障越来越令人关注，在废气涡轮增压器故障中，又以压气机的喘振最容易发生也最为常见。因此，对涡轮增压器喘振分析十分必要。

二、喘振概念和机理

概念：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旋涡分离,甚至出现倒流,产生压力波动,因而引起涡轮增压器的结构振动，并发出喘叫声,这种现象称为喘振。

机理：当流量小于设计值很多时，叶轮进口和扩压器叶片内产生强烈的气流分离引起喘振。在叶片扩压器进口处，当转速一定，而流量变化时的气体流动情况如图1所示。当流量等于设计值时，气流速度c2的方向与叶片进口的构造角相一致，气流能平顺地进入叶片通道，如图1（a）所示。当流量大于设计值时，气流径向分速ω2增加，使气流速度c2增加，且c2的方向也偏离设计值，导致气流以某一冲角进入叶道，并在叶片凸面引起气流脱离，如图1（b）所示。由于气流有按对数螺线运动的趋势，限制了这气流分离的扩展。因此，这时仅使流动损失增加，而不会破坏压气机的正常工作。当流量小于设计值时，气流径向分速ω2减小，使气流速度c2也减小，且其方向偏离设计值，导致气流进入叶道时,在叶片凹面上产生气流分离,如图1（c）所示。由于气流有按对数螺线运动的趋势，会加剧气流分离的扩展，这不仅会增加流动损失，严重时会破坏压气机的正常工作。而在图2（c）中,气流轴向分速c1减少,导致气流相对速度ω1减少,并在另一个方向偏离设计值,这是气流进入叶道时，就会在叶片凸面产生气流分离。由于叶轮旋转产生的气体惯性力会加剧这气流分离的扩展，这不仅会增加流动损失,严重时也将破坏压气机的正常工作。

图2叶轮进口处的空气的流动

当转速不变而流量小于设计值时，在扩压器叶片进口和叶轮进口处的气流分离现象随流量的减小而迅速扩大，分离现象会扩展到整个扩压器和叶轮通道，使气流产生强烈的振荡和倒流，形成压气机的喘振。

三、喘振原因和预防

导致压气机喘振的根本原因就是小流量,高背压。根据公式Q=c×S,空气进入压气机速度降低,或增压系统流道堵塞,都会引起流量的减少。而柴油机用气量减少,增压器转速高,或压气机后的气流通道堵塞,则会使压气机背压升高。由于设计时已将压气机与柴油机的配合工作特性线选择在远离喘振线,故正常情况下不会发生喘振。但是当工作情况发生变化后,压气机配合工作特性线会发生移动,若部分或全部进入喘振区,则会发生喘振。

（1）气流通道堵塞。增压系统流道堵塞是引起增压器喘振最常见的原因。如脏污、结碳、变形等,都会因流阻增大使压气机背压升高,流量减少,引起喘振。其中容易脏污的部件是压气机进口滤器、压气机叶轮和扩压器、空气冷却器、柴油机扫气口和排气口（阀）、废气涡轮喷嘴环、废气涡轮叶轮。

（2）柴油机在低转速高负荷下运行。当柴油机发生故障或船舶满载、顶风、污底使外负荷增大时,柴油机转速下降,此时调速器自动增加供油量,使柴油机在低转速，高负荷下运行。由于供油量增多,废气能量增大,必然导致增压器转速提高,压气机排气量和排出压力升高。而此时柴油机转速低,耗气量少,使增压器供气与柴油机耗气之间的供需平衡被打破。压气机背压升高,流量减少,从而引起喘振。

（3）运行中的暂时失配。在变负荷运行时,若操作不当,或风浪天航行发生飞车时,可能使增压器与柴油机之间的供需平衡被暂时打破而发生喘振。由于柴油机运动部件质量大,当供油量增加时转速上升慢,供油量减少时转速下降快；增压器转子质量小,当废气能量加大时转速上升快,废气能量减少时转速下降慢。如在柴油机高转速下大幅度降速,或低转速下大幅度增速,或风浪天航行发生飞车时,都会引起压气机背压升高、流量减少而发生喘振。

四、日常维护保养

（1）根据说明书要求定期拆检主机排气阀,校验喷油器,

定期吊缸,保证主机雾化燃烧良好,各部件工作正常。另外,操作主机时加速、减速不可过快过猛,大风浪天航行时应适当减小油门。

（2）定期清洁增压器压气机进气滤器。航行中定期冲洗增压器压气机端、废气涡轮端。

（3）出现喘振现象时，要及时减速甚至停车，消除可能的因素再次启动。

（4）时刻注意增压器的油液润滑和冷却系统，定期更换润滑油，检查冷却水温度和增压器转速。

五、结束语

喘振是压气机的固有特性，是没有办法从根本上绝对避免的。当发生增压器喘振时，应保持清醒的认识和判断，采取正确的应对措施，及时排除喘振故障，以保证柴油机可靠稳定的工作。

参考文献

[1]申小明等，船舶柴油机涡轮增压器喘振分析湖北武汉,2008.

[2]侯彪等，船用柴油机增压器喘振成因研究及对策安徽蚌埠,2009.

[3]李福海，船舶主机增压器喘振故障原因及排除山东青岛,2009.