新造船主机增压器调试及故障排除

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,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，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, 从理论上详细分析了增压器喘振的原因, 并对新造船针对主机增压器的调试提出了具体的建议。

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。

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。 

1.离心式压气机喘振机理

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。

图1 离心式压气机的特性曲线

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 空气在工作叶轮前缘附近的流动情

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。

图4 空气在扩压器前缘附近的流动情况

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。

2.压气机喘振原因 

(1) 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。 

(2) 环境温度的变化。

在低温航区匹配的不带空冷器的增压柴油机航行于高温海域时, 或在高温航区匹配的带 空冷器的增压柴油机航行于低温海域时, 由于两者的匹配关系发生变化, 运行点容易靠近喘振区, 引起喘振。

导致压气机喘振的根本原因就是小流量, 高背压。

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。

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。

喘振是增压器压气机的固有现象, 但如果我们在调试工作中正确操作, 就可以防止和消除它。

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