【船机帮】PA6 柴油机相继增压器常见故障的分析

废气涡轮增压器，是由同轴的涡轮机和压气机组成，利用发动机排出废气作为能源，驱动涡壳内的涡轮转动，同时涡轮带动同轴的压气机旋转,由此提高进入气缸的空气密度，以增加充满气缸的空气量，这样就可以相应地增加发动机工作循环的喷油量，进而提高发动机功率。

实践证明，发动机采用增压技术，可增加发动机输出功率约40%,降低油耗近8%，同时还可以降低排气烟度、有毒气体等，因此废气涡轮增压器广泛应用于船舶发动机。

废气涡轮增压的方式主要有定压涡轮增压、脉冲涡轮增压等，在20世纪70年代德国MTU公司首先采用相继增压技术，并成功应用在MTU396V16等柴油机上。

针对大型高增压柴油机，相继增压器具有良好的运行性能，可有效解决低工况增压器与柴油机之间的匹配等问题，大幅度改变压气机和涡轮的通流面积。

因此，1983年，法国SEMT Pielstick公司开始在PA6柴油机上进行相继增压技术研究，随后在1988年，法国“LaFayette”级护卫舰安装了12PA6V-280STC船用相继增压柴油机。

PA6柴油机具有体积小、质量轻、功率大、可靠性和经济性好等优点，因此广泛应用于舰船推进、基本负荷电站以及铁路牵引等方面。

目前，国内的柴油机厂家已经完全实现了全国产化，并经过研制，目前使用较多的是16PA6和12PA6两种柴油机。

一、相继增压器的结构及特点

1、结构及原理

柴油机相继增压，是指单台柴油机布设两台或者两台以上涡轮增压器并联组成的增压系统，也称为顺序增压。

PA6柴油机安装有两台相同涡轮增压器，采用的是瑞士BBC生产的VTC254-213型,目前已经国产化。在柴油机与增压系统的结构基本不变的条件下，满足航行特征提出的要求，其方法是从部分负荷入手选配一台增压器，适应部分负荷工作，使柴油机具有高的燃烧过量空气系数和尽可能大的扭矩;当进入高负荷工作时受控增压器投入运行。

其结构如图1所示。

图中A列增压器为基本增压器，柴油机启动成功后，立即投入工作运行，而B列增压器不工作，这样A列和B列的排烟全部集中供应给A列基本增压器，驱动A列涡轮转动，A列增压器将新鲜空气压入中冷器，然后再均匀分配给A、B列各气缸; B列为受控增压器，主要由空气蝶阀和燃气蝶阀实现对增压器的控制,其中燃气阀控制B列排烟总管到涡轮的开关，空气阀控制压气机到B列进气总管的开关，当转速、负荷及增压压力升高时，STC控制系统会分别自动打开燃气阀和空气阀，受控增压器投入工作。

由此可以分析得出，PA6柴油机的相继增压可以认为是一种非连续变化的可变截面积涡轮增压系统。

在高负荷，两台增压器全部工作;低负荷时，自动“切除”B列增压器，相当于减小了涡轮喷嘴通流面积，使得涡轮前后仍然具有较高的压力，产生较高的增压压力，满足柴油机低速大扭矩工作时对进气量的要求。

2、特点

PA6 柴油机相继增压系统具有以下特点：

（a）良好的匹配特性。

具体体现在增压器始终在高效去工作，瞬态响应快、高速不超温超速、低速增压充分、加速快且不冒黑烟。

（b）低排放、低噪声。

具体表现有提高废气利用率，降低了压气机温度，减少了 NOx 的排放。

（c）低工况燃油经济性、动力性得到有效的提高。

（d）系统装备相对复杂，需要增加一整套的控制蝶阀以及控制系统，增加了故障点及故障率，提高了维护保养的成本。

二、常见故障及原因分析

1、增压压力下降

造成增压压力下降的原因主要有增压器转速下降、进气通道不畅以及压气机叶轮损坏，具体分析如下。

（1）增压器转速下降

增压器转速下降一般是由于废气能量不足造成的，首先应该检查废气通道的通畅性和密封性。

柴油机长时间运转可能会造成排气管内壁积聚烟灰，带来排气管道流通内径变小，废气流通不畅，除此之外，增压器的喷嘴环也要进行通畅性检查。

而密封性检查主要包括3方面:

一是检查排烟管的密封性，例如16PA6柴油机每列排烟总管分成8部分，每部分分别与各缸的排气歧管做成一体安装在气缸盖上，每缸的排烟总管是靠管箍固定成一体的，柴油机长时间运行会造成管路连接处的密封圈烧损现象，每缸的排烟总管的连接段以及歧管与气缸盖的连接处都会有漏烟隐患;

二是要检查排烟管与涡轮增压器的连接处等是否存在漏烟现象;

三是如果该故障现象出现在低工况，也就是受控增压器没有投入工作状态时，首先应该检查受控增压器燃气蝶阀的气密性，如果燃气蝶阀关闭不严，会带来低工况运行时部分燃气进入到受控增压器，导致基本增压器的燃气量降低，此时判断的依据可以检查受控增压器是否低速运转，如果出现低速运转，说明燃气阀关闭不严，少量燃气驱动受控增压器转动，严重时会造成增压器的喘振。

（2）进气通道不畅和密封性下降

PA6柴油机作为船用柴油机，在不同型号船舶上，其进气方式也不尽相同，主要有机舱进气和舷外进气两种方式。

对于采用机舱进气方式的柴油机，如果机舱风机全是排风机，就会造成机舱的负压现象，从而导致增压器的进气压力和进气量都会降低。

而采用舷外进气方式的柴油机，就需要布设进气通道和进气滤网，柴油机长时间运行之后,会带来进气滤网、进气管路、消音器以及中冷器的脏堵，从而会带来进气受阻，最终会导致进气压力以及进气量的降低。

另外，受船舶以及柴油机的震动影响，进气管路的连接处也有松动的隐患，这样就会带来进气管路漏泄，这样也会带来进气压力的下降。

在低工况运行时，如果受控增压器的空气阀关闭不严，也会导致一部分新鲜空气的漏泄，虽然最终都到达中冷器，但是由于进气截面积的增大会带来进气压力的下降。

最后，还要检查压气机叶片的工作情况。如果该增压器曾经出现过喘振，那么压气机的叶片特别是叶尖处可能会发生变形。那么压气机叶轮损坏，就会造成效率下降，压气量就会大大减少。

2、增压器的喘振

所谓增压器的喘振，是指当增压器转速保持不变，而压气机的流量减小到一定值后，气体进入叶轮和扩压器的方向偏离设计工况，从而造成气体压力产生极大的波动，压气机进人不稳定的工作状态，在压气机端发出吼叫声或者喘叫声。

嚙振一般会加速叶片等内部零件的疲劳损伤并加速扩大已有的裂纹，严重时会导致增压器的报废。

具体造成柴油机喘振的原因分析如下。

（1）柴油机转速不稳或各缸功率不均

柴油机转速波动"，废气能量排出不连续，由此带来增压器运转不稳定，导致压气机端空气流通不顺畅，进而发生增压器的喘振。

多缸柴油机在低速运转时，常会出现部分缸不发火的情况，这样空气的需求量就会降低，甚至低于压气机的供气量，多余的空气就会向压气机出口处逆流，造成堵塞，空气流通不顺畅，造成增压器的喘振。

（2）柴油机进气量少或者进气不畅通

柴油机压气机端进气量少或者不畅通会产生空气的涡流或进出口压力不稳，导致增压器发生喘振。

此外,增压器涡轮喷嘴在运行过程中也容易被污物或异物堵塞,这样会带来叶片中的空气由层流变成紊流，也会造成增压器的喘振。

（3）柴油机运行与增压器工作不匹配

出现这种现象往往是因为柴油机运行时，其增压器不能按照“规定条件”撤出或增加受控增压器。

简单来说就是，低工况应该使用“1TC" 时，受控增压器却投入了使用，即使用了“2TC”;而高工况时应该使用“2TC” 时，受控增压器却未投入使用，仅使用了“1TC" 。

这种现象在PA6柴油机出现频率非常高，主要原因是控制系统的故障。

16PA6柴油机“1TC" 转“2TC" 的条件是:

主机转速≥730r/min、增压器转速≥24800r/min、增压压力≥0.22MPa。

柴油机在运行过程中，全程是由STC控制仪主电路板自动控制，由0.8MPa的气动执行机构完成蝶阀开关实现自动切换，另外控制空气还具有压迫蝶阀活塞，防止蝶阀由于柴油机的振动而出现误开或误关的现象。

所以柴油机在运行过程中STC主电路板”(如图2所示)及执行机构中任一部件出现故障，都会带来增压器喘振故障。

此外，受控增压器主要是由燃气蝶阀和空气蝶阀控制，柴油机长时间运行之后，烟灰等在管路中积聚会导致蝶阀关不死，由此带来新鲜空气或燃气的漏泄，严重时也会带来增压器的喘振。

3、增压器出现杂音或振动

增压器在高速运转过程中，除了喘振的噪音外，有时还会出现其它杂音。例如金属摩擦的刺耳声或撞击声，由此带来增压器的振动。

造成这种现象的原因很多，比如增压器润滑不良带来支撑轴承磨损严重;柴油机长时间运转振动带来柴油机与增压器的连接螺栓松动;增压器安装时连接螺栓力矩不均;金属异物损伤增压器转子带来增压器的偏转或者转子外缘摩擦壳体;“1TC” 转“2TC"不及时带来基本增压器的转速超限等。

三、避免增压器产生故障的措施

(1)柴油机增压器出现异常声音或振动未确定原因时，为避免故障的进一步打大应首先停机进行检查。

(2)加强对柴油机进排气管路的维护保养，主要包括:

定期清理管路内壁的积灰，防止管路堵塞;加强管路密封性的检查，防止进排气的漏气、漏烟现象。

(3)加强排气背压的检查，防止排的不畅通。

(4)为防止增压器的杂音和振动，新装或厂修后的增压器应做动平衡试验，并对转子结构外形进行检查。

(5)保证相继增压器的STC控制仪和气源装置的正常工作，防止出现受控增压器未按照“规定条件”投入或撤出工作。

(6)保证受控增压器蝶阀的正常工作，防止蝶阀的卡滞，造成燃气或新鲜空气的漏泄。

四、结语

PA6柴油机采用的STC相继增压技术，A、 B列采用规格相同的增压器。

为提高增压器的使用寿命，降低故障率，根据工作经验，建议按照小修周期对A、B列增压器进行交替轮值作为基本增压器。

可以采用在原来的 A 列基本增压器管路加装蝶阀实现控制，也可以将两个增压器位置进行更换，这样就可以保证 A、B 增压器的使用周期大致相同。下一步将进行论证该方法的可行性工作。

END