張有海

（廈門海隆對外勞務合作有限公司，廈門 361003）

無論是四沖程柴油機還是二沖程柴油機，都須將前一循環(huán)的廢氣排出氣缸并充入新鮮空氣，同時活塞在上死點前需將燃油噴入氣缸并使之燃燒。從熱力學角度來看，廢氣的排出即意味著工質向低溫熱源散熱，而燃油的燃燒就意味著高溫熱源向工質的加熱。二者缺一，熱機就不能循環(huán)做功。而這個新鮮空氣取代廢氣的過程就是柴油機的換氣過程。

柴油機的功率、經(jīng)濟性和工作可靠性首先取決于噴入氣缸的燃油量以及燃油燃燒的完善程度。而燃油燃燒的完善與否在很大程度上又取決于充入氣缸的空氣量。在一定噴油量的情況下，充入氣缸的空氣量多（和廢氣排出干凈），燃燒就好，柴油機的功率和經(jīng)濟性就高。燃油燃燒得好，機件不容易過熱，工作就可靠。為保證氣體（廢氣和空氣）在一定時刻排除和充入氣缸，柴油機設有相應的換氣機構。

近幾十年來，由于船舶噸位和航速的日益增大，船舶推進裝置要有更大的機組功率，因而使增壓技術在柴油機的發(fā)展中得到廣泛使用。增壓的實質就是用提高進氣壓力的方法，大幅度增加氣缸的充氣量，以保證在接近完全燃燒的情況下燃燒更多的燃油，并增大柴油機的功率。因此，它與柴油機的換氣是密切相關的，只有在良好的換氣基礎上才能有效地實現(xiàn)增壓。

1 渦輪增壓機工作原理

船舶主機增壓機（Turbocharger）的功用是增加進入氣缸中的空氣量，使噴入氣缸的燃油能更充分燃燒。渦輪增壓機由一渦輪機與壓氣機組合而成，渦輪機由柴油機的排氣推動，而壓氣機是把更多的新鮮空氣壓入柴油機的氣缸內。壓氣機葉輪與渦輪機葉輪兩者共同裝配在一支轉軸上。

2 XX輪增壓機工作原理

XX輪 主 機 型 號；7RTA84TB，MCR；27160kW/74RPM，NOR；23090kW/70.1RPM，主機增壓機為 ABB TPL80-B12，系采用軸流式渦輪機和離心式鼓風機（壓氣機），柴油機排出的排氣進入渦輪機后，沿渦輪機轉子的軸線方向流動，在渦輪機葉輪做完功后，沿徑向流入排氣管排出。

如圖1所示，該渦輪增壓機由一個渦輪機與一個鼓風機（壓氣機）經(jīng)由一支共享軸所組成。來自柴油機排氣總管的高溫排氣從進口機殼9（Gas inlet casing）、噴嘴環(huán)6&7（Nozzle ring）流入驅動渦輪機10（Turbine）而帶動鼓風機（壓氣機）葉輪13（Compressor wheel）。鼓風機（壓氣機）13將新鮮空氣經(jīng)由進氣消音器1（Silencer）吸入、鼓風機（壓氣機）葉輪13壓縮后，進入擴散器12（Diffuser）從渦卷室14（Volute housing）的出口離開增壓機，最后經(jīng)中間冷卻器冷卻后，送入掃（進）氣總管。

圖1 增壓器構造

3 離心式鼓風機（壓氣機）的工作流程

增壓柴油機運行時，整個系統(tǒng)形成一個氣流通道。氣體流動的路線是：進口濾網(wǎng)→壓氣機→空冷器→掃氣箱→各氣缸進氣口（閥）→各氣缸排氣口（閥）→排氣管→排氣渦輪→廢氣鍋爐→煙囪。各氣缸進、排氣口（閥）按發(fā)火順序在換氣期間輪流打開。

4 XX輪主機增壓機發(fā)生喘振——之前船員查找喘振原因的做法

4.1 之前報告給公司的信文

2016年3月8日，XX輪主機增壓機出現(xiàn)一聲“呼嘯”的聲音，經(jīng)檢查后判斷是No2增壓機發(fā)生喘振，主機減至65r/min之后又出現(xiàn)一聲“呼嘯”的聲音，于是主機再減至64r/min，同樣會有不定時的出現(xiàn)一聲“呼嘯”的聲音，主機在63～61r/min也同樣會出現(xiàn)。只要主機負荷指示刻度超過6.2就發(fā)生喘振（正常情況下主機負荷指示刻度為6.4～6.8）。

No2增壓機發(fā)生喘振之時，掃氣壓力和No1、No2增壓機轉速有所下降，但No1、NO2增壓機廢氣進出口溫度、冷卻油出口溫度、主機排煙溫度沒有變化。增壓機發(fā)生喘振之前，主機排煙溫度沒有變化（相對穩(wěn)定）。

No1增壓機壓氣端的運轉聲音較清晰，No2增壓機壓氣端的運轉聲音較沉悶。用聽棒檢查增壓機，沒有發(fā)現(xiàn)異常聲音。檢查F.O.SETT. & SERV.TK燃油中沒有水分，檢查主機空氣冷卻器放殘管（排放管未有堵塞）正常，至于主機活塞及空氣擋板情況待查。

4.2 之前后續(xù)的做法

為了避免增壓器發(fā)生喘振現(xiàn)象，在空載航行時，主機只能運轉在60～65r/min，在重載航行時，主機只能運轉58～60r/min，且根據(jù)海況，主機負荷指示刻度必需控制在6.2之內。主機增壓機發(fā)生喘振之后，船員利用靠碼頭和拋錨等待時間進行下列保養(yǎng)檢查工作：主機空冷器空氣側用化學藥劑清洗2次；主機掃氣道及掃氣箱damper檢查；主機第3缸overhauled；主機各缸油頭更換；主機爆壓測量；主機#1和#3缸排氣閥更換；在主機空冷器冷凝水排放管處泄氣減壓等。此外，計劃拆檢No.2增壓機廢氣進口端，但兩航次都沒有合適的機會，就繼續(xù)觀察。

5 配合船員分析、判斷、排除增壓器喘振現(xiàn)象之做法

XX輪渦輪增壓機，由一個渦輪機與一個壓氣機經(jīng)由一支共享軸所組成?？v觀之前的做法，主機排氣流入驅動渦輪機，若主機排氣不順暢，壓氣機改變動態(tài)平衡狀態(tài)，進而影響壓氣機的轉速。在一定的轉速時，當壓氣機流量減小到一定值后，氣體進入工作葉輪13（Compressor wheel）和擴散器12（Diffuser）的角度偏離設計工況，造成氣流從葉片或擴散器上強烈分離，同時產(chǎn)生強烈脈動，并可能引發(fā)氣體倒流，引起壓氣機工況的不穩(wěn)定而導致振動，發(fā)出異常響聲——喘振現(xiàn)象。由于各氣缸進、排氣口（閥）按發(fā)火順序在換氣期間輪流打開，所以可以初步判斷問題就是出在排氣閥工作狀態(tài)。

XX輪排氣閥是可變排氣閥關閉VEC機構（Variable exhaust valve closing），如圖 2 所示。

圖2 XX輪排氣閥

這個VEC機構的目的是在主機任一負荷下，保持100%發(fā) 火 壓 力（firing pressure），VEC機 構 結 合 VIT機構，主機在UPPER LOAD范圍內，保持最大的燃燒壓力Pmax（maximum combustion pressure）。VEC機構是由掃氣壓力信號和主機速度信號來控制的。

另外，排氣閥的開閉是根據(jù)發(fā)火順序，排氣閥的排氣是靠柱塞泵蓄壓打出的高壓液壓油來開啟的，關閉是靠spring air來實現(xiàn)的。

查找故障原因時，人們發(fā)現(xiàn)，XX輪主機排氣閥air spring調壓閥有漏氣現(xiàn)象。由于船在航行時，無法檢修，該調壓閥后來在錨泊時整修完畢。拆檢時發(fā)現(xiàn)膜片破損，閥芯及閥座都被油垢粘死，流道都被滑油垢粘死（空氣的質量不好，系空壓機沒有保養(yǎng)到位導致），初步判斷主機增壓器喘振原因是排氣閥air spring調壓閥漏氣。單位時間內空氣壓力不足，導致主機排氣閥關閉不及時或關閉不嚴，引發(fā)增壓器壓氣機背壓升高，致使渦輪機與壓氣機動平衡被破壞，進而影響主機增壓器轉速，引起壓氣機工況的不穩(wěn)定而導致振動，從而發(fā)出異常響聲。

經(jīng)過air spring的修復（不漏氣，工作正常），XX輪于重載時，主機加車到65r/min運轉1h，掃氣壓力為0.13MPa，負荷指示為6.5～6.6，調速器actuator輸出是68，VEC輸出指示在15，spring air的空氣壓力是0.82MPa，主機各缸排煙溫度及出水溫度都正常。再加車到67r/min運行1h，掃氣壓力為0.165MPa，負荷指示為6.9，調速器actuator輸出是70，VEC輸出指示在15，VIT輸出指示在+2°（ADVANCE），主機增壓機2臺轉速在11000rpm，主機包括增壓機一切正常，沒有喘振（surging）發(fā)生。這改變了主機重載時最高轉速60r/min的記錄，主機一切恢復正常。以下附主機67r/min運行時的主機性能參數(shù)（M/E PERFORMANCE DATA），分別如圖3～圖9所示，加車到67r/min時，各個參數(shù)如圖10所示。

圖4 排氣閥air spring

圖3 主機加車到67r/min

圖6 調速器actuator輸出位置

圖5 VEC指示刻度

圖7 Load指示計

圖8 掃氣壓力

圖9 主機2臺增壓機轉速計

圖10 主機加車到67r/min的參數(shù)

6 結論

排氣閥air spring調壓閥閥桿卡阻及漏氣，引起單位時間內排氣閥air cylinder的空氣壓力和空氣量不足，導致主機排氣閥滯后關閉或關閉不嚴，使得壓氣機背壓增大，最后致使渦輪機與壓氣機失去動態(tài)平衡而發(fā)生喘振現(xiàn)象——喘振。

主機增壓器壓氣機是不允許在喘振下工作的，因這時不僅達不到預期的增壓比，而且會引起壓氣機葉輪葉片振動，造成葉片疲勞斷裂，會使增壓器轉子發(fā)生強烈振動，特別是軸向振動，這也將嚴重影響增壓器軸承使用壽命。

導致船舶主機喘振原因是多方面的，大管輪在航行中若發(fā)生主機喘振現(xiàn)象，首先要詳細研讀主機說明書，然后科學全面分析故障原因，合理判斷故障，最后有效排除故障，避免在排除故障時走彎路，做無用功，保證主機時刻處于最佳工況下運行。