俞劍 李飛宇 徐飛

摘 要 近年來(lái)，渦輪增壓器已實(shí)現(xiàn)在船舶中的普及化應(yīng)用，既提高柴油機(jī)的功率又加強(qiáng)其經(jīng)濟(jì)性;然而，增壓系統(tǒng)運(yùn)行好壞對(duì)柴油機(jī)的性能有直接性的影響。渦輪增壓器工作環(huán)境比較惡劣，柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)作，會(huì)導(dǎo)致增壓器出現(xiàn)故障，進(jìn)而對(duì)船舶航行性能產(chǎn)生影響?；诖耍疚木痛皽u輪增壓器的常見(jiàn)故障診斷與改進(jìn)措施進(jìn)行深入的研究，以期為相關(guān)工作人員提供參考。

關(guān)鍵詞 船舶 渦輪增壓器 喘振故障 軸承燒損 潤(rùn)滑油漏失

中圖分類號(hào)：U664.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2022）06-0124-03

從船舶增壓器發(fā)展歷程來(lái)看，初期應(yīng)用的都是機(jī)械增壓技術(shù)，機(jī)械增壓器是以汽油機(jī)尾氣排量不增加為前提，使得動(dòng)力輪輸出有所提高，直接借助汽油機(jī)的局部動(dòng)力以帶動(dòng)增壓器，再將增壓后的高密度空氣壓送到氣缸內(nèi)以促使汽油機(jī)輸出功率的提高。然而，在汽油機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，機(jī)械增壓則會(huì)發(fā)生進(jìn)氣效率低的問(wèn)題，進(jìn)而造成增壓器效率相對(duì)偏低，無(wú)法達(dá)到既定效果。在此背景下，人們以機(jī)械增壓器為前提開(kāi)發(fā)出了渦輪增壓器，同時(shí)將其大量運(yùn)用于船舶主體中。

1 船舶渦輪增壓器概述

渦輪增壓器屬于空氣壓縮機(jī)范疇，主要是利用壓縮空氣以提高進(jìn)氣量。其通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)所排出的廢氣慣性沖力以帶動(dòng)渦輪室中的渦輪，再由渦輪帶動(dòng)著同軸的葉輪;從空氣濾清器管道中進(jìn)入的空氣，由葉輪壓送到氣缸中。如果發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度增加，則渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度和廢氣排出速度同樣會(huì)隨之增加，就會(huì)有更多的空氣通過(guò)葉輪壓入到氣缸中，空氣密度及壓力的增加會(huì)消耗更多的燃料，對(duì)應(yīng)地調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度及燃料量，便能夠大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。渦輪增壓器的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

從渦輪增壓器的優(yōu)點(diǎn)來(lái)看，渦輪增壓器可以在柴油機(jī)運(yùn)行容積不發(fā)生變化的基礎(chǔ)上，使得柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率有所提高，同時(shí)可以減少排放和油耗及;完全滿足當(dāng)前“功率大、船型小”的需求。

從渦輪增壓器的缺點(diǎn)來(lái)看，一方面，渦輪遲滯。由于渦輪增壓主要是利用廢氣驅(qū)動(dòng)的方式，首先應(yīng)形成廢氣，增壓器才可運(yùn)作，因此渦輪增壓器的工作與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸相比具有一定的滯后性，并且因?yàn)楸幂喓蜏u輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有著極大的慣性，在發(fā)動(dòng)機(jī)工況發(fā)生變化時(shí)，增壓器響應(yīng)有所遲滯，尤其是加速性能相較于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)比較差，此即渦輪遲滯問(wèn)題。例如：在柴油快艇對(duì)航道進(jìn)行日常巡查時(shí)，主機(jī)在轉(zhuǎn)速達(dá)到3600轉(zhuǎn)時(shí)急劇減少油門(mén)、降低轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速漸漸降至1000轉(zhuǎn)，此時(shí)再次加大油門(mén)、提高轉(zhuǎn)速，此時(shí)因?yàn)橹皽p少油門(mén)、降低轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致進(jìn)氣壓力下降，如果再次加大油門(mén)，則需重新形成高進(jìn)氣壓力，從加大油門(mén)至增壓空氣燃燒，在此過(guò)程中有著較長(zhǎng)的時(shí)間差，便可以體會(huì)到此種渦輪遲滯。另一方面，不得長(zhǎng)期渦輪怠速。渦輪增壓器要想保持正常運(yùn)行狀態(tài)，則需形成廢氣構(gòu)建相應(yīng)的壓力，若柴油機(jī)長(zhǎng)期保持低轉(zhuǎn)速怠速狀態(tài)，不但會(huì)導(dǎo)致機(jī)油壓力無(wú)法建立、主機(jī)潤(rùn)滑效果較差，對(duì)柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)產(chǎn)生影響，還會(huì)引起機(jī)損事故[1];與此同時(shí)，轉(zhuǎn)速較低難以吹動(dòng)渦輪，造成氣缸進(jìn)氣量大幅縮減，極易形成積碳，從而影響到噴油嘴的壽命。

2 船舶渦輪增壓器故障因素分析

一方面，人員方面的因素。渦輪增壓器出現(xiàn)故障，其根本成因就是人員操作不當(dāng)、維護(hù)保養(yǎng)不到位。船舶駕駛?cè)藛T采取不當(dāng)?shù)牟僮餍问?，例如主機(jī)啟動(dòng)熱車以后，才可漸漸加大油門(mén)而提高航速，部分駕駛員在開(kāi)機(jī)后便直接加大油門(mén)，極易導(dǎo)致機(jī)器受傷;再如在船舶返航后，主機(jī)仍需保持怠速，而后才可關(guān)閉主機(jī)，部分駕駛員在船舶停好后便直接關(guān)機(jī)，此同樣會(huì)導(dǎo)致機(jī)器受傷;部分輪機(jī)員并未定期對(duì)渦輪增壓器進(jìn)行保養(yǎng)，例如更換機(jī)油、清洗空氣濾網(wǎng)等等，同樣極易導(dǎo)致渦輪增壓器發(fā)生故障。另一方面，機(jī)器方面的因素。第一，渦輪增壓器自身質(zhì)量較差，極易發(fā)生耗損而導(dǎo)致故障。市場(chǎng)中出售的渦輪增壓器質(zhì)量有好有壞且價(jià)格也不相同，難以確保其質(zhì)量[2]。第二，渦輪增壓器和主機(jī)配套存在問(wèn)題，為避免出現(xiàn)“大牛拉小車”或者“小牛拉大車”的問(wèn)題，需按照船舶主體功率來(lái)選擇渦輪增壓器，主機(jī)功率往往與燃油量、空氣成正比。如果主機(jī)排量及功率已經(jīng)確定，基于各種需求來(lái)選擇增壓器殼體尺寸，主要受氣流要求的影響。

3 船舶渦輪增壓器常見(jiàn)故障診斷及改進(jìn)措施

3.1 喘振故障

近幾年內(nèi)，伴隨船舶應(yīng)用頻率與負(fù)載量的進(jìn)一步增加，柴油機(jī)故障的發(fā)生率也在不斷上升，其中渦輪增壓器喘振就是比較常見(jiàn)的故障。如果渦輪增壓器發(fā)生喘振故障，會(huì)引起壓氣機(jī)葉輪損壞、軸承損壞以及柴油機(jī)粗暴工作等惡劣影響;如果喘振故障無(wú)法得到及時(shí)排除，柴油機(jī)僅可降低功率使用又或是關(guān)機(jī)停用，對(duì)船舶安全行駛有極大的負(fù)面影響。渦輪增壓器喘振是其獨(dú)有的特征，是在進(jìn)氣量降低至某種程度時(shí)所出現(xiàn)的非正常工作狀況下的振動(dòng)，往往呈現(xiàn)為壓氣機(jī)產(chǎn)生異常的波動(dòng)，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)極大的吼叫聲。渦輪增壓器形成喘振的機(jī)理相對(duì)復(fù)雜，在壓氣機(jī)處在“高背壓、低流量”工作情況時(shí)，進(jìn)入到壓氣機(jī)中的空氣流向和壓氣機(jī)葉片入口間就會(huì)形成沖角，當(dāng)該角度達(dá)到某種程度時(shí)，壓氣機(jī)葉片和進(jìn)氣流間就會(huì)出現(xiàn)異常的氣流分離，此氣流會(huì)周期反復(fù)產(chǎn)生，氣流速度、壓力以及流量等都會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變化。

引起喘振故障的因素主要有以下幾種：第一，柴油機(jī)發(fā)生故障。柴油機(jī)因?yàn)楦鞲椎呢?fù)荷差異較大，噴油提前角滯后或者是提前，氣閥密性較差，噴油器霧化效果較差等狀況造成燃燒不佳、排溫上升，排出廢氣能量增長(zhǎng)，進(jìn)而引起增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)速度的加快，導(dǎo)致壓氣端出氣量小于吸氣量則會(huì)出現(xiàn)喘振故障。第二，增壓器發(fā)生故障。壓氣機(jī)葉輪發(fā)生破損或者是形變，會(huì)導(dǎo)致增壓能力下降，造成效率降低，引起流經(jīng)壓氣機(jī)的空氣量下降，進(jìn)而造成喘振。噴嘴環(huán)發(fā)生形變，會(huì)導(dǎo)致廢氣流速加快、壓氣機(jī)進(jìn)氣流量增加、增壓器轉(zhuǎn)速升高，進(jìn)而導(dǎo)致喘振[3]。第三，柴油機(jī)與增壓器失配造成的喘振。柴油機(jī)和增壓器在各類工況下是互相匹配運(yùn)行的，比如在柴油機(jī)卸負(fù)載過(guò)程中，供油量急劇下降，氣缸中所需要的空氣量大幅縮減，而增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度因?yàn)槭軕T性等因素的影響而難以同步降低，導(dǎo)致多余的空氣累積在壓氣端進(jìn)口位置處而引起喘振;當(dāng)柴油機(jī)的載荷發(fā)生極大變化又或是出現(xiàn)過(guò)載情況時(shí)，柴油機(jī)燃燒狀態(tài)不佳，排氣管的廢氣能量增加，造成增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度加快，導(dǎo)致壓氣機(jī)出氣量小于吸氣量而引起喘振。

喘振故障的具體改進(jìn)措施如下：第一，對(duì)柴油機(jī)燃油霧化狀況進(jìn)行監(jiān)控，不斷加大噴油器養(yǎng)護(hù)力度，防止柴油機(jī)在高負(fù)荷條件下各缸負(fù)荷出現(xiàn)不均勻的情況。第二，根據(jù)說(shuō)明書(shū)規(guī)定對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行正確的保養(yǎng)，及時(shí)對(duì)氣閥間隙進(jìn)行檢查，避免氣閥間隙發(fā)生過(guò)小或過(guò)大的現(xiàn)象，造成氣閥未完全關(guān)閉，發(fā)生燒蝕等問(wèn)題。第三，避免柴油機(jī)的負(fù)荷急劇增加或者下降。第四，強(qiáng)化監(jiān)控柴油機(jī)的各類參數(shù)，如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題需立即排除問(wèn)題。第五，根據(jù)說(shuō)明書(shū)規(guī)定定期對(duì)壓氣側(cè)、增壓器側(cè)、中冷器、進(jìn)氣濾網(wǎng)等進(jìn)行清洗，確保氣道的順暢性。

3.2 壓力升高或下降

導(dǎo)致渦輪增壓器壓力升高或者下降的因素主要有以下幾點(diǎn)：第一，供油系統(tǒng)發(fā)生異常。主要包括燃料后燃、噴油延遲等問(wèn)題，導(dǎo)致廢氣能量大幅上升，氣缸排氣升溫，將會(huì)造成以下兩種影響：（1）進(jìn)口能量大幅增加，使得增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)速度加快，進(jìn)而造成壓力隨著渦輪轉(zhuǎn)速加快而上升;（2）渦輪流量降低，使得壓氣機(jī)運(yùn)行點(diǎn)轉(zhuǎn)向于喘振線，導(dǎo)致掃氣壓力升高，并且造成排氣溫度急劇上升，更有甚者還會(huì)引起渦輪管與排氣管發(fā)紅，嚴(yán)重影響到渦輪機(jī)的性能。因此，在渦輪增壓器運(yùn)行過(guò)程中需及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除故障，科學(xué)調(diào)節(jié)噴油定時(shí)，嚴(yán)格控制后燃現(xiàn)象，如此不但可以減少油料消耗，而且還可以保護(hù)好渦輪機(jī)。第二，壓氣機(jī)空氣濾器、渦輪噴嘴、擴(kuò)壓器以及葉輪等由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而發(fā)生臟污。在渦輪增壓器運(yùn)作過(guò)程中，壓氣機(jī)從機(jī)艙中吸入空氣。機(jī)艙空氣中含有大量的灰塵及油霧，非常容易粘附于擴(kuò)壓器與葉輪上。如果柴油機(jī)的負(fù)荷出現(xiàn)改變，則會(huì)由于柴油機(jī)使用劣質(zhì)燃油、燃油燃燒不到位或是燃油噴射系統(tǒng)運(yùn)行不佳而導(dǎo)致柴油機(jī)排氣的碳粒與油霧含量較高，導(dǎo)致葉輪和渦輪噴嘴環(huán)積碳而造成柴油機(jī)出現(xiàn)臟污、積炭問(wèn)題。如果流道臟污，則會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)阻力加大，大大影響效率，造成增壓壓力降低[4]。所以，需定期清潔渦輪增壓器，將渦輪噴嘴、空氣濾器以及葉輪上的臟污和積炭清理干凈，在渦輪增壓器運(yùn)行過(guò)程中，需時(shí)常清洗旋轉(zhuǎn)部件，以保障渦輪增壓器維持良好的工況。第三，氣閥（口）過(guò)早開(kāi)啟或出現(xiàn)漏氣。柴油機(jī)過(guò)早排氣導(dǎo)致渦輪進(jìn)口出的溫度及壓力有所上升，會(huì)造成大量廢氣涌向渦輪機(jī)，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速加快，增壓壓力升高。對(duì)于此類狀況，合理的調(diào)整方式為延遲柴油機(jī)的排氣正時(shí)，使得燃?xì)庠跉飧變?nèi)做更多的功，進(jìn)而使排氣溫度及壓力降低，增壓壓力下降。在柴油機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)作后，因?yàn)槭軝C(jī)械故障、腐蝕或者磨損等因素的影響，導(dǎo)致排氣閥密封效果較差，燃?xì)鈴臍忾y的間隙中漏出。因?yàn)槿細(xì)鉁囟雀?、壓力大，事?shí)上增加了渦輪進(jìn)口氣體能量，因此會(huì)導(dǎo)致增壓壓力的升高。其主要改進(jìn)方法如下：一方面，防止排氣閥過(guò)早開(kāi)啟;另一方面，解決好排氣閥漏氣問(wèn)題。

3.3 軸承燒損

對(duì)于渦輪增壓器而言，軸承是非常重要的部件，不但可確保轉(zhuǎn)子運(yùn)行的可靠性和安全性，而且還可確保轉(zhuǎn)子精準(zhǔn)固定增壓器是在輕負(fù)荷、高速、高溫環(huán)境下運(yùn)行的，短期斷油、漏油或是油量偏少都會(huì)導(dǎo)致軸承器甚至是整個(gè)增壓器受損的嚴(yán)重事故。船舶柴油機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行以后，因?yàn)榛偷拇罅砍练e而在滑油觀察鏡中轉(zhuǎn)變?yōu)槲酆?，?dǎo)致滑油虛假油位，在工作過(guò)程中極易導(dǎo)致視覺(jué)層面的誤差而造成渦輪增壓器的油量較少，滑油壓力相對(duì)偏低，更有甚者還會(huì)發(fā)生斷油問(wèn)題，從而引起軸承燒損。如果軸承發(fā)生燒損，則會(huì)發(fā)出異常的聲音，渦輪增壓器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度就會(huì)急劇降低，而無(wú)法繼續(xù)正常運(yùn)行。因此，在航行值班期間，如果發(fā)現(xiàn)渦輪增壓器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度大幅降低，運(yùn)作聲音有所異常，需立即停車對(duì)渦輪增壓器進(jìn)行檢查，否則會(huì)引起更加嚴(yán)重的事故。如果及時(shí)予以處理，只有軸承發(fā)生燒壞，只需更換軸承便可;如果轉(zhuǎn)子嚴(yán)重?zé)龘p，難以修復(fù)到最初狀態(tài)，而處在特殊情況無(wú)法停車時(shí)，可及時(shí)采取應(yīng)急方案關(guān)停已經(jīng)受損的增壓器，降低柴油機(jī)的負(fù)荷，保持低速運(yùn)作狀態(tài)[5]。在日常維護(hù)管理過(guò)程中，尤其是值班巡回檢查時(shí)，應(yīng)重視對(duì)軸承潤(rùn)滑油的溫度及壓力進(jìn)行檢查，利用觀察鏡對(duì)潤(rùn)滑油的流動(dòng)狀況實(shí)施檢查，不得出現(xiàn)流量下降或者斷油的問(wèn)題。

3.4 潤(rùn)滑油漏失

渦輪增壓器通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作以后，密封襯套間的距離就會(huì)變大，機(jī)端軸封受到破壞而造成排氣進(jìn)入到軸承箱中，導(dǎo)致軸承箱壓力急劇上升，箱蓋螺栓發(fā)生松動(dòng)而導(dǎo)致潤(rùn)滑油漏失問(wèn)題。

3.5 增壓器超溫

一般情況下，導(dǎo)致增壓器超溫的因素主要有兩方面：一方面是增壓器冷卻水溫度太高，另一方面是潤(rùn)滑油溫度超出上限。所以，在對(duì)機(jī)艙進(jìn)行巡回檢查時(shí)，主要對(duì)渦輪增壓器的冷卻水溫度與潤(rùn)滑油溫度展開(kāi)檢查。

3.6 汽油機(jī)爆震

當(dāng)出現(xiàn)汽油機(jī)爆震情況時(shí)，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)、發(fā)出比較嚴(yán)重的噪聲，更有甚者船身同樣會(huì)感到明顯的抖動(dòng)。其主要是因?yàn)槿紵掖罅糠e碳、點(diǎn)火角過(guò)度提前、空燃比不符合要求、汽油機(jī)溫度過(guò)高、清潔度較差、燃油辛烷值偏低等。爆震問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致汽油機(jī)動(dòng)力降低，造成噪聲與油耗的增加、排出大量的有害氣體;最為嚴(yán)重的問(wèn)題是敲缸，會(huì)導(dǎo)致汽油機(jī)發(fā)生破損?，F(xiàn)階段，普通汽油機(jī)出現(xiàn)爆震情況的可能性很低，然而該問(wèn)題在渦輪增壓器上依然存在。當(dāng)前，解決渦輪增壓器汽油機(jī)爆震問(wèn)題最直接、最有效的方式是確保增壓后的空氣溫度有所下降。因此，也就凸顯出中冷器對(duì)于渦輪增壓器的重要價(jià)值，由于中冷器可以有效降低通過(guò)增壓后的空氣溫度，以削弱高溫對(duì)于汽油機(jī)造成的負(fù)面影響。如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)冷卻處理的、通過(guò)增壓后的空氣直接進(jìn)入到燃燒室中參與燃燒，就會(huì)造成汽油機(jī)燃燒室的溫度急劇上升，引起爆震問(wèn)題。相關(guān)研究表明：增壓以后的空氣溫度每降低10℃，汽油機(jī)的功率就可以增加3%～5%。

4 結(jié)論

綜上所述，渦輪增壓器是船舶十分重要的零部件之一，對(duì)船舶的安全行駛有著極其重要的意義。在船舶行駛過(guò)程中，受多方面因素的影響，導(dǎo)致渦輪增壓器發(fā)生各式各樣的故障。當(dāng)前，船舶渦輪增壓器常見(jiàn)的故障主要有喘振、壓力升高或下降、軸承燒損、潤(rùn)滑油漏失、增壓器超溫、汽油機(jī)爆震等。對(duì)于此，應(yīng)采取合理的改進(jìn)措施，以確保船舶行駛的安全性。

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