陳龍殿

上海能垣海運(yùn)有限公司，中國(guó)·上海 200090

1 引言

船用柴油機(jī)喘振是船上管理者非常頭疼的事情，因?yàn)樗鼛?lái)了一系列問題，比如損壞軸承，破壞油密封、氣密封等。那么怎樣避免這樣事情發(fā)生呢？首要的問題我們要了解發(fā)生喘振的機(jī)理，喘振是發(fā)生在壓氣器端的，所以有必要了解離心式壓氣機(jī)的工作特性。

2 離心式壓氣機(jī)

離心式壓氣機(jī)在各種不同工況工作時(shí)，它的各主要參數(shù)會(huì)隨之變化。在不同轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)的排出壓力和效率隨空氣流量的變化規(guī)律稱之為離心式壓氣機(jī)的特性。表示這種特性的曲線叫壓氣機(jī)的特性曲線。

從圖1中可以看到，當(dāng)轉(zhuǎn)速（速度線）等于常數(shù)時(shí)，隨著流量的減少，壓力比開始是增加的。當(dāng)流量減少到某一值時(shí)，壓力比值最大，然后隨流量減少開始下降。效率（效率線）隨流量的變化規(guī)律與壓力比類似，不過比速度線更明顯。當(dāng)壓氣機(jī)的流量減少到一定值后，氣體進(jìn)入工作葉輪和擴(kuò)壓器的方向偏離設(shè)計(jì)工況，造成氣流從葉片或擴(kuò)壓器上強(qiáng)烈分離，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動(dòng)，并有氣體倒流，引起壓氣機(jī)工作不穩(wěn)定，導(dǎo)致壓氣機(jī)振動(dòng)，并發(fā)出異常的響聲。這種現(xiàn)象稱為壓氣機(jī)喘振。喘振是壓氣機(jī)的固有特性。如圖1喘振線，其左方為喘振區(qū)，右方為穩(wěn)定工作區(qū)。壓氣機(jī)是不允許在喘振區(qū)工作。

圖1 壓氣機(jī)的特性曲線

產(chǎn)生喘振的原因是當(dāng)流量小于設(shè)計(jì)值很多時(shí)在葉輪進(jìn)口和擴(kuò)壓器葉片內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流分離。如上兩圖分別為壓氣機(jī)流量變化時(shí)空氣在葉輪前緣和擴(kuò)壓器中的流動(dòng)情況。在設(shè)計(jì)流量下，如圖2（a）和圖3（a）所示，氣流平順地流進(jìn)葉片前緣和擴(kuò)壓器，氣流與葉輪葉片、擴(kuò)壓器葉片既不發(fā)生撞擊，也不產(chǎn)生分離。當(dāng)流量大于設(shè)計(jì)流量時(shí)，如圖2（b）和圖3（b）中所示，氣流在葉輪葉片前緣沖向葉片的凸面，與葉片的凹面發(fā)生分離；在擴(kuò)壓器中氣流沖向葉片的凹面，與葉片的凸面發(fā)生分離。但是，由于葉輪葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)壓向氣流分離區(qū)，擴(kuò)壓器中氣流的圓周向流動(dòng)壓向氣流分離區(qū)，氣流的分離區(qū)受到限制，不致隨流量的增壓而過分地?cái)U(kuò)大。當(dāng)流量小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，如圖3（c）中所示，氣流在葉輪葉片前緣沖向葉片的凹面，與葉片的凸面發(fā)生分離；在擴(kuò)壓器中氣流沖向葉片的凸面，與葉片的凹面發(fā)生分離。由于葉輪葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)中要離開氣流分離區(qū)，擴(kuò)壓器中氣流的圓周向流動(dòng)也使氣流離開氣流分離區(qū)，氣流分離區(qū)有擴(kuò)展的趨勢(shì)。隨著流量的減少，氣流分離區(qū)會(huì)愈來(lái)愈大，以致在葉輪和擴(kuò)壓器中造成氣體倒流，發(fā)生不穩(wěn)定流動(dòng)，最終導(dǎo)致喘振的產(chǎn)生。一般擴(kuò)壓器葉片內(nèi)氣流分離的擴(kuò)展是壓氣機(jī)喘振的主要原因，而葉輪進(jìn)口處氣流分離的擴(kuò)展會(huì)使喘振加劇。機(jī)理理清楚了，那么針對(duì)引起氣體流量減少有哪些原因呢？

圖2 空氣在工作輪片前緣附近的流動(dòng)情況

圖3 空氣在擴(kuò)壓器前緣附近的流動(dòng)情況

首先最有可能是氣流通道堵塞，增壓系統(tǒng)的氣體流動(dòng)路線是這樣的：壓氣機(jī)進(jìn)口濾器和消音器→壓氣機(jī)葉輪→壓氣機(jī)擴(kuò)壓器→空氣冷卻器→掃氣箱（進(jìn)氣總管）→柴油機(jī)的進(jìn)氣口（閥）→排氣口（閥）→排氣管→廢氣渦輪噴嘴環(huán)→廢氣渦輪葉輪→廢氣鍋爐→煙囪 上述流動(dòng)路線中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生阻塞，如臟污、結(jié)炭變形等都會(huì)因流阻增大而使壓氣機(jī)流量減少，背壓升高，引起喘振。其中易臟堵的部件是進(jìn)口濾器，壓氣機(jī)葉輪和擴(kuò)壓器，空氣冷卻器，氣缸進(jìn)氣口和排氣口，渦輪噴嘴環(huán)和葉輪，另外，渦輪的噴嘴環(huán)極易發(fā)生熱變形[1]。

3 船用柴油機(jī)增壓器維護(hù)管理

管理中應(yīng)注意檢查上述部件的污損，并加以清潔。特別是噴嘴環(huán)和空冷器，一個(gè)在廢氣端，直接影響渦輪的轉(zhuǎn)速，最終影響進(jìn)氣量；一個(gè)在進(jìn)去端直接影響進(jìn)氣流量，而且比較難以拆除清潔的，做起來(lái)是比較大的工程，一般上船上做不了，所以作為公司管理船舶人員要對(duì)此引起足夠重視，當(dāng)發(fā)現(xiàn)臟了，及時(shí)找外協(xié)專業(yè)人員到船上把這個(gè)問題解決掉，以免引起嚴(yán)重后果。

另外是增壓器和柴油機(jī)的運(yùn)行失配造成的：對(duì)于設(shè)計(jì)時(shí)選配良好的柴油機(jī)和增壓器，在正常情況下不會(huì)發(fā)生喘振的，但是由于柴油機(jī)本身的某些故障或者由于裝載、頂風(fēng)、污底、環(huán)境溫度變化等原因，或者由于輪機(jī)員操作不當(dāng)以及在大風(fēng)浪天航行都可能導(dǎo)致柴油機(jī)和增壓器匹配不良引起喘振。具體如下：

①柴油機(jī)噴油設(shè)備出現(xiàn)故障，柴油機(jī)活塞環(huán)斷裂或者粘著，氣閥燒損，這時(shí)如果柴油機(jī)的供油量不變，就會(huì)破壞柴油機(jī)和增壓器的正常匹配關(guān)系，導(dǎo)致壓氣機(jī)在高背壓小流量的狀態(tài)下工作，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)發(fā)生增壓器喘振[2]。②當(dāng)船舶滿載，頂風(fēng)，污底嚴(yán)重時(shí)，因阻力增加主機(jī)負(fù)荷加大，柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷下運(yùn)行氣缸耗氣降低而循環(huán)噴油量增加，廢氣量增大，也會(huì)使增壓器轉(zhuǎn)速升高，供氣量增多，這也容易引起增壓器和柴油機(jī)匹配不良而出現(xiàn)喘振。③若輪機(jī)人員操作不慎，可能使增壓器與柴油機(jī)失配而發(fā)生喘振，但不久又能恢復(fù)匹配關(guān)系，喘振即可自動(dòng)消失，如高速下停車，需急速將操縱桿拉到停油位置，急速降低主機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)也會(huì)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象；主機(jī)加速過快時(shí)增壓器也會(huì)發(fā)生短暫喘振。④船舶在風(fēng)浪航行發(fā)生飛車時(shí)，并聯(lián)增壓系統(tǒng)和單獨(dú)增壓系統(tǒng)會(huì)發(fā)生喘振。在并聯(lián)增壓時(shí)，輔助泵因轉(zhuǎn)速高供氣增多，使壓氣機(jī)背壓較高而流量減少，引起喘振；在單獨(dú)增壓系統(tǒng)時(shí)，若螺旋槳入水時(shí)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速過低，也會(huì)造成壓氣機(jī)阻塞而發(fā)生喘振。⑤有一種相對(duì)特殊脈沖增壓，一般都是定壓增壓的，這種增壓一缸熄火時(shí)，與之相連的渦輪功率減少，轉(zhuǎn)速下降，供氣能力降低，而其他增壓器正常工作，壓氣機(jī)的出口背壓仍與正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)相同，這對(duì)于同熄火缸相連的增壓器來(lái)說(shuō)背壓就顯得過高排量減少，發(fā)生喘振。由于喘振使得壓氣機(jī)出口壓力波動(dòng)幅度較大，甚至可能引發(fā)多臺(tái)增壓器交替喘振[3]。

⑥環(huán)境溫度的變化，在低溫時(shí)匹配的不帶空冷器的增壓器和柴油機(jī)如用在高溫海域時(shí)，或者在高溫時(shí)匹配的帶有空冷的增壓器和柴油機(jī)用在低溫海域時(shí)，由于兩者匹配關(guān)系的改變，運(yùn)行點(diǎn)更靠近喘振區(qū)，因而容易引起喘振。

如果船舶出現(xiàn)喘振了，怎樣去解決？案例分析：

某輪主機(jī)是8G32A，增壓器是TPL65-A33該輪空載從中國(guó)南方港口開往北方港口裝貨，在舟山附近遇到寒流，風(fēng)力有8-9級(jí)，因?yàn)榇强蛰d，所以搖得很厲害，螺旋槳忽高忽低，主機(jī)轉(zhuǎn)速變化很大，就聽見增壓器喘振聲不絕于耳，連續(xù)不斷，主機(jī)降速還是沒有多少改觀，壓載艙已經(jīng)壓滿，不能再壓了，沒有辦法只能進(jìn)行風(fēng)暴壓載，貨艙也基本上壓滿，此時(shí)船搖晃好多了，主機(jī)降速到一個(gè)合適速度，增壓器喘振明顯好多了，不連續(xù)了，偶爾一下船可以開了，以上喘振現(xiàn)象已經(jīng)很嚴(yán)重了，公司決定到北方某個(gè)船廠進(jìn)行臨航修，解決這個(gè)喘振問題。

通過對(duì)喘振機(jī)理、匹配分析，結(jié)合本船實(shí)際情況，因?yàn)樵谏弦欢螘r(shí)間在南方拋錨很長(zhǎng)時(shí)間，接近半個(gè)月，估計(jì)船底長(zhǎng)很多海蠣子，主機(jī)有接近七千小時(shí)沒有打開檢查排氣閥、進(jìn)氣閥、活塞環(huán)、進(jìn)氣道、排氣道等檢查，增壓器渦輪端噴嘴環(huán)，渦輪，進(jìn)去端葉輪和擴(kuò)壓器等都檢查。船進(jìn)塢后真如分析判斷一樣，船底很臟，如圖4所示船底附著海生物確實(shí)很嚴(yán)重，進(jìn)塢能徹底清除干凈，然后涂上油漆。機(jī)器方面經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)渦輪葉片有兩個(gè)損壞，不完整了，缺少一部分，噴嘴環(huán)已經(jīng)變形。進(jìn)氣方面空冷器也很臟，對(duì)以上的發(fā)現(xiàn)的問題，在修船廠逐一解決掉，吊缸檢查，清潔進(jìn)氣口、排氣口，增壓器渦輪更換新的，噴嘴環(huán)換新，空冷器化學(xué)清洗，經(jīng)過這一系列操作后，船再開出去，工況大為改觀，喘振現(xiàn)象徹底消失，這就是理論結(jié)合實(shí)際典型案例。

圖4 船底附著海生物

那么怎樣避免喘振發(fā)生，又怎樣維護(hù)保養(yǎng)以及管理使喘振少發(fā)生甚至不發(fā)生呢？我想從以下幾個(gè)方面著手來(lái)做：

①?gòu)倪x配上入手，主機(jī)和增壓器配置要合理，增壓器容量要大些，這樣主機(jī)在很寬的負(fù)荷范圍內(nèi)都不會(huì)喘振即基本上都在喘振線右邊區(qū)域工作。

②定時(shí)維護(hù)保養(yǎng)和視情維護(hù)保養(yǎng)相結(jié)合，特別要重視視情維護(hù)，根據(jù)觀察設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行工況，參數(shù)及時(shí)分析，這樣才能及時(shí)掌握設(shè)備要不要維護(hù)和修理，不要等到故障后再修理，那就非常被動(dòng)了，也會(huì)造成不必要損失。

③操作主機(jī)要規(guī)范，最好辦法是有一個(gè)帶負(fù)荷限制操作系統(tǒng)，用程序來(lái)限制粗暴操車的陋習(xí)，這樣就會(huì)避免因操車帶來(lái)的喘振。

④航行時(shí)若遇到惡劣海況，特別夏季臺(tái)風(fēng)，冬季強(qiáng)冷空氣這種狀況時(shí)，船舶能拋就盡量拋錨躲避，等海況好轉(zhuǎn)時(shí)再開，這樣就避免因大風(fēng)浪導(dǎo)致轉(zhuǎn)速變化太大，從而避免喘振的可能。

⑤船舶常規(guī)保養(yǎng)一定要及時(shí)到位，比如增壓器壓氣端濾網(wǎng)臟了就立即更換或清洗，渦輪要用核桃殼粉沫按時(shí)干洗，壓器端要定期水洗，油頭、排氣閥發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決，燃油濾器、空冷器水側(cè)等及時(shí)清洗和疏通。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，船舶建成后基本上不會(huì)改變，關(guān)鍵是后期管理工作，怎樣做到科學(xué)有效管理是至關(guān)重要的，是決定是否杜絕或者極少發(fā)生喘振最重要的要素。