柴油機透平喘振的原因及增壓系統維護保養

2022-07-30 02:27:03 字數 4558 閱讀 5250

增壓器喘振是壓氣機的固有特性,在增壓器和柴油機選配上,當柴油機在高效率區執行時,一般不會發生喘振。但當柴油機或增壓器工作條件發生變化,例如當出現增壓器系統空氣的通道堵塞,柴油機負荷過高或過低、負荷不均或負荷突變,柴油機或增壓器本身的故障等情況下,柴油機和增壓器的平衡就會破壞,使工作點進入喘振區而發生喘振。在現代柴油機和增壓器的選配上,根據壓氣機和柴油機的配合特性,執行配合時所留的餘量較小,增壓器或柴油機執行工況稍有變化,極易進入喘振區而發生喘振。

增壓器喘振時氣流強烈顫動,壓氣機出口壓力、氣體流量大幅下降,同時引起壓氣機葉片強烈震動並伴有噪音,有時會產生很大的「彭彭」聲。喘振會不僅使增壓器效能減低,影響柴油機的燃燒,嚴重時會使壓氣機零件和增壓器軸承損壞。因此在執行過程中盡量避免增壓器發生喘振。

1. 發生喘振的具體原因、消除方法

我們都知道,增壓器喘振的機理是當壓氣機在某一小流量下工作,引起葉輪在擴壓管的葉片通道內產生強烈的氣流分離所致。下面各種因素都有可能引起壓氣機工作在小流量和高背壓工況下,從而引起喘振。

1.1 空氣流通阻力的增加

柴油機增壓系統由柴油發動機、導氣管、增壓器、空氣冷卻器組成。柴油機執行時,氣體的流動路線是:進氣濾網(包括消音器)--壓氣機葉輪壓氣機擴壓管空氣冷卻器(中冷器)掃氣箱氣缸進氣口(閥)氣缸排氣口(閥)--排氣管(包括隔柵)--廢氣渦輪噴嘴環廢氣渦輪葉片煙管廢氣鍋爐煙囪。

在上述氣體流動路線中的任一環節,若因汙染、變形、積炭、結垢嚴重或其他原因引起阻塞,就會使流阻增大,壓氣機的負擔增加,引起壓氣機流量減少,背壓公升高,導致柴油機和增壓器的聯合執行工況接近喘振線而發生喘振。其中最容易髒汙的部件是進氣濾網、壓氣機葉輪與擴壓管、空冷器和廢氣渦輪噴嘴環、葉輪,氣缸進、出口(閥)容易積炭。

(1)由於機艙的油汙,裝卸貨和空氣中的灰塵,壓氣機進氣濾網和消音器容易髒汙阻塞。這不僅會使壓氣機進氣阻力增大,供氣量減少,壓縮比減低,而且會導致柴油機排溫上公升,廢氣能量增大,增壓器轉速隨之上公升,容易引起超速和喘振。所以當壓差超過100mm水柱時,要及時清潔進氣濾網,對損壞的壓差計要恢復使用。

有的船舶進氣濾網過厚,造成進氣量不足,排溫公升高,必要時申請正規的進氣濾網。拆檢增壓器時,檢查消音器的汙染、阻塞狀況,必要時用化學劑清潔。

(2)壓氣機葉片和擴壓器嚴重結垢。工作葉輪以及擴壓器葉片在長期工作後,常會累積一些汙垢。這時,在同樣轉速下,壓氣機的效率和壓縮比都將減低。

一方面,因阻力的增加而使流量減少;另一方面,又因效率下降使同樣轉速下的壓縮比下降而影響壓氣機的流量特性。當結垢到一定程度,會發生喘振。所以除做好渦輪增壓器的定期檢修外,正常執行時做好壓氣端的清洗工作。

壓氣端清洗雖然比較簡單,但要嚴格根據說明書的要求進行,清洗程式要貼上在增壓器旁邊。由於壓氣機在運轉中清洗往往是將一定量的水或水和化學劑的混合物噴入壓氣機,使得掃氣中帶有水份,清洗時要加大氣缸油的注油量一倍左右,清洗完柴油機執行一段時間後調回。

(3)空冷器分海水側和空氣側髒堵。

a、當船舶航行在高溫海域時,海水溫度和外界環境溫度公升高,如果空冷器水側髒堵時,空冷器冷卻效果減低,換熱效果較差,從而造成葉輪的空氣入口溫度較高,流量減少,增壓器和柴油機二者匹配關係改變而引起喘振。這裡要說明一點,在高增壓柴油機系統中,執行時空氣壓力比海水壓力高,如果空冷器管子因腐蝕而穿孔,空氣會進入海水中,使冷卻海水管充滿氣泡而影響冷卻效果,掃氣溫度一直降不下來,這種現象不少船上發生過。

b、由於空氣中灰塵、壓氣機的水洗,空氣側容易髒堵,引起氣流的流通面積減少,氣體流量減少,流動阻力增大,壓氣機背壓公升高而發生喘振。所以對空冷器空氣面定期進行化學清洗,清除贓物,一般每條船都有專門的空冷器化學清洗管路和裝置,要根據說明書的要求進行操作,空冷器的壓差不超過200mm水柱,損壞的壓差計要恢復工作。

(4)氣缸進排氣口(閥)積炭和油汙,口琴閥髒汙或閥片損壞等造成氣口氣流面積減少,使流阻增大。致使壓氣機的空氣流量減少、背壓公升高和發生喘振。所以要經常檢查清潔掃氣箱和進氣口;有口琴閥柴油機的要定期拆檢清潔,保證進氣暢通,如果口琴閥片損壞或斷裂,會引起掃氣倒流,使工作缸掃氣壓力不足,柴油機燃燒不良、排溫公升高,而且還會使掃氣道壓力公升高,壓氣機背壓公升高。

(5)廢氣渦輪側積炭。柴油機燒重油和長期燃燒不良,在渦輪的噴嘴環和葉輪的葉片上會有積炭和附有氧化物,導致渦輪通道截面減少和流量下降,噴嘴環截面的減少又促進增壓器轉速的提高,增壓壓力提高,因而結垢嚴重到一定程度時,也會使增壓器工作點進入喘振區而發生喘振。所以除定期拆檢清潔外,執行中要根據說明書的要求進行水洗或乾洗。

這裡要說明一下的是:如果長期未沖洗的,不主張再進行沖洗,因為這時候的沖洗反而會因葉輪的區域性位置沖洗不乾淨而造成轉子的不平衡而使增壓器振動,損壞軸承等增壓器重要部件。目前的沖洗方法很多,裝置和操作程式也較複雜,沖洗時的沖洗程式必須張貼在主機透平旁邊,嚴格按照操作程式進行,不論那種型號的透平,水沖洗前檢查透平的排汙(放殘)閥是否暢通?

如果排汙不暢通,萬萬不可沖洗透平,一旦沖洗透平,沖洗下來的菸灰水不能排出,就會造成透平液擊,嚴重損壞透平。另一點要注意的是:沖洗後要讓透平有足夠的滿負荷工作時間,以便透平內的菸灰水迅速蒸發乾燥,這是因為菸灰的硫份與水混合後形成很強的酸性腐蝕,對增壓器的噴嘴環、葉輪、葉片和蝸殼都會產生嚴重腐蝕,除使葉片頂部和噴嘴環罩間隙增大外,蝸殼會腐蝕而變薄而漏水。

船舶副機的增壓器水洗往往多是在停發電機時進行,沖洗後要保持執行一段時間,使增壓器內徹底乾燥,千萬不能沖洗透平後馬上停車。

(6)廢氣總管到渦輪前面的廢氣保護格柵因贓物或異物堵塞,引起渦輪效率下降,導致流經的壓氣機的空氣流量減少而發生喘振。有些柴油機,由於燃燒不好等各種原因,很容易使格柵孔堵塞,有的甚至要用鑽頭去鑽才能清通格柵孔。也曾發現格柵損害,起不到保護作用,而且損壞的格柵卡阻在噴嘴環處,碰到了葉片,使葉片受損。

所以一定要定期檢查排氣總管和格柵,及時清除贓物或異物,發現格柵受損要更換。

(7)廢氣鍋爐煙道積炭髒堵,渦輪後背壓上公升,引起渦輪效率下降,導致流經壓氣機的空氣流量減少而發生喘振。所以要按時給廢氣鍋爐吹灰和內部煙道開啟清洗:目前生產的船用廢氣鍋爐,都設計安裝了蒸汽吹灰器或加藥粉使菸灰鬆散,航行中,主管人員必須按說明書要求定時對廢氣鍋爐進行吹灰或加藥。

1.2 增壓器或柴油機本身的故障,柴油機執行工況不良

(1)壓氣機葉輪損壞、變形或過量腐蝕,使壓氣能力減弱;渦輪葉片損壞,引起渦輪效率下降,導致流經壓氣機的空氣流量減少,嚴重時增壓器發生喘振。

(2)渦輪葉片和噴嘴環變形,渦輪葉片頂部及噴嘴環罩內表面被腐蝕,使兩者之間配合間隙增大,都會引起渦輪效率下降,導致流經壓氣機的空氣流量減少而發生喘振。對於有些老齡船,經常發生。

(3)柴油機本身原因。柴油機由於執行工況不良,各缸負荷嚴重不均,活塞環和缸套磨損漏氣、主機排氣閥洩漏、燃油霧化不良、噴油提前角太小、後燃嚴重等原因導致排溫高,使主機在一定轉速下,其排出的廢氣能量高,使增壓器轉速更高,壓氣機背壓公升高而發生喘振。所以要查明主機排煙溫度高的原因,並做相應保養和調整,使主機執行在良好的工況下。

(4)增壓器檢修後發生喘振。有些老齡船,由於增壓器拆修後執行工況變好,而柴油機保持原來的執行工況,使得兩者失配,引起喘振。有的由於增壓器拆檢時各裝配間隙沒有調好,經重新檢查、調整後喘振消失。

1.3 運轉中的增壓器和柴油機暫時失配和船體阻力增大

(1)在柴油機操作過程中,如果加速或減速過快,則可能因柴油機和增壓器暫時的失配而發生喘振,當正常運轉時,又恢復匹配關係,喘振現象自動消失,所以在非緊急情況下,輪機員或駕駛員操作時要避免緊急停車、加速或減速過快。

(2)船舶在輕載、大風浪情況下,螺旋槳時而露出水面,時而下沉時,柴油機轉速和負荷發生突變,或在頂風、頂浪時,此時主機油門大而轉速低,油門大廢氣能量就大,透平轉速公升高,壓氣機產生的掃氣量就多,而此時柴油機的轉速低,氣缸耗氣量少,從而使壓氣機在高背壓小流量狀況下工作,嚴重時增壓器發生喘振。這時要適當壓載或減低轉速,防止柴油機發生飛車。

(3)船底髒汙,使船體阻力增大,相當於主機執行在高負荷、低轉速下,主機油門大而轉速低,因進氣壓力的增加而流量變化不大,此時執行線有可能進入喘振區而發生喘振。需要刮船底或進塢清潔油漆船底。

1.4 其他原因

(1)增壓器和流道的自身結構缺陷。這需要從設計上加以改善。

(2)有些大型柴油機或老齡船上配置有兩台或兩台以上的增壓器,如果一台增壓器發生喘振,必然會導致另一台增壓器工作不穩定,從而使兩台增壓器交替喘振。

2. 增壓系統的維護保養

除以上所述的增壓器壓氣機、廢氣渦輪機的沖洗等外,還必須:

2.1 透平潤滑油的定期更換:透平油如果混有雜質、渾濁變質或油量不足,會很快引起透平軸承的損壞,所以要根據說明書的要求定時更換和補充。

如果執行時間不長透平油顏色變化,一定要找出原因消除隱患。

2.2 起動時檢查透平油幫浦的幫浦油情況:當主機停車時間過長或剛更換完透平油,往往會發生油幫浦不供油,如果時間長了會嚴重損壞軸承。

所以離港主機動車時,一定要檢查油幫浦的工作情況,如果不供油,用油壺在油幫浦上加些油就可解決問題。

2.3 增壓器拆裝前,一定要詳細閱讀說明書,了解其內部結構、拆裝順序,準備好專用工具。組裝時要注意裝配間隙以及間隙的調整方法。

3. 總結

喘振是壓氣機的固有特性,是沒有辦法從根本上絕對避免的,只能通過加強維護管理和定期檢修來預防喘振的發生。但喘振不只是取決於壓氣機的唯一特性,它的工作狀況是由整個系統中各個部件協調配合所決定的,在船舶實際執行中,渦輪增壓器、柴油機、廢氣鍋爐等裝置以及船體、海況等因素互相影響,渦輪增壓器產生喘振的原因很複雜,有時由多種因素共同造成。船舶輪機員除加強柴油機、增壓器、鍋爐及其附屬裝置等的維修保養外,當增壓器發生喘振時應從不同環節分析其原因,然後從可能性最大的原因開始排除故障,正確、及時處理喘振問題,保證船舶柴油機的正常執行,避免增壓器大的機損事故的發生。

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