基于故障樹(shù)法的船舶柴油機(jī)順序增壓系統(tǒng)故障診斷

安伯瑞

摘要：順序增壓技術(shù)可以擴(kuò)大柴油機(jī)功率運(yùn)行范圍、提高低工況經(jīng)濟(jì)性以及降低柴油機(jī)有害排放，是改善柴油機(jī)低工況性能的重要方法。文章分析了船舶柴油機(jī)順序增壓系統(tǒng)的工作原理，針對(duì)柴油機(jī)順序增壓系統(tǒng)的喘振故障特點(diǎn)，采用故障樹(shù)方法，建立了柴油機(jī)順序增壓系統(tǒng)的喘振故障樹(shù)，可為船舶柴油機(jī)順序增壓系統(tǒng)的實(shí)際管理和故障排查提供參考。

關(guān)鍵詞：船舶;柴油機(jī);順序增壓系統(tǒng);故障樹(shù)

0 ?引言

柴油機(jī)與增壓器之間的匹配優(yōu)化是提高柴油機(jī)功率的一個(gè)主要限制因素，順序增壓系統(tǒng)是一種解決高功率密度柴油機(jī)與渦輪增壓器匹配時(shí)出現(xiàn)高低工況難以兼顧問(wèn)題的增壓系統(tǒng)，通過(guò)不同渦輪增壓器的切換，在不同工況下均可保持較高的效率，同時(shí)其結(jié)構(gòu)和控制相對(duì)簡(jiǎn)單，使得其在船舶柴油機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。順序增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜和零部件更加智能化、精密化，如若出現(xiàn)故障，通常是憑經(jīng)驗(yàn)和拆檢來(lái)查找故障，其拆檢、診斷、安裝更為復(fù)雜，精密的零部件也更容易損壞，找到故障的準(zhǔn)確位置也變得更加困難。如果在故障未發(fā)生之前，通過(guò)測(cè)量得到系統(tǒng)的一些征兆數(shù)據(jù)，然后利用現(xiàn)代信息處理科學(xué)等故障診斷理論進(jìn)行仔細(xì)診斷，提前預(yù)判柴油機(jī)順序增壓系統(tǒng)有可能發(fā)生的故障，然后根據(jù)診斷情況采用針對(duì)性的維修和預(yù)防措施，能夠有效保障柴油機(jī)順序增壓系統(tǒng)的持續(xù)工作。本文以船舶順序增壓系統(tǒng)的喘振故障為例，采用故障樹(shù)方法，建立了順序增壓系統(tǒng)的喘振故障樹(shù)，對(duì)實(shí)際工作具有參考意義。

1 ?柴油機(jī)順序增壓系統(tǒng)

對(duì)于順序增壓系統(tǒng)工作原理，如圖1所示，壓氣機(jī)C和渦輪T組成增壓器，分別為基本增壓器和受控增壓器，在順序增壓系統(tǒng)中兩套增壓器是并聯(lián)的，為了實(shí)現(xiàn)在柴油機(jī)在高工況時(shí)兩臺(tái)增壓器同時(shí)工作，以及在柴油機(jī)低負(fù)荷工況下能夠切斷一臺(tái)渦輪增壓器工作，應(yīng)在切斷的一臺(tái)增壓器的壓氣機(jī)和渦輪進(jìn)口前分別設(shè)置一個(gè)進(jìn)氣控制閥（也稱(chēng)作空氣閥）和一個(gè)排氣控制閥（也稱(chēng)作燃?xì)忾y），用來(lái)控制加入或切斷渦輪增壓器運(yùn)行，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速或負(fù)荷低于某一個(gè)設(shè)定值時(shí)，切斷一臺(tái)或多臺(tái)增壓器渦輪的廢氣以及壓氣機(jī)的空氣供給，使廢氣集中全部流給工作著的增壓器渦輪，如圖1（a）所示，對(duì)于低速工況，基本增壓器工作，受控增壓器停止工作，提高了渦輪效率;當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速或柴油機(jī)負(fù)荷高于某一設(shè)定值時(shí)，被切斷停止運(yùn)行的渦輪增壓器又重新投入使用，如圖1（b）所示，對(duì)于高速工況，基本增壓器和受控增壓器全部工作，使柴油機(jī)在高工況時(shí)運(yùn)行性能得到保證，這樣就能夠充分利用廢氣能量，大大提高增壓壓力，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)在低工況運(yùn)行時(shí)的排放性能、動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性[1]。

2 ?柴油機(jī)順序增壓系統(tǒng)喘振

順序增壓系統(tǒng)雖然能夠較好的匹配柴油機(jī)各個(gè)工況，但是仍然會(huì)產(chǎn)生喘振故障，喘振故障作為渦輪增壓器最為典型的故障現(xiàn)象，其故障特征表現(xiàn)為渦輪增壓器壓氣機(jī)端會(huì)出現(xiàn)劇烈的氣流波動(dòng)，同時(shí)會(huì)有“吼叫聲”發(fā)出[2]。增壓器產(chǎn)生喘振的原因較為復(fù)雜，對(duì)于常規(guī)的渦輪增壓器，由于增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不能很快地隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的下降而下降，使得渦輪增壓器的壓氣機(jī)端處于“低流量、高背壓”工況，會(huì)使得空氣進(jìn)入渦輪增壓器壓氣機(jī)端的氣流方向與壓氣機(jī)的葉片入口之間出現(xiàn)沖角，造成柴油機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行下增壓器發(fā)生喘振。雖然順序增壓系統(tǒng)能夠在低負(fù)荷下有效運(yùn)行，但是順序增壓系統(tǒng)切換過(guò)程中也是容易發(fā)生喘振的。對(duì)于順序增壓系統(tǒng)，根據(jù)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和工作負(fù)荷，設(shè)置不同渦輪增壓器投入工作或切斷工作切換點(diǎn)，該切換點(diǎn)的合理設(shè)置將決定柴油機(jī)與順序增壓系統(tǒng)之間的良好匹配效果。柴油機(jī)1TC（單增壓器）和2TC（雙增壓器）的切換點(diǎn)就是工作狀態(tài)相互切換時(shí)的運(yùn)行工況點(diǎn)。

選擇一個(gè)合適的切換點(diǎn)是順序增壓系統(tǒng)工作良好的標(biāo)志，不同的切換點(diǎn)將影響順序增壓柴油機(jī)在各高負(fù)荷工況、低負(fù)荷工況的輸出功率效率、燃油消耗率等。在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化負(fù)荷工況變化進(jìn)行增壓器切換時(shí)，空氣閥必須遲于燃?xì)忾y打開(kāi)，才能避免在切換過(guò)程中渦輪增壓器的壓氣機(jī)端產(chǎn)生喘振故障。也就是說(shuō)，當(dāng)柴油機(jī)順序增壓系統(tǒng)由單增壓器工作切換為雙增壓器工作時(shí)，如果切換延遲過(guò)小，將會(huì)導(dǎo)致受控增壓器的壓氣機(jī)端氣流導(dǎo)流，進(jìn)而發(fā)生喘振故障;如果切換延遲過(guò)大，當(dāng)空氣閥打開(kāi)后由于主增壓器的壓氣機(jī)端氣流流量過(guò)小，背壓過(guò)大，將會(huì)導(dǎo)致基本增壓器的壓氣機(jī)端發(fā)生喘振故障，與此同時(shí)，受控增壓器由于壓氣機(jī)端零流量、轉(zhuǎn)速過(guò)高也會(huì)發(fā)生喘振故障[3]。

3 ?基于故障樹(shù)法的順序增壓系統(tǒng)喘振診斷

3.1 故障樹(shù)方法

故障樹(shù)方法在故障排查與診斷中廣泛應(yīng)用，其是一種特殊的樹(shù)狀邏輯圖，用圖形符號(hào)的方式表示系統(tǒng)故障發(fā)生的可能原因，主要由頂事件、中間事件以及底事件組成，它們之間用圖形符號(hào)表示彼此之間的關(guān)系。對(duì)于頂事件，是指結(jié)果事件，為故障樹(shù)所分析的目標(biāo);對(duì)于底事件，一般位于故障樹(shù)的最底端，是指導(dǎo)致故障樹(shù)其他事件發(fā)生原因的時(shí)間;對(duì)于中間事件，其是位于頂事件和底事件之間的中間結(jié)果事件[4]。

3.2 故障診斷

順序增壓系統(tǒng)的氣流過(guò)程，如圖2所示。除上述順序增壓系統(tǒng)增壓器切換時(shí)間可能引起喘振故障之外，順序增壓系統(tǒng)的氣流通道堵塞也會(huì)使渦輪增壓器壓氣機(jī)喘振。在氣流流動(dòng)過(guò)程中，只要有其中一個(gè)流通環(huán)節(jié)發(fā)生阻塞，都會(huì)因?yàn)樽璧K氣流的流動(dòng)而引生喘振。因此在對(duì)順序增壓系統(tǒng)進(jìn)行維修保養(yǎng)時(shí)，應(yīng)注意對(duì)上述氣流方向涉及的通道進(jìn)行清潔檢查，特別是在空氣濾清器、壓氣機(jī)葉輪、中冷器、柴油機(jī)氣缸進(jìn)氣口與排氣口、順序增壓系統(tǒng)的渦輪噴嘴環(huán)和渦輪端葉輪。其中，順序增壓系統(tǒng)中渦輪增壓器渦輪端葉片的損壞以及增壓器軸承的燒毀也是產(chǎn)生增壓器喘振的重要原因。

根據(jù)上述分析建立順序增壓系統(tǒng)喘振故障樹(shù)，如圖3所示。從圖3中可以明顯的看出順序增壓系統(tǒng)喘振故障涉及的部件以及原因。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

本文基于故障樹(shù)方法，建立了包含進(jìn)排氣系統(tǒng)、軸承、轉(zhuǎn)子、噴嘴以及切換時(shí)間等要素的順序增壓系統(tǒng)喘振故障樹(shù)，可為船舶柴油機(jī)順序增壓系統(tǒng)保養(yǎng)、維修以及故障診斷提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]李勝達(dá).柴油機(jī)多階段及雙壓氣機(jī)順序增壓系統(tǒng)仿真研究[D].上海交通大學(xué)，2012.

[2]曾憲民.船用柴油機(jī)故障分析及輔助診斷系統(tǒng)[D].大連理工大學(xué)，2013.

[3]邱晗.基于故障樹(shù)和油液檢測(cè)的柴油機(jī)的故障診斷與研究[D].大連海事大學(xué)，2010.

[4]石凡，王銀燕，馮永明.船用高速柴油機(jī)多臺(tái)增壓器相繼增壓計(jì)算分析[J].船舶工程，2007（2）：24-28.