船舶渦輪增壓器的常見故障診斷與改進措施

俞劍 李飛宇 徐飛

摘 要 近年來，渦輪增壓器已實現(xiàn)在船舶中的普及化應(yīng)用，既提高柴油機的功率又加強其經(jīng)濟性;然而，增壓系統(tǒng)運行好壞對柴油機的性能有直接性的影響。渦輪增壓器工作環(huán)境比較惡劣，柴油機長時間低負荷運作，會導致增壓器出現(xiàn)故障，進而對船舶航行性能產(chǎn)生影響?；诖?，本文就船舶渦輪增壓器的常見故障診斷與改進措施進行深入的研究，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 潤滑油漏失

中圖分類號：U664.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）06-0124-03

從船舶增壓器發(fā)展歷程來看，初期應(yīng)用的都是機械增壓技術(shù)，機械增壓器是以汽油機尾氣排量不增加為前提，使得動力輪輸出有所提高，直接借助汽油機的局部動力以帶動增壓器，再將增壓后的高密度空氣壓送到氣缸內(nèi)以促使汽油機輸出功率的提高。然而，在汽油機高速運行時，機械增壓則會發(fā)生進氣效率低的問題，進而造成增壓器效率相對偏低，無法達到既定效果。在此背景下，人們以機械增壓器為前提開發(fā)出了渦輪增壓器，同時將其大量運用于船舶主體中。

1 船舶渦輪增壓器概述

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

從渦輪增壓器的優(yōu)點來看，渦輪增壓器可以在柴油機運行容積不發(fā)生變化的基礎(chǔ)上，使得柴油發(fā)動機的扭矩和功率有所提高，同時可以減少排放和油耗及;完全滿足當前“功率大、船型小”的需求。

從渦輪增壓器的缺點來看，一方面，渦輪遲滯。由于渦輪增壓主要是利用廢氣驅(qū)動的方式，首先應(yīng)形成廢氣，增壓器才可運作，因此渦輪增壓器的工作與柴油發(fā)動機汽缸相比具有一定的滯后性，并且因為泵輪和渦輪高速轉(zhuǎn)動時有著極大的慣性，在發(fā)動機工況發(fā)生變化時，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)動機比較差，此即渦輪遲滯問題。例如：在柴油快艇對航道進行日常巡查時，主機在轉(zhuǎn)速達到3600轉(zhuǎn)時急劇減少油門、降低轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速漸漸降至1000轉(zhuǎn)，此時再次加大油門、提高轉(zhuǎn)速，此時因為之前減少油門、降低轉(zhuǎn)速，導致進氣壓力下降，如果再次加大油門，則需重新形成高進氣壓力，從加大油門至增壓空氣燃燒，在此過程中有著較長的時間差，便可以體會到此種渦輪遲滯。另一方面，不得長期渦輪怠速。渦輪增壓器要想保持正常運行狀態(tài)，則需形成廢氣構(gòu)建相應(yīng)的壓力，若柴油機長期保持低轉(zhuǎn)速怠速狀態(tài)，不但會導致機油壓力無法建立、主機潤滑效果較差，對柴油機潤滑系統(tǒng)產(chǎn)生影響，還會引起機損事故[1];與此同時，轉(zhuǎn)速較低難以吹動渦輪，造成氣缸進氣量大幅縮減，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、維護保養(yǎng)不到位。船舶駕駛?cè)藛T采取不當?shù)牟僮餍问剑缰鳈C啟動熱車以后，才可漸漸加大油門而提高航速，部分駕駛員在開機后便直接加大油門，極易導致機器受傷;再如在船舶返航后，主機仍需保持怠速，而后才可關(guān)閉主機，部分駕駛員在船舶停好后便直接關(guān)機，此同樣會導致機器受傷;部分輪機員并未定期對渦輪增壓器進行保養(yǎng)，例如更換機油、清洗空氣濾網(wǎng)等等，同樣極易導致渦輪增壓器發(fā)生故障。另一方面，機器方面的因素。第一，渦輪增壓器自身質(zhì)量較差，極易發(fā)生耗損而導致故障。市場中出售的渦輪增壓器質(zhì)量有好有壞且價格也不相同，難以確保其質(zhì)量[2]。第二，渦輪增壓器和主機配套存在問題，為避免出現(xiàn)“大牛拉小車”或者“小牛拉大車”的問題，需按照船舶主體功率來選擇渦輪增壓器，主機功率往往與燃油量、空氣成正比。如果主機排量及功率已經(jīng)確定，基于各種需求來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故障診斷及改進措施

3.1 喘振故障

近幾年內(nèi)，伴隨船舶應(yīng)用頻率與負載量的進一步增加，柴油機故障的發(fā)生率也在不斷上升，其中渦輪增壓器喘振就是比較常見的故障。如果渦輪增壓器發(fā)生喘振故障，會引起壓氣機葉輪損壞、軸承損壞以及柴油機粗暴工作等惡劣影響;如果喘振故障無法得到及時排除，柴油機僅可降低功率使用又或是關(guān)機停用，對船舶安全行駛有極大的負面影響。渦輪增壓器喘振是其獨有的特征，是在進氣量降低至某種程度時所出現(xiàn)的非正常工作狀況下的振動，往往呈現(xiàn)為壓氣機產(chǎn)生異常的波動，同時還會出現(xiàn)極大的吼叫聲。渦輪增壓器形成喘振的機理相對復雜，在壓氣機處在“高背壓、低流量”工作情況時，進入到壓氣機中的空氣流向和壓氣機葉片入口間就會形成沖角，當該角度達到某種程度時，壓氣機葉片和進氣流間就會出現(xiàn)異常的氣流分離，此氣流會周期反復產(chǎn)生，氣流速度、壓力以及流量等都會發(fā)生嚴重變化。

引起喘振故障的因素主要有以下幾種：第一，柴油機發(fā)生故障。柴油機因為各缸的負荷差異較大，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，進而引起增壓器轉(zhuǎn)動速度的加快，導致壓氣端出氣量小于吸氣量則會出現(xiàn)喘振故障。第二，增壓器發(fā)生故障。壓氣機葉輪發(fā)生破損或者是形變，會導致增壓能力下降，造成效率降低，引起流經(jīng)壓氣機的空氣量下降，進而造成喘振。噴嘴環(huán)發(fā)生形變，會導致廢氣流速加快、壓氣機進氣流量增加、增壓器轉(zhuǎn)速升高，進而導致喘振[3]。第三，柴油機與增壓器失配造成的喘振。柴油機和增壓器在各類工況下是互相匹配運行的，比如在柴油機卸負載過程中，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)動速度因為受慣性等因素的影響而難以同步降低，導致多余的空氣累積在壓氣端進口位置處而引起喘振;當柴油機的載荷發(fā)生極大變化又或是出現(xiàn)過載情況時，柴油機燃燒狀態(tài)不佳，排氣管的廢氣能量增加，造成增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度加快，導致壓氣機出氣量小于吸氣量而引起喘振。

喘振故障的具體改進措施如下：第一，對柴油機燃油霧化狀況進行監(jiān)控，不斷加大噴油器養(yǎng)護力度，防止柴油機在高負荷條件下各缸負荷出現(xiàn)不均勻的情況。第二，根據(jù)說明書規(guī)定對柴油機進行正確的保養(yǎng)，及時對氣閥間隙進行檢查，避免氣閥間隙發(fā)生過小或過大的現(xiàn)象，造成氣閥未完全關(guān)閉，發(fā)生燒蝕等問題。第三，避免柴油機的負荷急劇增加或者下降。第四，強化監(jiān)控柴油機的各類參數(shù)，如果發(fā)現(xiàn)問題需立即排除問題。第五，根據(jù)說明書規(guī)定定期對壓氣側(cè)、增壓器側(cè)、中冷器、進氣濾網(wǎng)等進行清洗，確保氣道的順暢性。

3.2 壓力升高或下降

導致渦輪增壓器壓力升高或者下降的因素主要有以下幾點：第一，供油系統(tǒng)發(fā)生異常。主要包括燃料后燃、噴油延遲等問題，導致廢氣能量大幅上升，氣缸排氣升溫，將會造成以下兩種影響：（1）進口能量大幅增加，使得增壓器轉(zhuǎn)動速度加快，進而造成壓力隨著渦輪轉(zhuǎn)速加快而上升;（2）渦輪流量降低，使得壓氣機運行點轉(zhuǎn)向于喘振線，導致掃氣壓力升高，并且造成排氣溫度急劇上升，更有甚者還會引起渦輪管與排氣管發(fā)紅，嚴重影響到渦輪機的性能。因此，在渦輪增壓器運行過程中需及時發(fā)現(xiàn)和排除故障，科學調(diào)節(jié)噴油定時，嚴格控制后燃現(xiàn)象，如此不但可以減少油料消耗，而且還可以保護好渦輪機。第二，壓氣機空氣濾器、渦輪噴嘴、擴壓器以及葉輪等由于長時間運行而發(fā)生臟污。在渦輪增壓器運作過程中，壓氣機從機艙中吸入空氣。機艙空氣中含有大量的灰塵及油霧，非常容易粘附于擴壓器與葉輪上。如果柴油機的負荷出現(xiàn)改變，則會由于柴油機使用劣質(zhì)燃油、燃油燃燒不到位或是燃油噴射系統(tǒng)運行不佳而導致柴油機排氣的碳粒與油霧含量較高，導致葉輪和渦輪噴嘴環(huán)積碳而造成柴油機出現(xiàn)臟污、積炭問題。如果流道臟污，則會導致流動阻力加大，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，在渦輪增壓器運行過程中，需時常清洗旋轉(zhuǎn)部件，以保障渦輪增壓器維持良好的工況。第三，氣閥（口）過早開啟或出現(xiàn)漏氣。柴油機過早排氣導致渦輪進口出的溫度及壓力有所上升，會造成大量廢氣涌向渦輪機，渦輪機轉(zhuǎn)速加快，增壓壓力升高。對于此類狀況，合理的調(diào)整方式為延遲柴油機的排氣正時，使得燃氣在氣缸內(nèi)做更多的功，進而使排氣溫度及壓力降低，增壓壓力下降。在柴油機長期運作后，因為受機械故障、腐蝕或者磨損等因素的影響，導致排氣閥密封效果較差，燃氣從氣閥的間隙中漏出。因為燃氣溫度高、壓力大，事實上增加了渦輪進口氣體能量，因此會導致增壓壓力的升高。其主要改進方法如下：一方面，防止排氣閥過早開啟;另一方面，解決好排氣閥漏氣問題。

3.3 軸承燒損

對于渦輪增壓器而言，軸承是非常重要的部件，不但可確保轉(zhuǎn)子運行的可靠性和安全性，而且還可確保轉(zhuǎn)子精準固定增壓器是在輕負荷、高速、高溫環(huán)境下運行的，短期斷油、漏油或是油量偏少都會導致軸承器甚至是整個增壓器受損的嚴重事故。船舶柴油機在長時間運行以后，因為滑油的大量沉積而在滑油觀察鏡中轉(zhuǎn)變?yōu)槲酆?，導致滑油虛假油位，在工作過程中極易導致視覺層面的誤差而造成渦輪增壓器的油量較少，滑油壓力相對偏低，更有甚者還會發(fā)生斷油問題，從而引起軸承燒損。如果軸承發(fā)生燒損，則會發(fā)出異常的聲音，渦輪增壓器的轉(zhuǎn)動速度就會急劇降低，而無法繼續(xù)正常運行。因此，在航行值班期間，如果發(fā)現(xiàn)渦輪增壓器的轉(zhuǎn)動速度大幅降低，運作聲音有所異常，需立即停車對渦輪增壓器進行檢查，否則會引起更加嚴重的事故。如果及時予以處理，只有軸承發(fā)生燒壞，只需更換軸承便可;如果轉(zhuǎn)子嚴重燒損，難以修復到最初狀態(tài)，而處在特殊情況無法停車時，可及時采取應(yīng)急方案關(guān)停已經(jīng)受損的增壓器，降低柴油機的負荷，保持低速運作狀態(tài)[5]。在日常維護管理過程中，尤其是值班巡回檢查時，應(yīng)重視對軸承潤滑油的溫度及壓力進行檢查，利用觀察鏡對潤滑油的流動狀況實施檢查，不得出現(xiàn)流量下降或者斷油的問題。

3.4 潤滑油漏失

渦輪增壓器通過長時間運作以后，密封襯套間的距離就會變大，機端軸封受到破壞而造成排氣進入到軸承箱中，導致軸承箱壓力急劇上升，箱蓋螺栓發(fā)生松動而導致潤滑油漏失問題。

3.5 增壓器超溫

一般情況下，導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，另一方面是潤滑油溫度超出上限。所以，在對機艙進行巡回檢查時，主要對渦輪增壓器的冷卻水溫度與潤滑油溫度展開檢查。

3.6 汽油機爆震

當出現(xiàn)汽油機爆震情況時，會造成發(fā)動機抖動、發(fā)出比較嚴重的噪聲，更有甚者船身同樣會感到明顯的抖動。其主要是因為燃燒室大量積碳、點火角過度提前、空燃比不符合要求、汽油機溫度過高、清潔度較差、燃油辛烷值偏低等。爆震問題會導致汽油機動力降低，造成噪聲與油耗的增加、排出大量的有害氣體;最為嚴重的問題是敲缸，會導致汽油機發(fā)生破損?，F(xiàn)階段，普通汽油機出現(xiàn)爆震情況的可能性很低，然而該問題在渦輪增壓器上依然存在。當前，解決渦輪增壓器汽油機爆震問題最直接、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于渦輪增壓器的重要價值，由于中冷器可以有效降低通過增壓后的空氣溫度，以削弱高溫對于汽油機造成的負面影響。如果沒有經(jīng)過冷卻處理的、通過增壓后的空氣直接進入到燃燒室中參與燃燒，就會造成汽油機燃燒室的溫度急劇上升，引起爆震問題。相關(guān)研究表明：增壓以后的空氣溫度每降低10℃，汽油機的功率就可以增加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，對船舶的安全行駛有著極其重要的意義。在船舶行駛過程中，受多方面因素的影響，導致渦輪增壓器發(fā)生各式各樣的故障。當前，船舶渦輪增壓器常見的故障主要有喘振、壓力升高或下降、軸承燒損、潤滑油漏失、增壓器超溫、汽油機爆震等。對于此，應(yīng)采取合理的改進措施，以確保船舶行駛的安全性。

參考文獻：

[1] 馮金勇，馮明志，李靜芬，等.船舶柴油機動力渦輪與渦輪增壓器聯(lián)合優(yōu)化匹配研究[J].柴油機，2017，39 （02）：8-14.

[2] 林新通，詹玉龍，周薛毅，等.支持向量機在船舶柴油機廢氣渦輪增壓器故障診斷中的應(yīng)用[J].上海海事大學學報，2012，33（02）：18-21.

[3] 林穎毅.船舶廢氣渦輪增壓器喘振故障分析及排除[J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院學報，2012，11（03）：41-43.

[4] 夏勇.物理化學方法在線清洗船舶柴油機渦輪增壓器[J].后勤工程學院學報，2015，31（04）：47-50.

[5] 趙勇.環(huán)境溫度對船舶主機渦輪增壓器特性的影響研究[J].中國水運（下半月），2009，09（10）：133-135.