關(guān)于“port louis”輪主機增壓器喘振的探討

1、<p><b>　　大連海事大學(xué)</b></p><p><b>　　畢 業(yè) 論 文</b></p><p>　　二〇一〇 年 五 月</p><p>　　關(guān)于“PORT LOUIS”輪主機增壓器喘振的探討</p><p>　　專業(yè)班級：輪機管理 05級9班</p><

2、;p>　　姓 名： 蒲 位 </p><p>　　指導(dǎo)老師： </p><p><b>　　輪機工程學(xué)院</b></p><p><b>　　內(nèi)容摘要</b></p><p>　　摘要：本文主要分析了 PORT LOUIS 輪廢氣渦

3、輪增壓器工作原理，本輪的主機型號為MAN B&W 6S46MC-C，相應(yīng)的廢氣渦輪增壓器制造商為MAN B&W Diesel AG（Augsburg）。闡述了該廢氣渦輪增壓器裝置在日常工作中屢次發(fā)生喘振的不正常事件，針對此事件進一步闡述了廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局以及工作原理，根據(jù)原理查找并消除喘振原因，并提出了增壓器日常維護管理所需要注意的問題。</p><p>　　關(guān)鍵詞：廢氣渦輪增壓器 壓

4、氣機 渦輪機 擴壓器 噴嘴環(huán) 喘振 故障維護 </p><p>　　ABSTRACT: Analysis of principle of the Exhaust Gas Turbocharger system on the vessel named PORT LOUIS in this disquisition, and it is manufactured by MAN B&W Die

5、sel AG(Augsburg) in accordance to our main engine which type is MAN B&W 6S46MC-C. It expatiates something abnormal about the equipment because of surging condition. Describe the composition as well as the working pri

6、nciple of the equipment about the abnormal conditions. According to the principle we find where the trouble is and solv</p><p>　　Keywords: exhaust gas turbocharger compressor turbine diffuser noz

7、zle ring surge troubleshooting</p><p>　　目 錄</p><p>　　一 廢氣渦輪增壓器的喘振現(xiàn)象4</p><p>　　二 廢氣渦輪增壓系統(tǒng)及其部件工作原理5</p><p>　　三 喘振現(xiàn)象分析與判斷10</p><p>　　四 故障

8、的排除12</p><p><b>　　五 結(jié)論13</b></p><p><b>　　附圖:</b></p><p>　　“PORT LOUIS”輪單獨增壓系統(tǒng) （圖1）</p><p>　　“PORT LOUIS”輪廢氣渦輪增壓器 （圖 2）</p><p>

9、　　離心式壓氣機工作原理 （圖 3）</p><p>　　離心式壓氣機工作葉輪和擴壓器 （圖 4）</p><p>　　軸流式廢氣渦輪工作原理 （圖 5）</p><p>　　軸流式廢氣渦輪的噴嘴環(huán)和工作葉片 （圖 6）</p><p>　　壓氣機特性曲線 （圖 7）</p><p>　　關(guān)于“PORT LOUIS”

10、輪主機增壓器喘振的探討</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　柴油機由于在各種動力機械中熱效率最高，功率范圍寬廣，起動迅速，維修方便，運行可靠，使用壽命也很長，因而得到了廣泛應(yīng)用，特別是在運輸船舶上，柴油機作為主機和副機更是占有統(tǒng)治地位。我們都知道柴油機排出的廢氣所含的熱量約占燃油燃燒放出熱量的30%-37%，可喜的是在20世紀中期開始大規(guī)模商

11、業(yè)應(yīng)用的柴油機廢氣渦輪增壓技術(shù)解決了如何利用好廢氣能量以提高柴油機的功率以及工作效率這一至關(guān)重要的問題，隨著材料科學(xué)及制造技術(shù)的大力發(fā)展，時至今日，船用大功率柴油機的絕大部分均采用了廢氣渦輪增壓技術(shù)。由于廢氣渦輪增壓利用了主機燃燒后的廢氣能量來增加了充氣量以提高柴油機的功率，不僅使得柴油機的工作過程得到改善、油耗率下降、廢氣排放也得到很好的改觀。由此可見，船用柴油機自采用廢氣渦輪增壓技術(shù)后，柴油機的性能得到了全面的、大幅度的提高。<

12、;/p><p>　　廢氣渦輪增壓器這一設(shè)備是船舶增壓系統(tǒng)的核心部件，它的可靠性是保證船舶動力裝置正常安全運行的主要環(huán)節(jié)。增壓器最容易出現(xiàn)的故障即為喘振，喘振產(chǎn)生的原因可能是由于氣流通道堵塞造成氣流與葉片發(fā)生強烈撞擊與脫離，同樣船舶在風(fēng)浪天航行時駕駛員操舵不當(dāng)亦或者輪機員的誤操作使得增壓器和柴油機的匹配不良也可導(dǎo)致喘振的產(chǎn)生。本文結(jié)合了這兩方面的原因聯(lián)系實習(xí)期間我輪增壓器喘振的經(jīng)歷對廢氣渦輪增壓器的喘振現(xiàn)象進行了探討。

13、</p><p>　　一 廢氣渦輪增壓器的喘振現(xiàn)象</p><p>　　PORT LOUIS輪的廢氣渦輪增壓器制造商為MAN B&W Diesel AG（Augsburg），如圖1所示其采用的是單獨增壓系統(tǒng)，我輪的廢氣渦輪增壓器結(jié)構(gòu)布局則如圖2所示。喘振是壓氣機的固有特性，船舶動力裝置在正常運行的過程中只要使增壓器保持在穩(wěn)定工作區(qū)而非喘振區(qū)，則喘振現(xiàn)象理論上是可以避免的，但是當(dāng)

14、船舶航行在風(fēng)浪天由于操作不當(dāng)使得主機負荷加大、工作性能急劇惡化亦或者是由于增壓器本身的原因比如氣流通道堵塞、增壓器和柴油機的運行失配也能導(dǎo)致喘振的發(fā)生。本輪于09年11月29日在大風(fēng)浪天航行時增壓器發(fā)生3次喘振，輪機長和大管輪的意見分析為值班駕駛員在風(fēng)浪天不正常的反復(fù)大舵角操舵所致，后來的10年1月4日增壓器半天內(nèi)屢次發(fā)生喘振，經(jīng)故障分析后我們停車拆卸并清洗了渦輪機工作葉片，喘振現(xiàn)象得以消除。</p><p>　

15、　二 廢氣渦輪增壓系統(tǒng)及其部件工作原理</p><p>　　圖1 “PORT LOUIS”輪單獨增壓系統(tǒng)</p><p>　　“PORT LOUIS”輪為MAN B&W 6S46MC-C型直流掃氣式二沖程柴油機，該機型采用的是單獨增壓系統(tǒng)中的定壓增壓，輔助鼓風(fēng)機在起動和低負荷時使用。</p><p>　　圖2 “PORT LOUIS”輪廢氣渦輪增壓

16、器</p><p>　　1-廢氣進氣箱；2-噴嘴環(huán)；3-渦輪機工作葉輪；4-廢氣出口擴壓器；5-排氣箱；6.1-空氣進氣箱；6.2-消音器；7-襯墊；8-壓氣機工作葉輪；9-擴壓器；10-排氣蝸殼；11-隔熱墻</p><p>　　簡要說明：本輪廢氣渦輪增壓器包含一級軸流式透平和一級徑流式壓氣機；轉(zhuǎn)子由內(nèi)置安置的兩個平滑軸承來支撐；透平輪（3）和軸是一個整體，壓氣機工作葉輪（8）安裝在軸上

17、；軸承潤滑集成于主機的滑油循環(huán)系統(tǒng)；不含水冷卻，透平端殼體采用的是絕熱材料。</p><p>　　工作原理：在運行中主機的排氣通過廢氣轉(zhuǎn)變成熱能來驅(qū)動增壓器轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)。主機排氣通過廢氣管道依次經(jīng)過進氣箱（1）、噴嘴環(huán)（2）、透平輪（3）、廢氣出口擴壓器（4）、和排氣箱（5）來通過增壓器。與此同時，新鮮空氣由進氣箱（6.1）和消音器（6.2）進入并在流經(jīng)壓氣機工作葉輪（8）、擴壓器（9）和排氣蝸殼（10）時被壓縮，壓

18、縮后的空氣通過中間冷卻器和增壓空氣管路被壓送至主機氣缸。總的來說此過程使得主機的運行工況得到極大的提升。增壓器轉(zhuǎn)子通過安置介于透平輪（3）和壓氣機工作葉輪（8）之間的兩個平滑軸承而成徑向放置。壓氣機端的定位軸承既提供軸向定位又接收軸向推力；壓氣機端的定位軸承以及透平端的平滑軸承的潤滑是由來自主機滑油循環(huán)系統(tǒng)的兩根獨立的滑油供給管道實現(xiàn)的，此滑油除潤滑外也能起到冷卻軸承的作用。</p><p>　　圖3 離心式壓氣

19、機工作原理</p><p>　　工作原理：“PORT LOUIS”輪的廢氣渦輪增壓器采用的是單級離心式壓氣機。它由圖2中的進氣箱、壓氣機工作葉輪、擴壓器和排氣蝸殼組成。圖3中的1-1、2-2、3-3、4-4分別為上述各部件的交界面。增壓器工作的時候，氣體流經(jīng)壓氣機有3次能量的轉(zhuǎn)換：（1）外部新鮮空氣沿進氣箱軸向進入到壓氣機的工作葉輪中，而進氣箱中的氣流通道設(shè)計形狀是漸縮的，因此外部新鮮空氣流經(jīng)氣流通道后速度會提高

20、，壓力會稍微降低，即壓力能部分轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?；?）當(dāng)空氣進一步再進入到壓氣機的工作葉輪后，空氣因葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力而被甩到葉輪的葉片邊緣并被壓縮，此時氣體的速度進一步提升，壓力也會升高，這源于葉輪對氣體做功，此部分為機械能向氣體動能和壓力能的轉(zhuǎn)變；（3）最后氣體流經(jīng)排氣蝸殼，由于排氣蝸殼通道的設(shè)計形狀是漸擴的，所以氣體的流速降低、壓力升高，此即動能向壓力能的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　圖4 離心式壓氣機工作輪

21、和擴壓器</p><p>　　工作輪；（b）擴壓器</p><p>　　說明：工作葉輪是離心式壓氣機的主要部件。它是由前彎的導(dǎo)風(fēng)輪和半開式工作輪組成的。導(dǎo)風(fēng)輪的扭向和角度應(yīng)當(dāng)適應(yīng)氣流進入葉輪的相對流動方向，使氣流平順地從軸向轉(zhuǎn)到徑向，以減少進氣流動損失；在工作輪上沿徑向布置著直葉片，各葉片間形成氣流通道。兩部分分別裝在轉(zhuǎn)軸上。擴壓器（b）的通道設(shè)計形狀是漸擴的，它的作用是把流經(jīng)此處的氣體的

22、動能轉(zhuǎn)變成壓力能。</p><p>　　說明：圖5中的I-I切割面為平面葉柵；主機排氣流經(jīng)渦輪機的過程中p0-p1-p2為氣體的壓力變化曲線、T0-T1-T2為氣體的溫度變化曲線、C0-C1-C2為氣體的速度變化曲線。</p><p>　　工作原理：軸流式廢氣渦輪的工作原理圖如圖5所示，圖6中的噴嘴環(huán)（a）和工作葉片（b）是其主要的工作元件，其中噴嘴環(huán)是固定的而工作葉輪是可旋轉(zhuǎn)的，廢氣通道

23、是由噴嘴環(huán)（a）的各葉片間和葉輪各工作葉片（b）之間構(gòu)成的。增壓器開始工作的時候，主機排氣首先通過排氣箱進入到渦輪機的噴嘴環(huán)中，此時氣體的壓力、溫度和流速依次為p0、T0和C0；由于噴嘴環(huán)的設(shè)計形狀是漸縮的，所以氣體在流道中壓力能部分轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽磯毫ο陆?、流速升高，氣體的溫度也略有下降，此時氣體對應(yīng)的壓力、溫度和流速依次為</p><p>　　圖5 軸流式廢氣渦輪工作原理</p><p>

24、;　　p1、T1和C1；氣體繼續(xù)流經(jīng)渦輪機的工作葉輪時，主機排出的高速氣流驅(qū)動工作葉輪旋轉(zhuǎn)，即氣體對外做功，氣體的壓力能、動能轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ魅~輪的機械能，此時氣體的壓力、溫度和流速都會下降，依次對應(yīng)為p2、T2和C2。</p><p>　　此外需要補充說明一點，渦輪機的工作葉輪之所以能夠高速旋轉(zhuǎn)主要是因為它受到兩個力矩的疊加作用，一個稱為反動力矩，另一個稱為沖動力矩，這兩個力矩的方向是相同的。反動力矩：氣流流經(jīng)工作葉

25、輪葉片上的漸縮通道時壓力能轉(zhuǎn)換成動能，氣體膨脹加速并給渦輪一個反作用力，此反作用力對渦輪產(chǎn)生的力矩即為反動力矩。沖動力矩：主機排出的高速氣流流經(jīng)噴嘴環(huán)進入到工作葉輪時由于離心力的作用，氣流會使得工作葉輪的葉片的凹凸兩面間產(chǎn)生壓力差，此壓力差的合力即為作用在葉片上的沖動力，作用在所有葉片上的沖動力對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的力矩就叫做沖動力矩。</p><p>　　如圖5所示，氣流在葉片流道中流動時除了產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力pu外，還產(chǎn)生軸向

26、推力pa，此軸向推力使得增壓器朝壓氣機方向竄動，因此必須在壓氣機端裝設(shè)止推軸承。</p><p>　　圖6 軸流式廢氣渦輪的噴嘴環(huán)和工作葉片</p><p>　　三 喘振現(xiàn)象分析與判斷</p><p>　　何為喘振，即當(dāng)離心式壓氣機的轉(zhuǎn)速一定而流量小于設(shè)計值的情況下，在壓氣機葉片擴壓器和葉輪進口處，氣流的分離現(xiàn)象隨流量的減小而迅速擴大，當(dāng)流量小至某一值時，氣流分離

27、現(xiàn)象會擴展到整個葉片擴壓器和葉輪通道內(nèi)，使氣流產(chǎn)生強烈的振蕩和倒流，這就是壓氣機的喘振。一般來說，葉片擴壓器葉道內(nèi)的氣流分離的擴大是壓氣機喘振的主要原因，而葉輪進口處氣流分離的擴大則會使喘振加劇。</p><p>　　圖7為壓氣機的特性曲線，圖中有一條喘振線，同時又稱為穩(wěn)定工作邊界。壓氣機在喘振線右側(cè)工作時，其工作是穩(wěn)定的，此為壓氣機的穩(wěn)定工作區(qū)，而在喘振線左側(cè)工作時，壓氣機的工作是不穩(wěn)定的，此為壓氣機的喘振區(qū)。

28、</p><p>　　在某一固定轉(zhuǎn)速下，通過壓氣機的空氣流量變化時，在葉輪進口（導(dǎo)風(fēng)輪進口）處的氣體流動相對速度w為圓周速度u和氣流軸向速度v的矢量和，圓周速度u為常數(shù)，而氣流軸向速度v則隨流量變化而改變。當(dāng)流量等于設(shè)計值時，氣流相對速度w的方向和葉片進口構(gòu)造角相一致，此時氣流能平順地進入葉片通道；當(dāng)流量大于設(shè)計值時，氣流的軸向分速度v增加，使相對速度w增加，其氣流角也會增加，這時氣流角大于葉片進口構(gòu)造角，從&l

29、t;/p><p>　　圖 7壓氣機特性曲線</p><p>　　而形成負沖角，導(dǎo)致氣流進入葉片通道時，撞擊葉片凸面前緣，而在葉片凹面上產(chǎn)生氣流的</p><p>　　漩渦和分離，但由于氣體在導(dǎo)風(fēng)輪中拐彎時產(chǎn)生的離心力，壓抑了氣流分離的擴展。因此，這種流動情況，雖然增加了流動阻力損失，但不會破壞壓氣機的正常工作；當(dāng)流量小于設(shè)計值時，氣流軸向分速度v減小，使得相對速度w和氣

30、流角都減小，這時氣流角小于葉片進口構(gòu)造角形成正沖角，導(dǎo)致氣流進入葉片通道時，撞擊葉片凹面前緣，而在葉片凸面產(chǎn)生氣流的漩渦和分離。在導(dǎo)風(fēng)輪中氣流拐彎的離心力會加劇氣流分離的擴展，這不僅會使流動阻力損失增加，而且流量過小是也將破壞壓氣機的正常工作。</p><p>　　上述為固定轉(zhuǎn)速下流量變化時，葉輪進口處的氣體流動情況，而氣體在擴壓器前緣附近的流動情況其實也類似，不同的是，流量變化時，氣流進入葉片通道撞擊的是葉片凸

31、面還是凹面、產(chǎn)生氣流的漩渦和分離地點是葉片的凹面還是凸面正好與空氣在工作輪葉片前緣附近的流動情況相反。不過二者有一個很明顯的共同點，那就是當(dāng)流量小于設(shè)計值時，氣流不管是在擴壓器前緣還是在工作輪前緣都會發(fā)生強烈的分離，最終導(dǎo)致喘振的發(fā)生。</p><p><b>　　四 故障的排除</b></p><p>　　09年11月29日，我們的船舶從鹿特丹前往意大利Augus

32、ta港的途中，當(dāng)船舶航行在英吉利海峽的時候遭遇了大風(fēng)浪天氣，當(dāng)時我們的船舶是滿載、頂風(fēng)航行，船舶左右橫傾很厲害，當(dāng)時輪機長和其他3位輪機員包括機工、銅匠都在集控室里，主機增壓器喘振共發(fā)生了3次，每次間隔時間很短不超過10分鐘，同時我注意到每次發(fā)生喘振都伴隨著舵角指示儀讀數(shù)的大幅度變化。輪機長和大管輪的分析意見是此次主機增壓器喘振和惡劣的天氣海況以及駕駛員的操舵有關(guān)，船舶在大風(fēng)浪天航行，如果不恰當(dāng)?shù)胤磸?fù)大舵角操舵會使得主機負荷加大，柴油機

33、在低轉(zhuǎn)速高負荷下運行，氣缸耗氣量降低而循環(huán)噴油量增加，廢氣能量增大，使得增壓器轉(zhuǎn)速升高，供氣量增多，最終引起增壓器和柴油機匹配不良而出現(xiàn)了喘振，解決方法是降低油門以及除應(yīng)急情況外盡量避免反復(fù)大舵角操舵。</p><p>　　10年1月4日，我們的船舶從直布羅陀前往比利時安特衛(wèi)普的途中中途停車拆卸并檢修增壓器渦輪機端的噴嘴環(huán)和工作葉輪，原因就在于4日凌晨主機增壓器的喘振次數(shù)異常頻繁，而此時天氣海況都很好，機艙其他設(shè)

34、備也都運行正常，這就說明今天發(fā)生喘振的原因和之前大風(fēng)浪天航行時主機喘振的原因不一樣了。之前在學(xué)校的時候?qū)W習(xí)過，知道增壓器發(fā)生喘振的原因有很多，例如增壓器和柴油機的運行失配、主機各缸負荷不均以及環(huán)境溫度的變化等等，而引起增壓器喘振的最常見的原因則是氣流通道的堵塞。前文闡述過氣流流經(jīng)增壓器的過程，在增壓系統(tǒng)的氣體流動路線中的任一環(huán)節(jié)一旦發(fā)生了臟污、結(jié)炭、變形等，都會因流阻增大而使壓氣機流量減小，背壓升高，引起喘振。其中渦輪機端的噴嘴環(huán)和工作

35、葉輪則屬于易臟堵部件。今天當(dāng)我們拆卸下增壓器的渦輪機端后確實也發(fā)現(xiàn)了工作葉輪存在臟污并且有少許結(jié)炭，而容易發(fā)生熱變形的噴嘴環(huán)好在并沒有發(fā)生變形只是存在臟污，清潔完殘留在這兩個部件上的污垢和結(jié)炭再裝復(fù)渦輪機后，喘振現(xiàn)象得以消除，船舶重新起航。</p><p><b>　　五 結(jié)論</b></p><p>　　本文敘述了“PORT LOUIS”輪主機增壓器喘振現(xiàn)象，從

36、分析增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)部件及其工作原理入手，聯(lián)系實習(xí)期間增壓器在不同的天氣海況下兩次發(fā)生喘振的經(jīng)歷，經(jīng)過思考討論得出如下結(jié)論：主機增壓器發(fā)生喘振主要有兩大因素，一個是設(shè)備本身的問題，例如增壓器的氣流通道因臟污、結(jié)炭、變形等引起的堵塞以及由于柴油機部件故障引起的增壓器與柴油機的運行失配等；另一個則是人為因素，例如由于值班駕駛員在大風(fēng)浪天未考慮到主機負荷的驟然變化而反復(fù)大舵角操舵引起了增壓器與柴油機匹配不良而出現(xiàn)喘振。</p>&

37、lt;p>　　喘振是壓氣機的固有特性，雖不能完全消除，但是只要平時對增壓器的維護保養(yǎng)到位，喘振是能夠盡量避免的。增壓器的日常保養(yǎng)中常做的就是對廢氣渦輪和壓氣機的清洗，渦輪的清洗包括水洗和干洗，水洗時要在低負荷下進行，通過水對污垢的溶解作用和水滴對污垢的機械沖刷作用將流道中附著不牢固的污垢洗掉，而干洗則在全負荷時效果最好，通過從渦輪進氣道噴入一定數(shù)量的已被粉碎的核桃殼或其他類似物體用沖擊的方式清除積炭等污物。壓氣機的清洗要在柴油機全

38、負荷運轉(zhuǎn)下進行，方法是將一定量的水在短時間內(nèi)噴入壓氣機，噴水后，務(wù)必使柴油機在全負荷下運轉(zhuǎn)一段時間以使增壓器和柴油機完全干燥。</p><p>　　當(dāng)然，除了平日里認真貫徹執(zhí)行對增壓器的日常維護保養(yǎng)以及例行檢查外，人為因素導(dǎo)致的增壓器喘振這一問題也不容小覷，這就要求我們的輪機員和駕駛員對船舶設(shè)備的了解不能僅僅停留在層面，要深入了解設(shè)備正常運行的各工況，只有輪機部和甲板部的通力合作，才能保證船舶的正常安全航行。&l

39、t;/p><p><b>　　【參考文獻】</b></p><p>　　[1] 《船舶柴油機》 杜榮銘 .大連海事大學(xué)出版社 . 2007</p><p>　　[2] 《輪機工程手冊》編委會 . 輪機工程手冊 .人民交通出版社 . 1992</p><p>　　[3] 《渦輪增壓器》 . 機械工業(yè)出版社 . 1974<