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1、目 录1离心式压气机的工作原理及工作特性.12增压器喘振机理 .33增压器喘振原因分析53.1增压系统流道阻塞因素的影响.63.2增压器或柴油机本身的故障，柴油机运行工况不良.63.3运转中的增压器和柴油机暂时失配和船体阻力增大.73.4喘振处理方法.84 实例分析.104. 1案例1.104. 2案例2.124. 3案例3.124. 4 案例总结.135 管理措施.13船舶主机废气涡轮增压器喘振分析引言 现代船舶大型低速柴油机,大多采用增压的方式来提高经济性,降低燃油消耗率.柴油机实现增压,可以在气缸工作容积和柴油机转速不变的情况,使柴油机功率增加百分几十,甚至成倍增加。若柴油机采用机械增压
2、方式,则消耗柴油机的功率。因此,大功率柴油机一般采用废气涡轮增压器.柴油机功率增加随增压压力的增加而成比例的增加。增压系统工作的优劣与否直接影响着柴油机性能及其可靠性。近些年来，船舶柴油机上的涡轮增压器故障越来越令人关注。在废气涡轮增压器故障中，又以压气机的喘振最容易发生,也最为常见。作为增压器故障之一的增压器喘振直接影响着主机的整体性能。因此, 对出现喘振的原因进行分析了解, 以便能在故障发生时迅速做出正确处理, 避免不必要的损失。根据船舶主机废气涡轮增压器的工作原理及喘振机理，有必要提出了一套专门用于分析喘振原因的方法，以减少盲目查找所带来的不必要的工作，从而迅速解决故障。1离心式压气机的
3、工作原理及工作特性从柴油机气缸排出的废气具有很高的温度(约400500C)和一定压力(约0. 20. 4MPa)及较高的流速,它所含热量约占燃油燃烧所放出热量的23%40%。因此将废气通入涡轮机,使涡轮机高速旋转来带动离心式压气机,由此实现柴油机增压,这种增压形式称为废气涡轮增压。废气涡轮增压器的压气机一般都采用单级离心式压气机.它由进气道、工作轮、扩压器和排气蜗壳组成.当压气机工作时,新鲜空气经过进气道轴向进入压气机叶轮.由于压气机叶轮的旋转,空气经过空气滤器消声器被吸入压气机叶轮。由于通道的导流作用,气流能在最小的损失下均匀进入压气机叶轮.进气道是渐缩流道,在进气道中,压力、温度略有降低,
4、流速提高.正是因为压力降低,空气才被吸入工作叶轮.空气进入压气机叶轮后,随着叶轮高速回转,因而产生离心力.在离心力的作用下,空气向叶轮外缘流动并被压缩,其压力、温度和速度迅速增加,其中流速提高最大.这是因为叶轮对气体作功,不叶轮的机械能变成了气体的动能和压力能.然后气体进入扩压器,在扩压器中由于流道是逐渐扩大,使空气的动能转化为压力能,流速降低,压力升高。蜗壳中的通道也是渐扩的,因而空气流过时继续将动能转化为压力能.离心式压气机在各种不同工况工作时，它的各主要参数会随之变化。在不同转速下压气机的排出压力和效率随空气流量的变化规律，称为离心式压气机的特性。表示这种特性的曲线称为压气机的特性曲线，
5、图1为现代压气机的特性曲线。压气机特性曲线上的等转速运行线,通常称为增压特性线。它的变化特点是:随着空气流量V 的增加,增压比c开始是增加的。当流量V 增加至某一值时,c值达到最高。然后,进一步增加流量V ,增压比 c反而降低。这样,增压特性线如似马鞍形状。这种变化特点是由于压气机中气体流动特点引起的。我们可以通过图2来解释这种现象。从理论上讲,一只带后弯式叶片的压气机,在没有流动损失的理想情况下,转速为常数时,增压比c与空气流量的关系是呈线性下降趋势的,如图2中的a线。但压气机中的实际流动是有损失的。可以把压气机中的流动损失分为两类,即摩擦损失和撞击损失。摩擦损失包括空气与壁面的摩擦、空气流
6、内部的相互摩擦以及可能产生的波阻损失。这些损失都随流过压气机的气流速度而变化,也就是随空气流量而变化,且随流量的增加而增大。如果没有撞击损失,压气机消耗的功用来压缩空气和克服摩擦损失。因此,随着流量的增加,摩擦损失增加,而增压比 c总是减小的,如图2中的b线。压气机中的撞击损失是由于非设计状态下,压气机叶轮进口和叶片扩压器进口处,气流方向的叶片构造角不一致,即产生一定的冲角,使气流撞击叶片边缘而引起损失。显然,偏离设计流量愈大,撞击损失也愈大。因此,考虑了压气机的全部流动损失后,在转速为常数时,增压比c随流量V 而变化的关系曲线,就如图2中的c曲线,这正是增压特性线似马鞍形的变化特点。在b曲线
7、和c曲线之间阴影部分就是表示空气在压 气机中流动的撞击损失。图 1压气机的特性曲线2增压器喘振机理 增压系统中增压器的运行特点: 柴油机在各种负荷下，所需要的增压空气流量与增压压力之间的关系，称为柴油机进气特性曲线。对单独增压系统，柴油机驱动螺旋桨按推进特性工作时的工作特性曲线如图 3所示。由图可见，增压器的工作线是一条上部离喘振线较远、下部离喘振线较近的曲线。在运行条件的全部变化范围内，增压器的工作特性曲线不会进入喘振区。因此，只要设计柴油机时选配的增压器合适，在正常情况下是不会发生增压器喘振的。当流道堵塞时，背压升高，流量减少，故工作特性曲线左移，如图线 C 所示。这时工作特性曲线的下部进
8、入喘振区，会在低负荷时发生增压器喘振。图3柴油机进气特性曲线压气机与涡轮机同轴相连, 构成涡轮增压器。涡轮机在排气能量的推动下, 带动压气机工作, 实现进气的增压。在运转过程中,当压气机的流量减小到一定值时，气体进入工作叶轮和扩压器的方向偏离设计工况，造成气流从叶片或扩压器上强烈分流，同时产生强烈脉动，并有气体倒流，引起压气机工作不稳定，导致压气机振动，并发出沉重的喘息声或吼叫声, 这种现象称为压气机的喘振。图4空气在工作叶轮前缘附近的流动情况压气机喘振的机理是当流量小于设计值很多时, 气体进入压气机和扩压器的方向偏离设计工况，叶轮进口和扩压器叶片内产生强烈的气流分离造成的。图3为压气机流量变
9、化时空气在叶轮前缘的流动情况。图中1 为叶轮剖分处的圆周速度,c1 为空气进入压气机前缘时的绝对速度, 1 表示气流进入压气机叶片时相对速度。流量Q = c S,S 为通流面积。当S不变时, Q与c成正比。当转速不变时, 在设计流量下, 如图4a所示,气流平顺地流进压气机叶轮, 气流与叶轮叶片既不发生撞击, 也不产生分离。当流量大于设计流量时, 如图4b所示, 气流在叶轮前缘冲向叶片的凸面, 与叶片的凹面发生气流分离现象。但由于叶片向前转动, 其凹面压向气流, 使分离现象减弱, 因而除了压气机效率降低外, 不会在压气机中产生较大的气流分离现象。当流量小于设计流量时, 如图4c所示, 气流冲击叶
10、轮前缘叶片的凹面, 而在叶片的凸面发生气流分离现象, 由于叶片向前转动进一步扩大了这种分离现象, 导致进入压气机的气流严重撞击叶片的凹面, 而在凸面产生气流的旋涡和分离。在扩压器中, 如图5c所示, 气流冲向叶片的凸面, 与叶片的凹面发生分离, 扩压器中气流的圆周向流动也使气流离开气流分离区, 从而加剧了气流分离的扩展趋势。这种扩展使流道变窄, 气流流动受阻, 导致扩压器前空气堆积, 压力升高, 出压力下降, 流量减少。当扩压器前后压差达到一定值时, 旋涡阻力被冲破, 大量堆积的空气得以排出, 但却引起了增压器强烈振动, 使排出压力和流量大幅度波动。由于流量过小这一根本原因未改变, 在扩压器叶
11、片中又出现气流分离现象，周而复始，形成了压气机的喘振。图 5空气在扩压器前缘附近的流动情况3增压器喘振原因分析通过以上分析可以知道导致压气机喘振的根本原因是由于压气机的实际流量小于该转速下引起喘振的限制流量，造成气流与叶片的强烈撞击与脱流。根据公式Q = c S , 空气进入压气机的速度降低, 或增压系统流道堵塞,都会引起流量的减少。而柴油机用气量减少, 增压器转速高, 或压气机后的气流通道堵塞, 则会使压气机背压升高。由于设计时已将压气机与柴油机的配合工作特性线选择在远离喘振线, 故正常情况下不会发生喘振。但是当工作情况发生变化后, 压气机配合工作特性线会发生移动, 若部分或全部进入喘振区,
12、 则会发生喘振。增压器与柴油机是需匹配工作的，压气机转速愈高，吸气量愈大，而柴油机发出的功率愈大，所需的空气量也愈多。当柴油机降转速、卸负载时，气缸内所需的空气量也急剧减少，而增压器转子的转速却一时无法同步下降，使增压器压气机吸气量与柴油机气缸所需要的相比显得过多，反而使部分多余的空气堵塞在压气机进口处而发生喘振，只有增压器转子转速下降到与柴油机基本匹配时才会趋于正常。对于废气涡轮增压二冲程柴油机机增压器喘振, 其发生机理可分为流道阻塞和非流道阻塞。任何新造的增压柴油机，只要涡轮增压器与柴油机匹配良好，使用初期增压器都不会发生喘振。可是随着运转时间的增长，增压系统中各部件就会污损或出现故障，柴
13、油机本身某些部件也会产生故障，致使两者的性能恶化，导致匹配不良，引起喘振。另外运行中某些暂时的匹配不良也可能发喘振。3.1增压系统流道阻塞因素的影响增压器流道阻塞的直接后果之一就是会增加气流在系统中的阻力。柴油机运行时, 增压系统的气体流动路线是: 压气机进口滤器和消音器压气机叶轮压气机扩压器空气冷却器扫气箱柴油机扫气口排气阀排气管废气涡轮喷嘴环废气涡轮叶轮废气锅炉烟囱。其中各组成部分的流通面积都是固定的。若上述流动路线中任一环节发生堵塞, 如脏污、结碳、变形等, 都会因流阻增大使压气机背压升高, 流量减少, 引起喘振。其中容易脏污的部件是压气机进口滤器、压气机叶轮和扩压器、空气冷却器、柴油机
14、扫气口和排气阀、废气涡轮喷嘴环、废气涡轮叶轮，此外涡轮机的喷嘴环容易发生变形。通常情况下, 涡轮增压器气流通道的阻塞是造成其喘振的主要原因。(1)增压器涡轮机喷嘴环积炭，或喷嘴环截面积过小，都使涡轮机效率降低,压气机进气流量减小,发生喘振。(2)空气滤清器太脏、进气道变形等原因使进气阻力过大，造成压气机吸气量不足，增压器喘振。(3)中冷器冷却水温过高或中冷器冷却水管因泄漏而堵焊过多，造成中冷器的冷却能力下降，增压后的空气因冷却不足而密度较小，满足不了气缸燃烧的需要，造成排温升高。空冷器堵塞使压气机背压过高,流量减小,造成增压器喘振.3.2增压器或柴油机本身的故障，柴油机运行工况不良 （1）压气机叶轮损坏、变形或过量腐蚀，使压气能力减弱；涡轮叶片损坏，引起涡轮效率下降，导致流经压气机的空气流量减少，严重时增压器发生喘振。 （2）涡轮叶片和喷嘴环变形，涡轮叶片顶部及喷嘴环罩内表面被腐蚀，使两者之间配合间隙增大，都会引起涡轮效率下降，导致流经压气机的空气流量减少而发生喘振。 （3）压气机端油封、气封的密封圈严重老化损坏。大家知道，在废气涡轮增压器中，有压气机和废气涡轮两个油池，用轴环飞溅或泵压注油，润滑油受到增压器轴环或轴
