增压器喘振的原理、因由总述及排查方法

　　摘要：涡轮增压器是现代大型柴油发电机提高功率的主要步骤，随着科技的不断发展，高增压技术在现代康明斯发电机组中运用越来越广泛，而喘振是柴油发电机组主机增压器易损故障之一。因此涡轮增压器在康明斯发电机组中的地位越来越重要，其工况的好坏直接影响柴油发电机的正常工作。增压器的喘振不仅使压气机达不到预期的增压比，而且还有可能因为喘震，而造成转子、叶片及轴承的故障。因此，熟悉柴油发电机组柴油发电机增压器喘振的缘由，在操作中尽量排查喘振是康明斯发电机公司后备电源工作的重要内容。本文结合笔者喘振现象的经验，对喘振的起因作出陈述，并提出了日后维保和管理中应对的防方案。                                                                                                                                                                                                   

　　      从图1中可以看出，压气机的通用特性曲线是由等折合速度线，等效率特性线，和喘振边界线结构。等速度线的特性是曲线较抖，在速度恒定的要素下，压气机的压比和效率随流量的改变而变化的关系，通称为压气机的特点线。 而离心式压气机的特征是当速度nk等于常数时，随着流量Gk的降低，压比πk开始是增加的，当流量Gk降低到某一值时，πk值达到最大值，然后随Gk的减小开始下降。

　　      离心式特征曲线所示。当压气机流量减小到某一值后，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离，同时发生强烈脉动，并有气体倒流，致使压气机工作不稳定，致使压气机震动，并发出异样的响声，称为压气机喘振。不同转速下压气机开始产生喘振流量值点连线虚线所示。喘振线左侧为喘振区，右侧为稳定作业区。增压器喘振缘由从根本上讲，是因为压气机的流量小于该速度下致使喘振的限制流量，造成气流与叶片的强烈撞击与脱流。

　　      对于新造的增压柴油发电机，配合运行线与喘振线之间留有足够喘振裕量，无论环境因素及柴油发电机工况怎生变化，操作初期增压器一般都不会发生喘振。喘振裕量dVs的定义为dVs=（Q－Qs）/Qs（dVs通常应大于10﹪)，如图2所示。从图上看起来低负荷时配合运转线离喘振线比高负载还近些，而其实其喘振裕量较大，这是因为低负载时分母Qs减小得更多，实际也是如此，柴油发电机在低负载时较不易喘振。所以，有的教材认为纯废气涡轮增压机构在流道阻塞时，在低负载时其配合运转线会领先入喘振区而出现喘振的观点是不符合实际的。

　　      压气机与涡备载电源同轴相连构造废气涡轮增压器，其基础原理是利用柴油发电机排出的废气的能量，带动增压器涡轮叶轮旋转。涡轮叶轮带动压气机叶轮旋转，对进入的气体进行压缩，提高其压力，从而提升了空气密度，增加了空气量，这样就可以燃烧更多的燃料，使平均有效压力提高，进而提升了柴油发电机的功率。

　　     压气机在作业中，因为种种原因使进入压气机的空气流量减轻，致使气流在扩压器中产生漩涡分离，从而出现压力波动。因而引起涡轮增压器的构成振动，并发出嚎叫声。这种喘振情形出现的根本因由是在压气机出口出现了较高的背压，由于流量小于规划值很多时，叶轮进口和扩压器叶片内，产生了剧烈的气流分离导致的宏观情形。当分离状况较轻时，分离区域内气压与排气量虽有波动，但对整个压气机来说，气压与排量基本上还是稳定的。但严重时，分离情形可以扩展到所有叶片及全部通道，甚此时出口压力急剧下降，甚至出现倒流，随着分离和倒流的出现，出口压力也随之上升，但只要此时的诱发条件只要还存在，就会再次产生分离。如此反复，并同时产生呼噜呼噜的声音，由此可见增压器喘振的产生不但是增压器本身有关，还与整个柴油发电机的匹配有很大关系。

　　     纯废气涡轮增压柴油发电机阻塞类喘振的影响因素可分为流道阻塞和非流道阻塞二类。

　　      流道阻塞指结构增压装置的气流通道流通面积变小，使增压器与柴油发电机配合运行线左移，喘振裕量减少，当进入喘振区时，即发生喘振。虽然增压系统流道阻塞都使四冲程和二冲程柴油发电机增压器配合运行线左移，但二冲程要比四冲程柴油发电机敏感得多，起因在于二者的换气程序不一样。由于二冲程机的换气详细依靠扫气口与排烟口之间的压差来实现，流道堵塞对换气质量危害很大，一使气流流通不畅，二使排温升高，废气能量增加，引起增压器喘振。而四冲程柴油发电机的换气步骤具体依靠活塞的抽吸和推挤，进排气压差仅在燃烧室扫气时才有所影响，故而流道阻塞对四冲程柴油发电机的影响相对二冲程柴油发电机要小得多。

　　      非流道阻塞因素有：当航行要素恶化时，如大风浪航行、柴油发电机污底、螺旋桨缠上渔网等。上述要素使柴油发电机阻力增大，因为现代船用推进柴油发电机都装有全制式调速板，喷油量增加，增压器转速升高，压气机流量增加，压比升高，配合运转点向高端移动济南康明斯发电机，喘振裕量降低，使喘振较易损生。而对于驱动螺旋桨的四冲程柴油发电机，还会因柴油发电机阻力的增加，调速板使喷油量增加，柴油发电机速度未变，四冲程柴油发电机的通流能力详细取决于柴油发电机的速度，汽缸前后的压差对流量影响较小，可以认为流量不变，压气机因为涡轮接受的废气能量增加使压比升高而流量不变，配合运行点向高端移动的同时，配合运转线逐渐变陡而靠向喘振线。在考虑二冲程柴油发电机汽缸的通流能力时，将它看成一个通流面积不变的孔板（柴油发电机转速升高，扫气口、排烟口或阀开启时间按比例减小，但单位时间内开启次数按比例增加），于是二冲程柴油发电机的通流能力与柴油发电机的转速无关，它主要取决于气缸前后的压力差，不论上述航行因素怎么样改变，其配合运行线均不会变化。喷油机构故障、排气阀开启过早、空冷器冷却能力下降等非流道阻塞因素造成的排气温度升高都将使配合运转点上移而诱发增压器喘振，特别是当主海水泵故障，无冷却海水供应时，由于空气温度剧增，此时有些机型产生剧烈喘振比淡水过热报警还来得早。      由此可知，流道阻塞因素对四冲程机影响较小，对二冲程机影响较大。非流道阻塞要素对四冲程机危害较大，对二冲程机影响较小。

　　      该主机增压器喘振并不是特别严重，仅在恶劣工况时断续发生。柴油发电机阻力突增流程，造成增压器与柴油发电机的暂时失配无疑是该喘振的具体因由，特别是当增压器因为转子惯性速度下降滞后，速度仍然较高，而主机转速迅速下降，与压气机串联的四冲程柴油发电机的通流能力减弱，使压气机在高背压低流量下作业，配合运行点落入喘振区而产生喘振。然而在柴油发电机与增压器选配时，配合运转线与喘振线之间的喘振裕量应足以防范因这种短暂失配所致使的喘振现象，特别是象该例增压装置增压度较低，其喘振裕量相对于高增压系统要大些，就更不易损生喘振，由此判定该喘振情形不是由上述单一外界要素变化导致的，应该还有增压系统内在条件存在，与之迭加而成。在良好工况航行时未出现喘振，并无法确定增压器与柴油发电机所组成的增压装置各环节都正常，如果某种条件仅使配合运转线向喘振线靠近或运行点向高端移动，但该因素还不能单独引起增压器喘振，因此需要进一步总述相关运行参数，找到这一要素。      对比增压器喘振出现前后柴油发电机排烟温度等参数，如表1、表2（满载因素下检修）。表中显示喘振出现前后高压油泵齿条刻度、爆发压力基础相同，说明主机负载在同转速下没有增大，以及喷油定期也没有变化，且各缸负荷均匀。表中显示各缸排烟温度较喘振出现前高出200C左右，喷油泵的雾化品质恶化会引起排烟温度升高，但六只缸同时发生喷射雾化不佳的可能性极小，经查后也清除了这种可能性。因为进气温度基础不变，也清除了该因素的影响（进气温度上升带动排烟温度上升，废气能量增加压气机速度升高，配合运转点移向高处，对四冲程机同时伴随着配合运转线左移），也排查了因燃油质量改变导致的排气温度变化。表中的进气压力在喘振出现后有所减小，进气压力的减轻可由流道阻塞、废气能量降低（详细因素有涡轮保护格栅及消音器堵塞）等致使，可见排烟温度升高是进气压力减轻（过量空气系数降低）引起防音发电机组，并非是该喘振现状的诱因，这样也验证了前面针对排气温度升高的起因讲解。这样基本可肯定该内在条件为废气涡轮增压系统气流通道阻塞。

　　      因为各缸排气温度均匀升高，不可能是个别缸的进排气流道不畅引起，应该考虑除柴油发电机本身以外增压机构各环节由于流通面积偏离原规划值所造成危害。由于该增压系统未设空冷器气侧压差计及增压器转速表，给排除故障带来一定难度。消除损坏原则应是先易后难、先外围后内部、先主要后次要。其实三年来已经拆检了空冷器、增压器好几次，喘振没有解除，剩下来似乎只有保护格栅和消声器。但前几次增压器的拆检仅做到抽出转子，然后查看喷嘴环，然而因为其斜向设计，在出口侧是看不见进口侧的，所以应该对增压器做一次彻底解体，顺便也对保护格栅进行查验。抽出转子后，发现有三个喷嘴处卡着金属碎片，当时有人认为起因已找到，可如果仔细回忆一下，以前抽出转子清洁喷咀后，喘振并未消除，于是这样的堵塞还不至于对气流的流动发生太大的危害。拆下涡轮进气箱后，发现与排烟总管之间的保护格栅已不存在，在进气箱气道与喷咀环的结合处卡有一呈卷曲状的薄钢板，尺寸约10×4cm，如果不解体涡轮机进气箱，在进气箱入口处也很难发现，那么这块钢板是什么地方来的呢？经查看确定是排烟管上的一只波纹膨胀接头的内导管脱落，该膨胀接的装配是有方向性的，但在安装时把方向装反，这样经过热废气的长期冲击就容易脱落，此时如果保护格栅完好无损，也不致于进入到喷咀环处，所幸未能通过喷咀环对涡轮叶片造成磨损。

　　      取出这块卷曲状钢板后，不论在何种工况下增压器再也没有产生喘振情形。重新测量爆发压力、排温及高压油泵齿条刻度与喘振损坏消除前比较，排温有明显下降，进气压力也提高了。说明喷咀环小部分被遮挡使主机排烟背压升高，换气质量变差，排温升高，增压器涡轮效率下降，转速有所降低（该增压器无转速表）。现在让康明斯发电机公司回顾一下，既然喷咀环处有被堵状况，那么何以在良好工况下增压器不发生喘振呢？康明斯发电机公司知道柴油发电机与增压器选配时，配合特点曲线C与喘振线B之间留有一定的喘振裕量，如图3。

　　点在稳定工作区，所以柴油发电机在负荷小的时候，增压器不会发生喘振。柴油发电机在较恶劣工况下运转时，主机转速下降很多，而增压器此时瞬间速度仍为nK，增压器压气机背压升高流量减小，运转点由a

　　点移至a2点，a2点已进入喘振线左侧，即喘振区，发生短暂喘振。故障清除后，配合特性曲线恢复到接近原布置特征曲线，柴油发电机即使在恶劣工况下航行，增压器也不会出现喘振。由此可见，该喘振损坏是气流通道流通面积减轻和主机负荷的急剧变化两个条件迭加引起的。 三、柴油发电机类喘振故障实例论说

　　① 查验，进排气阀是否正常，扫气口是否有脏堵柴油发电机厂家，由于排烟阀泄漏，能导致排温高废弃能量过量而致使喘震。

　　      为了保证一次解除问题康明斯发电机公司对八个缸的喷油嘴全部抽出进行了雾化试验，全部正常，进排气阀的正时也正常，高压油泵的喷油定时也正常，因此柴油发电机方面起因也可排除。      事已到此，引起增压器喘振的因由基础都排除了，可是问题仍然没解。思路到这已经陷于

　　僵局。经过重新思考后，康明斯发电机公司决定对每个环节重新进行查看，特别是对刚出舱清洗过的空气冷却器。对每一个细节，也不能放过。拆掉增压器到空冷器的进气管路，用手电照空冷器的气腔，发现气腔稍微有点脏，为了确定气腔内部脏堵程度，先选用了过水试验法，即在上边用水管往气腔加水，看水的通畅程度，就能大体确定气腔的脏堵程度了。水刚注入时，下的很快可几秒钟后，水就基本上不下了，也就是说气腔脏堵严重，为了更加验证气腔的脏污程度康明斯发电机公司用一个轴流式鼓风机，这样就更能看出有多少气体通过空冷器进入扫气箱了。此时只要一开轴流风机热继电器就起到保护功用，后来经过检查确认轴流风机机械部分没有问题，所以，调大热继电器的保护电流后，继续让风机才作业。可此时通过空冷器气腔进入扫气箱的气体只有很少的一部分，很大的一部分可能因为被压偏高一直穿不透气腔。这时康明斯发电机公司才明白刚才轴流风机一直热保护，是因为被压太高而造成的。事情到了这一步，可以肯定的确定空气冷却器的气腔脏堵的非常厉害了，这可能就是涡轮增压器喘震的详细起因吧！此时，将空冷器重新出舱，在机务部门现场监督下，重新进行超声波清洗，经过16小时的持续不断的清洗，装复。在试航期间该主机的负荷达到95%时，且持续3小时，该主机仍没有出现喘振，并且各缸的排烟温度，爆压都在正常范围之内。可是，因何康明斯发电机公司刚清洗不到两个月的空冷器，就一下子变脏了呢？为了探究此事，笔者特意向上次清洁空冷器的厂家，打电话询问此事，此事他说了实话，因为他当时的清洁设备有点问题，再一个他看到康明斯发电机公司空冷器的气腔表面也不是太脏，也没有把空冷器给彻底的给拆装（此空冷器是有螺栓将三部分完整的连接在一起的），就用高压水枪给循环的冲洗了一段时间，这样做的后果就是表面的污物是给冲掉了，而处在中间那部分的赃物却越发的结实了。

　　      事已至此，增压器喘振的缘由，经过度家的努力，终于处理了。但是回过头来，再看康明斯发电机公司排除问题的思路，思路虽然比较清晰，但是有时康明斯发电机公司会想当然的认为：“什么东西刚刚修过”，康明斯发电机公司就以为他是正常的，也正是康明斯发电机公司的这种惯性思维，引起了康明斯发电机公司今天走了许多的弯路。

　　      喘振是压气机的固有特点，是没有措施从根本预防的。其实康明斯发电机公司只要牢牢的把握一下几大环节：空气滤网，压气机，空气冷却器，扫气箱，进气阀，排烟阀，涡轮端，烟囱等。只要任何环节发生问题，都可能导致增压器喘振。因此为了防范喘振现状的出现，康明斯发电机公司不光要加强增压器的维护和维保，还要对柴油发电机的工况进行及时的检验。      本文详尽地讲解了增压器喘振的原理和因由，基于尽可能小拆部件的原则，总结出这套发

　　生喘振时的排除方式。希望能根据此法，降低备载电源员的作业量，为柴油发电机组的安全航行供应帮助。同时也提示康明斯发电机公司的备载电源管理人员，日常要多注重柴油发电机相关理论的学习，养成一丝不苟，严肃认真，做到精通理论，技艺熟练，观察敏锐，善于在错综复杂的损坏现状中，抓住详细矛盾，由表及里，去伪存真，不受表面状况的迷惑，找出真正的起因，给于正确的解决。同时也奉劝康明斯发电机公司的备用电源管理人员，在进行一些关键性部件的维修时，一定要亲身亲历，加强责任心，做好修理的监控作业，以防一些厂家的不作为，而给柴油发电机组的安全留下隐患！