主机废气涡轮增压器分析及其防喘振控制的设计.docx

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主机废气涡轮增压器分析及其防喘振控制的设计

内容摘要

摘要：

船用柴油机增压器采用废气涡轮增压的方法，增加了柴油机的进气量，使柴油机的工作过程得到改善，燃油消耗下降，经济性提高。

因此，其工况好坏直接影响柴油机的工作。

当增压器发生喘振，不但无法达到预期的增压比，而且会造成机损事故。

所以，防止喘振的发生及其重要。

本文对“育鲲”轮上的船用二冲程机轴流式定压涡轮增压器及其喘振作了研究。

首先，本文介绍了NA40/S型涡轮增压器的工作原理，并阐述了其特点。

然后，阐述了涡轮增压器喘振的机理，并列出了影响“育鲲”轮上的增压器喘振的因素。

接着，分析其喘振发生的具体原因和解决方法。

设置了NA40/S型增压器喘振故障的排除程序。

最后，文章对NA40/S型增压器的防喘振控制进行了设计。

提出了三种方案并分析了其优缺点，选取了最适宜的方案，并对其具体的控制进行了设计。

关键词：

柴油机；增压器；喘振

ABSTRACT:

Theturbochargerofdieselengineadoptthemethodofsuperchargingtoincreasethequantityoftheinletgas,improvetheworkingprocessofdieselengine,reducetheconsumeofthefueloilandraisetheeconomicalefficiency.So,theworkingconditiondirectlyinfluencetheworkingofdieselengine.Whentheturbochargerissurging,itnotonlycan’tgetthecompressratio,butalsowillmakethemachinebrokenaccident.Asaresult,preventingtheisveryimportant.

Thispapermakearesearchtotheturbochargerandsurgeon“yukun”ship.

First，thispaperintroducetheNA40/Sturbochargerprincipleofworkandexpounditscharacteristic.

Then，expoundtheturbochargermechanism,andlisttheaffectingfactorofthesurgeon“yukun”.Afterthat,analyzethereasonofsurgeandresolvent.SettheexcludeproceduresoftheNA40/Sturbochargererror.

Atlast,thispaperdesignthecontrollingofpreventingthesurgeofNA40/Sturbocharger.Proposethreeprogramandanalyzetheiradvantageandfault.Choosethebestprogramanddesignthematerialcontrol.

Keyword:

dieselengineturbochargersurge

目录

1“育鲲”轮废气涡轮增压器工作原理与特点6

1.1增压器工作原理7

1.2NA40/S型增压器的主要特点7

1.2.1滑油系统7

1.2.2密封空气系统8

1.2.3Jet-Assist加速系统8

2.增压器喘振的机理8

3.影响增压器喘振的因素10

3.1柴油机因素10

3.2中冷器因素11

3.3增压器自身因素11

3.4环境因素11

4.增压器喘振的具体原因和解决办法14

4.1增压系统气流通道堵塞14

4.2增压器或柴油机故障，工况改变，增压器压气机工作点左移，处于喘振区14

4.3运行中的增压器与柴油机暂时失配15

5.“育鲲”轮增压器喘振故障的排除程序16

6.NA40/S型增压器防喘振控制的设计17

7.结论21

“育鲲”轮主机废气涡轮增压器分析及其防喘振控制的设计

前言

作为当今热效率最高的动力机械，柴油机以其良好的经济性广泛应用于远洋船舶和内河船舶。

自石油危机以来，为了增加功率，改善热效率，提高经济性。

柴油机增压程度不断提高。

增压技术使柴油机的动力性、经济性上了一个台阶，被誉为“柴油机发展史上的第二个里程碑”。

增压也就成为了提高柴油机功率的主要途径。

船用柴油机增压器一般应用废气涡轮增压的方法，利用柴油机排出的废气能量驱动涡轮高，带动与涡轮同轴的压气机叶轮高速旋转，压气机将空气压入柴油机的气缸，增加了柴油机的充气量，可供更多的燃油完全燃烧，不仅柴油机工作过程得到改善，燃油消耗下降，经济性提高，排放也得到改善。

因此，其工况的好坏直接影响柴油机的工作。

由于涡轮增压器是回转式机械，而柴油机是往复性机械，两种机械的特性不同，这就涉及到两者工况的匹配问题。

当两者工况不匹配时，则增压器就将发生喘振。

喘振不仅是压气机达不到预期的增压比，而且会损坏压气机部件，并导致整台涡轮增压器机损事故。

因此，了解增压器喘振的原因，预防和消除增压器喘振，是轮机管理的重要内容。

1“育鲲”轮废气涡轮增压器工作原理与特点

“育鲲”轮主机为MANB&W公司生产的，机型为6S35MC。

其废气涡轮增压器也是MANB&W生产的，型号为NA40/S。

由废气涡轮和压气机两部分组成。

压气机采用的是单级径流离心式压气机。

主要由进气消音器、压气机叶轮、扩压器、排气蜗壳等组成。

废气涡轮是轴流式废气涡轮。

它由涡轮进气箱、喷嘴环、工作叶轮、排气箱等组成。

转子由轴承支撑。

轴承是内支撑式的。

在压气机端有定位轴承，用于轴向定位和承受侧推力。

如图1-1所示。

图1-1

轴承的润滑和主机滑油的循环是一体的。

滑油的过滤级别小于0.05mm。

最大允许油温在70摄氏度。

在60摄氏度时使用滑油SAE30，在65摄氏度时使用滑油SAE40。

在正常操作和负荷下，滑油压力在1.5bar左右；报警和降速至主机负荷减半时，滑油压力可小于1.0bar；主机停车时，滑油压力应小于0.8bar。

滑油流量为4.5至5.0立方米每小时。

定位轴承和涡轮端的支撑轴承由两个来自主机滑油循环系统的独立的供应油管供应滑油。

滑油也用于冷却。

涡轮叶轮和轴是一体的，而压气机叶轮是被安装在轴上。

增压器采用非冷却式的，既减轻了增压器的重量，也避免了增压器壳体可能出现的低温腐蚀。

废气涡轮的壳体是绝热的。

1.1增压器工作原理

气缸排出的废气驱动增压器转子，将废气转化为能量。

废气穿过增压器，依次通过涡轮喷嘴环，涡轮叶轮，气体出口扩压，到达气体出口箱后进入排气总管。

涡轮高速旋转带动同轴上另一端的压气机叶轮同步旋转，使经过进气箱或消音器而进入气缸内的空气，被压缩机叶轮，扩压器，压缩机壳体压缩。

压力增高的空气经过中央冷却器和进气管路，被压入主机气缸，使得喷入气缸内的柴油在这种条件下得到充分燃烧，使功率提高，降低了油耗率。

1.2NA40/S型增压器的主要特点

1.2.1滑油系统

增压器轴承的润滑以主机滑油系统作为标准的。

增压器转子的2个支撑轴承位于压气机叶轮与涡轮叶轮之间的轴承箱内。

压气机端的定位轴承通过管（1，3和5.1）来供应滑油。

涡轮端的支撑轴承通过管（1，3和5.2）来供应滑油。

增压器滑油压力的设定，是通过安装在供应管上（3，在分叉以前）的一个节流孔口进行控制的。

在供应管（5.1和5.2）上，两个止回阀（4和6）之间，安装有一个测量连接，用于控制和监督滑油压力。

增压器的滑油压力是可以调节的。

当主机是满负荷时，滑油处于工作温度（进口温度最大为70摄氏度），通常压力调节在1.5bar左右。

当主机刚启动，暖机时，滑油温度相对较低，滑油压力允许短时间内为2.0bar。

图1-2

增压器的上部有一个润滑油箱，用于在主机停车后给增压器供给滑油。

滑油通过止回阀（6）发盘上的旁通孔向润滑油箱里补油。

润滑油箱上设有一个没有加压的自由溢流口。

考虑到冷却的问题，涡轮端轴承的润滑时间要比压气机端的长一点。

因为涡轮端的温度较高些。

所以，润滑油箱的最低连接管与涡轮端相连。

滑油的排出管有一定的斜度，并且有足够大的尺寸，以减少阻力和背压。

斜度位于5度和船舶最大可能倾斜角度之间。

1.2.2密封空气系统

增压器上的密封空气用于阻止废气进入润滑油空间；阻止油滴进入涡轮端；减少作用在局部轴承上的轴向力。

密封空气通过密封空气管和轴承箱的密封空气孔进入到涡轮端转子的轴向和径向迷宫式密封之间。

密封空气从空气冷却器后取出。

取用点位于进气管的上部区域以防止凝水和杂质进入密封空气管。

密封空气管伸入进气管100mm左右，以避免杂质和水沿着管壁吹入。

密封空气通过管路上的一个节流孔调节压力。

节流孔位于管路即将进入轴承箱的位置。

图1-3

1.2.3Jet-Assist加速系统

当需要迅速地加速和可能的无烟加速或者主机负荷的运用时，可以使用Jet-Assist加速系统。

主机控制激活两位两通阀，来自启动空气瓶的30bar的压缩空气通过节流孔节流，压力降至最大4bar。

减压后的压缩空气通过一个环形管和一个倾斜的洞进入到压气机端，作用在压气机叶轮上。

它一方面提供附加的空气给压气机叶轮，另一方面使压气机叶轮加速。

图1-4

2.增压器喘振的机理

增压器喘振是发生在离心式压气机部分的。

当压气机的流量小到一定值后，气体进入工作叶轮和扩压器的方向偏离设计工况，叶片背面气流出现分离并且不断扩大，同时产生强烈的脉动并有气体倒流，引起压气机气流的流量、压力出现波动，导致压气机产生强烈的振动并发出异常的响声。

喘振是压气机的固有特性，增压器工作时应尽量避免发生喘振。

在叶片扩压器进口处，气流速度可分解为相互垂直的圆周分速度和径向分速度。

当气流相对叶片的转速一定而流量变化时，气流的圆周分速度是不变的，而径向分速度是变化的。

当空气流量小于设计值时，气流径向分速度减小，气流速度也随之减小，其方向也偏离设计值，导致气流进入叶道时，撞击叶片前缘的凸面，而在凹面上产生气流的分离。

如图2-1中（c）所示。

图2-1

在叶轮进口处，气流速度同样可分解为相互垂直的圆周分速度和径向分速度。

当气流相对叶片的转速一定而流量变化时，气流的圆周分速度是不变的，而轴向分速度是变化的。

当空气流量小于设计值时，气流轴向分速度减小，气流相对于叶轮的速度也随之减小，其方向和叶片的构造角之间形成一个负冲角，导致气流进入叶道时，撞击叶片前缘的凹面前缘，而在凸面上产生气流的分离。

如图2-2中（c）所示。

图2-2

在设计流量下，如两图（a）所示，气流平顺地流进叶片前缘和扩压器，气流与叶轮叶片、扩压器既不发生撞击，也不发生分离。

当流量大于设计流量时，如两图（b）所示，气流在叶轮叶片前缘冲向叶片的凸面，与叶片的凹面发生分离；在扩压器中气流冲向叶片的凹面，与叶片的凸面发生分离。

但是，由于叶轮叶片的转动压向气流分离区，扩压器中气流的圆周向流动压向气流分离区，气流分离区受到限制，不致随流量的增加而过分地扩大。

当压气机的工作情况正常时，随着空气流量减少到一定程度，在压气机的通流部分开始产生旋转脱离现象。

假如空气流量继续减小，旋转脱离就会强化和发展，当它发展到某程度后，由于气流强烈脉动，就会使压气机的出口压力突然下降。

此时，进气总管中的气体压力就会比压气机出口的压力高，这将导致部分气流从总管流到压气机中去；而另一部分空气则仍继续前进。

由于这两个因素的作用，进气总管中的压力就会立即降下来。

而随着总管中的压力的下降，流经压气机的空气流量就会自动增加上去；与此同时，压气机叶栅中发生的气流脱离现象就会逐渐趋于消失。

即压气机的工作情况将会恢复正常。

当这种情况继续一个很短的时间后，进气总管中的压力就会再次升高，流经压气机的空气流量又会重新减少下来，在压气机通流部分中发生的气流脱离现象又会再出现。

上述过程就会周而复始地进行下去。

这就是所谓的喘振。

3.影响增压器喘振的因素

从增压器的工作原理可知，压气端与废气端的能量不平衡是导致增压器喘振的根本原因。

而导致根本原因的因素很多，比如：

增压器滤网脏堵，透平气道脏堵，柴油机燃烧不良导致后燃，柴油机负荷严重不均，柴油机气阀关闭不严漏气，气阀和喷油定时不对，扫气箱着火等等。

针对于“育鲲”轮上的增压柴油机是新造的，只要设计上没有问题，一般涡轮增压器与柴油机匹配良好，增压器不会产生喘振，但随着运转时间的增长，增压系统中各个部件就会污损，柴油机某些部件也会产生故障，致使两者的性能逐渐恶化，匹配不良，压气机流量减小，造成气流与叶片强烈撞击与脱流而产生喘振。

在实际运行当中，涡轮增压器的喘振在大多数情况下并不仅仅是由涡轮增压器自身的因素所引起，而是与来自柴油机或其他的设备的因素共同作用甚至是仅由来自涡轮增压器以外的因素所造成的。

3.1柴油机因素

（1）柴油机转速或载荷波动引起喘振

当柴油机转速或载荷突然下降，增压器由于本身转速很高，转动能量很大，一时间不能随柴油机转速下降而降低，增压器的供气量大于柴油机所需的空气量，柴油机不能消耗的空气就使得压气机背压升高而产生瞬时喘振。

当增压器转速下降后，压气机的吸气量与柴油机所需空气量重新达到平衡后，喘振即自行消失

（2）配气机构故障引起喘振

进、排气口打不开或关不严时，会造成增压器喘振。

当进气口打不开时，压气机进气阻力增大，同时气缸内空气不足、燃烧恶化、后燃严重，导致增压器转速提高，空气量的供需矛盾恶化，引起增压器喘振。

进气口关不严时，一方面会造成空气与燃气泄漏、燃烧恶化，另一方面限制了正常空气进入稳压箱，最终引起增压器喘振。

排气口打不开，废气无法排出，当进气口再次打开时，废气倒流，降低了新鲜空气的纯度，导致燃烧恶化，同时增加了压气机进气阻力，引起增压器喘振。

排气口关不严时，一方面在吸气过程，废气倒灌，降低了新鲜空气的纯度，导致燃烧恶化；另一方面在燃烧过程，部分燃烧混合气进入排气总管继续燃烧，提高了排气温度，引起增压器喘振。

（3）后燃严重引起喘振

当柴油机燃烧状态恶化、后燃严重时，排气温度升高、废气能量增加，使增压器转速增加，压气机的吸气随之增加，而气缸内又容纳不了过多的空气量，造成增压器喘振。

3.2中冷器因素

为了降低增压后的空气温度，增大进气密度，使柴油机的循环进气量增多，在压气机出口和柴油机入口之间安置中央冷却器，这样可以在柴油机的热负荷不增加甚至降低，机械负荷增加不多的前提下，较大幅度地提高柴油机功率和经济性，降低排放。

中冷器的常见故障时冷却水温度过高或堵管数过多造成冷却效率下降。

最终都将造成增压空气冷却不足，进气量不够，燃烧恶化，引起增压器喘振。

3.3增压器自身因素

（1）增压器喘振裕度偏小

喘振裕度是指增压器在与柴油机配套工作时，每一转速下都有一个要发生喘振的最小空气流量极限值。

当柴油机在某转速下喘振裕度不足时，增压器就会出现喘振。

（2）压气机或涡轮的流通面积不足

由于压气机或涡轮流道上有积垢、积碳或异物，导致流通截面减小，空气或燃气不能顺利通过，引起增压器喘振。

3.4环境因素

（1）空气吸入温度的影响

在气候寒冷，吸气温度降低时，增压器的压气机工作点移向喘振线，压气工作稳定性较差。

空气密度大，进入气缸的空气质量增加，燃烧充分，废气能量增大，使增压器转速增加，引起喘振。

在气候炎热，吸气温度升高时，增压空气温度相应升高，同时由于压气机进口空气密度减小，燃烧情况变差，使得废气温度升高，柴油机转速增加而引起喘振。

（2）大气压力的影响

大气压力随着海拔高度的提高而降低。

大气压力低时，由于空气稀薄，进入气缸的空气质量不足，燃烧恶化，后燃严重，引起增压器喘振。

图3-1

4.增压器喘振的具体原因和解决办法

4.1增压系统气流通道堵塞

（1）压缩机进口滤网脏堵，使压气机空气流量减小而发生喘振。

解决办法：

清洗或更换滤网。

（2）消音器的羊毛毡松脱，使进气空气流动阻力增大流量减小而发生喘振。

解决办法：

将松脱的羊毛毡重新铆好。

（3）压气机叶轮和扩压器严重积垢，使压气机空气流通面积变小；涡轮叶片及喷嘴环积垢严重，引起涡轮效率降低，导致压气机空气流量减小而发生喘振。

解决办法：

在柴油机运行中对涡轮和压气机进行清洗工作。

（4）空冷器脏堵，使气流阻力增大，压气机背压升高，流量减少而产生喘振。

解决办法：

对空冷器进行化学清洗，清除脏物。

（5）气缸进排气口结碳和油污，导致气口气流面积减小，压气机空气流量减少而产生喘振。

解决办法：

定期清除进排气口的积碳和污物，确保气流通畅。

（6）废气锅炉烟道积碳脏堵，使涡轮后背压上升，导致压气机的空气流量减少而发生喘振。

解决办法：

清洁疏通锅炉烟道。

4.2增压器或柴油机故障，工况改变，增压器压气机工作点左移，处于喘振区

（1）压气机叶轮损坏或过量腐蚀，压气能力减弱，涡轮叶片损坏，导致流经压气机的空气流量减小而发生喘振。

解决办法：

换新或修复压气机叶轮或涡轮叶片。

（2）涡轮叶片顶部及喷嘴环罩内表面被腐蚀，使配合间隙增大，导致流经压气机的空气流量减小而发生喘振。

解决办法：

换新或修复压涡轮叶片及喷嘴环罩。

（3）废气端或压气端有废气或空气泄漏，引起涡轮增压器效率下降而发生喘振。

解决办法：

堵住泄漏。

（4）主机排烟温度高，其排出废气能量高，使增压器转速更高，压气机背压升高而产生喘振。

解决办法：

查明主机排烟温度高的原因，并做相应的处理，使主机排温正常。

（5）二冲程柴油机的调速器负荷限位设置不当，当柴油机加速时，其压气机运行点位于喘振区，导致压气机喘振。

消除方法：

调整调速器负荷限位。

（6）采用脉冲增压系统的柴油机一缸熄火，对于一缸熄火的增压器其压气机背压与正常增压器一样，就显得过高而引起喘振。

解决办法：

检查熄火缸的燃油系统，排除故障，恢复供油。

4.3运行中的增压器与柴油机暂时失配

（1）加速时油门手柄推得过快，使增压器与柴油机暂时失配引起瞬时喘振。

解决办法：

轮机和驾驶人员应尽量避免该情况的出现，除非紧急情况为了避碰的需要。

（2）停车时油门手柄拉得过快，突然从全速拉到停车位置，使增压器与柴油机暂时失配引起喘振。

解决办法：

尽量避免该情况出现，除非紧急情况为了避碰的需要。

（3）船舶在大风浪天气航行时发生飞车，主机在调速器作用下，其转速仍会上下波动；增压器转速因主机燃气能量变化也会发生波动这时主机与增压器之间可能会发生暂时失配的情况。

（4）船壳因大量吸附海生物而阻力增大，使柴油机在大扭矩、低转速下运行，增压器运行点位于喘振区而发生喘振。

解决办法：

船舶进坞清洁油漆船壳。

5.“育鲲”轮增压器喘振故障的排除程序

图5-1

6.NA40/S型增压器防喘振控制的设计

“育鲲”上的NA40/S型增压器没有设置专门的防喘振的设计。

增压器一旦发生喘振，其压气机轴承所受应力将会变大，会对设备造成损坏、甚至造成重大事故。

为保障船舶安全，防止设备损坏，应给增压器设置防喘振保护。

增压器的喘振的根本原因是废气端与压气端的能量不平衡。

即柴油机与增压器的不匹配。

为了很好地解决柴油机与涡轮增压器的匹配问题，针对船上的NA40/S型增压器，可采取设置旁通阀进行控制。

即在压气机出口与涡轮进口之间串上一个旁通阀。

调节旁通阀的开度可以改变其前后压降及旁通空气量，从而调节柴油机扫气压差和平衡运行点位置。

当船舶满载、顶风、污底严重时，由于阻力增加，主机负荷增大，主机在低转速高负荷下运行，气缸耗气量降低而循环喷油量增加，废气能量增大，增压器转速升高，供气量增多，容易导致增压器与柴油机匹配不良而出现喘振。

这时可以增大旁通阀开启角度，增加节流损失，使压气机流量减少。

最终可导致柴油机本身油耗率和排温降低。

当柴油机喷油设备故障，柴油机燃烧不良，后燃严重；气缸漏气，热负荷增大，排烟温度升高。

排温升高即废气能量增加，增压器转速升高，供气量增加。

这时，如果供油量不变，则出现柴油机与增压器不匹配的情况。

同上述情况类似，可以通过调节旁通阀直至柴油机故障消失从而防止喘振的发生。

图6-1

但是，排气温度由于增压空气的加入而下降，使涡轮功降低。

所以为了在旁通时不使排气温度和涡轮功下降，可在旁通阀后再串联一个补燃室或采用回热旁通系统。

由于回热旁通的措施虽然可以在性能上得以改善或使性能变坏减轻，但回热设备较复杂，不利于布置，所以很少使用。

若使用补燃室，一方面在柴油机起动时可以点燃补燃室形成燃气轮机循环，提高进气压力和温度以满足柴油机的良好起动条件，另一方面，可随时提供涡轮足够的能量以保证柴油机得到足够的空气量。

图6-2

依据发生喘振的原因是压气端与涡轮端的能量不平衡，针对旁通阀设计的不足之处，可以考虑不设旁通阀，而考虑直接把部分的的排气或部分的增压空气直接通过一个放气阀排出，从而使压气端与废气端的能量平衡。

即当气缸耗气量降低，而废气能量由于排烟过高而增大时（如柴油机在低转速高负荷下运行），可以将部分废气通过放气阀而不通过涡轮直接排出。

图6-3

放气方式有两种：

一种是将部分排气放入大气，一种是将部分增压空气放入大气。

从热力学观点看，放排气比放增压空气理想一些。

但是，采用这种方法的缺点是在高工况下经济性不好，对于高工况较少的车用柴油机较适用，而由于“育鲲”轮上的柴油机高工况运行时间长，经济性不好，所以一般不采用。

由于NA40/S型增压器的喷嘴环是不可变的。

因而，可以考虑采用变喷嘴环进行喘振的控制。

所谓变喷嘴环，即喷嘴环的出口截面积是可以改变的。

当柴油机出现故障（如气阀烧损，气缸漏气），热负荷增大，排烟温度升高，废气能量增加，将使增压器转速增加，供气量增多，使柴油机与增压器失配。

这时，让喷嘴环出口截面积增大，使增压器转速相对减小，增压压力降低，增压不过量，从而防止由于柴油机与增压器的失配而产生喘振。

经研究表明，采用变喷嘴环增压器时，涡轮的能量损失会有所减少，但考虑到变喷嘴环的叶片调节时会有间隙，因此会有附加漏气损失，此损失的大小决定了变喷嘴环后涡轮性能的好坏。

这又取决于变喷嘴环的设计制造技术。

所以比起同类增压器的产品，初投资要增多，减少了经济性。

因而“育鲲”轮上的柴油机适宜采用上述所说的旁通补燃控制来防止压气机喘振。

而采用旁通补燃的关键就是控制旁通阀的开度。

旁通阀若开得过大，旁通空气量过大而影响缸内的燃烧质量，使热负荷上升，反而有造成喘振的危险。

为了精确、方便地控制旁通阀，可采用微机控制系统进行控制。

旁通阀的开度是根据压气机流量和压气机进出口压力差确定的。

图6-4

图6-5

P1为压气机进口压力；P2为压气机出口压力；F为压气机流量

△P=P2-P1为压气机前后端压差。

压气机在工作区内，F与△P成一定的比例关系，即F/△P≥K,K为系统设定的比例常数。

当F/△P

（图中的控制器为可编程控制器，可用PLC控制）

7.结论

随着高压比、高效率涡轮增压器的发展，涡轮增压柴油机的增压程度越来越高。

但随着增压比的提高，增压器的匹配矛盾也就越突出，增压器难以同时满足柴油机所有工况运行时的燃烧空气的需要。

增压器与柴油机之间的匹配，防止喘振发生成为急需解决的问题。

本文所做的主要工作和得出的结论