李庆旺的大学本科方案设计书21.docx
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李庆旺的大学本科方案设计书21
毕业专题论文
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船用增压器抖动及喘振故障处理
Marineturbochargerjittersurgeandtroubleshootingmeasures
学生姓名
李庆旺
所在专业
轮机工程
所在班级
轮机1071班
申请学位
工学学士
指导教师
余培文
职称
讲师
副指导教师
职称
目录
摘要I
abstractII
1前言1
1.1增压器的概述1
1.2涡轮增压器的分类1
1.2.1机械增压1
1.2.2废气涡轮增压2
1.2.3复合增压2
2船舶增压装置的管理特点3
2.1新安装涡轮增压器的原则。
4
2.2废气涡轮增压器使用注意事项及保养4
3船舶增压装置的故障诊断及其对策5
3.1运行中故障的现象及原因5
3.1.1增压器的喘振5
3.1.2增压器和柴油机的运行失配6
3.1.3脉冲增压一缸熄火或各缸负荷严重不均6
3.1.4环境温度的变化7
3.2增压器的强烈振动7
3.2.1叶片的断裂7
3.2.2轴承烧损7
3.2.3转子失去动平衡7
3.3柴油机在一定转速和功率下增压压力的增高或降低7
3.3.1增压压力下降7
3.3.2增压压力升高8
3.4轴承相中滑油变黑和漏失8
4废气涡轮增压器常见问题及成因分析8
4.1涡轮增压器漏油8
4.2 浮动轴承损坏9
4.3 涡轮增压器有异响9
5结论10
鸣谢11
参考文献12
摘要
在当今船上，伴随着海运业迅速发展，现代工程机械用柴油机几乎都采用了废气涡轮增压技术，增压器得到了广泛使用，在目前的技术条件下，涡轮增压器是唯一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置增压器，废气涡轮增压器主要由废气涡轮和压气机两部分组成，另外还设有冷却、润滑等系统。
从船用增压器在船舶上的重要性说起，详细的阐述了涡轮增压器的结构原理，接着列举了船舶涡轮增压器的管理要点以及船舶涡轮增压器常见的故障，并从管理者的角度针对各种故障提出了解决的对策。
此文分析了船舶增压装置的常见故障，针对涡轮增压器常见故障及产生的原因，并且提出了在增压器的安装与使用维护、柴油机的操作等方面应采取的对策，以降低增压器的故障率，延长使用寿命，提高其经济效益。
关键词：
增压器管理故障分析对策
abstract
Intoday'sboard,alongwiththerapiddevelopmentofthemaritimeindustry,modernengineeringmachineryanddieselengineexhaustalmostallofturbochargertechnologywithaturbochargerhasbeenwidelyusedinthecurrenttechnicalconditions,theturbochargeristheonlyonethattheefficiencyoftheenginewithoutchangingthemechanicaldevicetoincreasepoweroutputturbocharger,exhaustgasturbochargerturbineandcompressormainlyoftwoparts,alsohasacoolingandlubricationsystems.Marineturbochargerfromtheimportanceoftalkingaboutontheship,describedindetailthestructuralprincipleturbocharger,andthenliststhemanagementofmarineturbochargerturbochargerpointsandshipcommonfault,andfromthemanagementFault'spointofviewputforwardsolutionsforvariouscountermeasures.
Thisarticleanalyzestheshipcommonfailureboostingdeviceforturbochargercommonfaultsandcauses,andproposedtheinstallationofthesuperchargerandmaintenance,theoperationofdieselenginesandothermeasurestobetakentoreducetheincreasepressuredevicefailurerateandprolonglife,improvetheireconomicefficiency.
Keywords:
Thesuperchargermanagementfailureanalysiscountermeasures
船用柴油机增压器抖动及喘振故障处理
轮机工程，200711821104李庆旺
指导教师：
余培文
1前言
所谓增压，就是提高气缸进气压力的方法，使进入气缸的空气的密度增加，从而可以增加喷入气缸的燃油量，以提高柴油机的平均指示压力Pe。
柴油机的增压程度一般以增压度来表示，增压度是柴油机增压后标定功率与增压前标定功率之差值与增压标定功率的比值。
由于空气在增压器中被压缩时压力和温度是同时升高的，这就影响了空气密度的增加和效果。
因此在增压器后都设有中冷器以降低空气温度。
通常中冷器都是以海水来冷却的，中冷的另一个作用是降低柴油机的循环平均温度。
1.1增压器的概述
涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩，让其更有劲。
一台发动机装上涡轮增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。
这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够产生更大的功率。
我们平常所说的涡轮增压装置其实就是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加发动机的进气量，一般来说，涡轮增压都是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入汽缸。
当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入汽缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了
1.2涡轮增压器的分类
1.2.1机械增压
增压器直接由柴油机驱动。
显然这种增压形式将消耗柴油机的有效功率。
随着增压压力的提高，柴油机所消耗的功率随之增大。
因此机械效率只适合于增压压力小于（0.15-0.17MPa）的低增压柴油机。
图1-1机械增压系统图1-2废气涡轮增压系统
1.2.2废气涡轮增压
利用柴油机排出的废气吹动涡轮机，由涡轮机带动增压器。
显然这种增压形式可以从废气中回收部分能量，不仅提高了柴油机的功率，还提高了动力装置的经济性因而获得广泛应用。
1.2.3复合增压
这种增压形式既采用涡轮增压，又采用机械增压。
根据两种增压器的不同布置方案，可以分为串联增压和并联增压。
串联增压系统是采用废气涡轮增压器和主机带动的往复式扫气泵串联工作。
在这种串联增压系统中，增压空气经过两级压缩。
涡轮增压器为第一级，压气机从大气中吸入空气进入中间冷却器进行冷却，然后进入与增压器串联的往复式压气机中进行第二级压缩，以达到规定的增压压力。
空气经第二级压缩后，再进入第二级空气冷却器冷却，最后进入柴油机扫气箱。
采用串联增压系统使柴油机启动容易，低负荷性能好，当涡轮增压器损坏时，依靠第二级往复式压气机仍可使柴油机达到70%-80%的标定转速，因此不需另设应急鼓风机。
然而这种增压系统使柴油机结构复杂，重量增加。
图1-3串联增压系统图1-4串联旁通增压系统
串联旁通增压系统的特点是部分串联增压，在扫气前期为串联增压，在换气后期串联失效，由涡轮增压器单独供气。
这种增压系统利用柴油机的活塞下部空间作为辅助压气机，并与涡轮增压器串联为第二级增压泵，涡轮增压为第一级增压泵。
其扫气箱分为内外两部分。
外侧空间个缸共用，与涡轮增压器相通，内侧空间各缸分开，并与活塞下部空间相连通组成单缸扫气室。
两者之间以单向阀连接。
串联旁通增压系统的主要优点是利用扫气室中空气压力的变化防止废气倒灌，扫气效果好，对于湾流扫气的柴油机可以减小排气口高度，活塞下部的增压泵可以改善柴油机的低负荷性能，而且结构比串联增压系统简单。
在采用定压增压时，由于在启动和低负荷时废气涡轮增压器供气不足，采用电动鼓风机与之串联工作。
并联增压系统就是使涡轮增压器与下部活塞空间并联工作。
在这种增压系统当中涡轮增压器与下部辅助增压泵分别从机舱吸入空气并在其中压缩，然后经空气冷却器冷却在共同送入扫气箱涡轮所占75%-80%其余的由辅泵供给。
由于辅助增压泵只供给一小部分空气，则只需将柴油机的部分气缸下部做为辅助增压泵。
图1-5并联增压系统图1-6废气涡轮中废气能量的利用图
（1）单独增压线图
（2）串联增压线图（3）并联增压线图
图1-7三种增压方式曲线图
并联增压系统在低负荷时因涡轮增压器供气显著下降，而辅助增压泵的供气远远不足，故柴油机在低负荷时的工作性能差，容易发生喘振因此经过改进取消了下部的辅助增压泵，变成了单独的增压系统，并附设电动鼓风机与增压器串联供气。
2船舶增压装置的管理特点
对于涡轮增压器发动机来说，只要掌握了正确的管理方法并定期检查维护好涡轮增压器，不但会使涡轮增压器的使用寿命大大延长，提高了动力性，而且也提高了使用的经济性。
2.1新安装涡轮增压器的原则。
（1） 清洗并换油。
更换新的增压器前，务必将柴油机的旧润滑油放尽，清洗润滑系统，更换滤芯，注入新的机油，而这一点往往是现场检修工作中易忽视的。
（2） 检查异物。
检查空滤器、进排气管中有无杂物。
检查进回油管，确保管路通畅，无内衬剥落现象。
（3） 预润滑。
以新安装的增压器使用前，诮先将机油从增压器的进油孔注入，转动压气机叶轮数次，使转子轴承充油后，再注入适量机油，确定回油孔有油流出，保证增压器在使用前轴承处得到充分的润滑。
（4） 总装增压器时不得有杂物落入壳体内腔或管道中。
2.2废气涡轮增压器使用注意事项及保养
废气涡轮增压器经常处于高温下工作，进入废气涡轮端的温度在600℃左右。
增压器转子以每分钟几万转到十几万转的高速旋转，为了保证增压器的正常工作，使用中应注意以下几点：
（1）使用正确牌号的润滑油，并定期更换。
对涡轮增压柴油机至少应使用CD级增压机油。
（2）发动机发动以后，特别是在冬季，发动机点火后，应怠速运转几分钟，千万不能轰油门，以防止损坏增压器油封。
（3）熄火前，发动机也应怠速运转几分钟，让发动机、增压器转子的转速降下来以后再熄火，以防止猛轰油门，增压器转速很高，突然熄火，机油泵不打油，增压器转子仍在高速惯性运转，干磨损坏轴承。
（4）由于经常处于高温下运转，到增压器的润滑油管线由于高温，内部机油容易有部分的结焦，这样会造成增压器轴承的润滑不足而损坏。
（5）检修发动机时，应注意千万不能让杂物进入增压器，以防损坏转子。
（6）WD615机经增压后，空气进入中冷器，有几道橡胶管连线，要求在出车前、修车中检查其连接情况，防止松动、脱落，以免造成增压器失效和空气短路进缸。
（7）禁止柴油机长时间急速运转（一般不超过5min）因怠速时机油油压较低，不利于增压器的润滑，容易使轴承过早磨损
增压器的日常维护
多年的经验告诉我们，造成涡轮增压器故障的主要原因是润滑问题，占第二位的原因是外来物体进入压气机叶轮或涡轮叶轮。
除了偶尔要对压气机进行清洗以外，不需要单独对涡轮增压器作周期性的维护保养。
因为一般的维修人员没有专用设备是不能对涡轮增压器做校准和调整工作，并且涡轮增压器的润滑油是由它所在的发动机供应的。
所以涡轮增压器的预防性维护保养主要是保证发动机与空气增压系统的完整性，以及不让发动机以损害涡轮增压器和发动机自身的方式来工作
3船舶增压装置的故障诊断及其对策
3.1运行中故障的现象及原因
增压技术广泛应用于现有的船舶柴油主机中,增压系统是指实现柴油机增压的成套装置,随着增压技术的广泛应用和发展,柴油机输出功率越来越大,增压能力越来越强,但是同时随着其输出功率的增大和劣质原料的使用,其故障也在逐渐增加。
柴油机废气涡轮增压系统由柴油机、压气机、废气涡轮、空气冷却器和辅助的扫气泵等基本元件组成。
其主要任务是提供足够的空气，保证柴油机扫气和燃烧的需要。
由于柴油机工况不同，产生的废气能量也不同；柴油机燃烧的燃料不同，其废气所含成分也不同。
增压系统在工作中经常出现故障，在运行中故障的现象及原因如下：
图3-1空气在工作叶轮前缘附近的流动情况
图3-2空气在扩压器前缘附近的流动情况
3.1.1增压器的喘振
增压系统气流通道堵塞。
产生喘振一般是由于气流通道的堵塞、增压器和柴油机的运行失配、脉冲增压一缸熄火或各缸负荷严重不均、环境温度的变化等。
增压系统气流通道堵塞是引起增压器喘振的最常见原因。
柴油机运行时，增压系统的气体流动线路是：
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—柴油机的进气口（阀）—排气口（阀）—排气管—废气涡轮喷嘴环—废气涡轮叶轮—废气锅炉—烟囱。
流动路线中的任意环节发生阻塞，都会因流阻增大而使压气机流量减小，背压升高，引起喘振。
其阻塞的原因有：
脏污、结碳、变形。
其中在进口滤器、压气机叶轮和扩压器、空气冷却器、气缸的进排气口、涡轮的喷嘴环和叶轮部位容易堵塞。
因此在管理中应注意检查上述部件的污损并加以清洁。
这样可以防止和排除因气流通道阻塞而引起喘振。
3.1.2增压器和柴油机的运行失配
在设计时选配的增压器和柴油机是根据计算得出的理论最佳配合，在正常情况下不会发生喘振，但在海上运行时船舶因装载、顶风、污底或柴油机本身的故障，或由于轮机员操作不当以及在大风浪天航行，都可能导致柴油机和增压器匹配不良，引起喘振。
（1）船舶负荷变化引起的喘振。
当船泊满载、顶风、污底严重时，因阻力增加，主机负荷增大，柴油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大，废气能量增大，使增压器转速升高，供气量增多，从而引起增压器和柴油机匹配不良出现喘振。
此时可通过降低油门消除喘振。
船舶在风浪天航行发生飞车时，并联增压系统和单独增压系统会发生喘振。
这是因为螺旋桨出水，柴油机转速升高，调速器自动停止供油，增压器因废气量减少转速下降。
在并联增压时，辅助泵因转速高供气多，使压气机背压较高而流量减少，引起喘振；单独增压时，若螺旋桨入水时柴油机转速过低，会造成压气机堵塞而发生喘振。
（2）轮机人员操作不当而使柴油机和增压器暂时失配而发生的喘振。
这种现象可以通过调整恢复匹配关系，喘振自行消失。
如高速下停车时，需急速将操纵杆拉到停车位置，这时因为主机运动部件质量大，曲轴和螺旋桨阻力增大，很快停止转动；但增压器转速很高，转动动能很大，一时不能停转，所供出的空气柴油机不能消耗，致使压气机背压过高而引起增压器瞬时喘振。
待增压器转速下降后，喘振自然消失。
急速降低主机转速时也会出现类似的情况。
主机加速过快也会使增压器发生喘振。
这是因为主机的运动部件质量大，转动阻力矩大，转速上升慢；而增压器转子质量小，废气能量迅速增加使转速升高。
两者暂时失去匹配关系而发生喘振。
随着柴油机转速的升高，压气机流量增大，喘振会自行消失。
（3）柴油机本身故障。
①喷油设备出现故障，会使柴油机燃烧不良，后燃严重；②柴油机的活塞环断裂或粘着、气阀的烧损、气阀间隙太小，会导致气缸漏气，使过量空气系数降低，热负荷增大，排气温度升高，在柴油机每循环喷油量不变的情况下，柴油机输出功率下降，柴油机转速降低，而排气温度的升高意味着废气能量的增加，使增压器转速升高，供气量增多。
这使原来增压器与柴油机正常的匹配被破坏，导致压气机在高背压、小流量的状态下工作，严重时引起增压器喘振，这时只要排除了柴油机的故障，喘振就会消失。
3.1.3脉冲增压一缸熄火或各缸负荷严重不均
在脉冲增压系统中，往往将三个气缸与一台增压器相连接。
一台柴油机有多台增压器，它们并联地向一根进气总管供气。
当某缸熄火时，与之相连的涡轮功率减小，转速下降，供气能力降低。
而其他增压器正常工作，压气机的出口背压仍与正常运转时相同。
这使得熄火缸增压器的背压显得过高，其压气机排量减小，发生喘振。
由于喘振使得压气机出口压力波动幅度增大，甚至可能引起多台增压器交替喘振。
若使熄火缸恢复工作或减小另一组气缸的供油量，则可消除喘振。
各缸负荷不均发生喘振的机理与上述相同。
3.1.4环境温度的变化
在低温条件下匹配的不带空冷器的增压器和柴油机如用在高温海域时，或者在高温条件下匹配的带。
有空冷器的增压器和柴油机用在低温海域时，由于匹配关系的改变，运行点更靠近喘振区，因而容易引起喘振。
3.2增压器的强烈振动
增压器产生强烈振动的原因主要是旋转零件损坏和转子失去动平衡所造成的。
3.2.1叶片的断裂
叶片断裂主要是外来活塞环折断碎片及其它金属碎物等冲入涡轮中造成的。
这些碎物冲击造成增压器发生强烈振动和噪音。
3.2.2轴承烧损
轴承损坏的原因主要有：
滑油的压力太低，油量不足或断油；滑油变质或油中混进杂质；转子动平衡失调等。
轴承损坏后转子产生攒动，从而使增压器发生强烈振动。
3.2.3转子失去动平衡
转子经过长时间的使用，必然会造成叶片的断裂和变形以及腐蚀、转子轴颈的磨损，这一切都会造成转子失去平衡
此外各处的紧固螺栓松动、安装不当、违章操作、冷却系统出现故障等都会引起增压器强烈振动。
3.3柴油机在一定转速和功率下增压压力的增高或降低
增压器增压压力升高过大的原因多在柴油机方面，主要是柴油机后燃严重或排气阀大量漏气，造成排气温度过高，以致使涡轮进气量增大。
增压器的压力降低，增压器的转速也同时降低，其原因在废气涡轮增压器或机械方面。
属于废气涡轮方面的原因是：
喷嘴环叶片变形、叶片变形、涡轮进气管漏气或堵塞等。
属于机械方面的主要原因是轴承的损伤、转动件与固定件相刮擦等。
若压力下降而转子转速没有变化，则原因在压气机方面，主要是进气滤网堵塞；压气机叶轮和扩压器的气流通道被灰尘或油垢污损，造成压气机效率下降；压气机叶轮背面气封漏气；扫气箱漏气等。
3.3.1增压压力下降
废气涡轮和压气机通流部分赃污是引起压力下降的重要原因，包括进口滤器、消音器、空冷器等，运行中应定期清洗增压器。
若增压压力下降同时增压器的转速也下降，说明废气能量不足，可能是柴油机方面的原因，如喷油提前角过大、排气阀开启较晚、缸套活塞漏气等；也可能是废气涡轮方面，如喷嘴环变形、涡轮前排气管膨胀接头漏气。
此外由于轴封结碳、轴承故障使转子阻力增大也会使转速降低，压力下降。
因此应具体查明情况，予以排除。
若增压压力下降同时增压器的转速没有明显变化，则可能是压气机故障引起的。
如压气机进口滤器和消音器堵塞，内部气流通道积垢、增压器轴封、气封漏气、扫气箱漏气等。
3.3.2增压压力升高
增压压力升高主要是柴油机引起的。
常见的是柴油机负荷过大或喷油系统故障使燃烧不良、后燃严重，导致废气能量增加，涡轮转速提高，增压压力升高。
排气阀漏气或开启过早也会出现上述情况。
3.4轴承相中滑油变黑和漏失
滑油变黑是因为排气漏入轴承箱。
这是因为涡轮轴封损坏、密封衬垫间隙过大、密封空气的通道被阻塞造成的。
滑油漏失是因为密封平衡空气失去作用、密封衬套间隙过大、轴承箱压力过大、轴承箱盖压板螺栓松动漏油造成的。
总之，柴油机废气涡轮增压系统的故障是很常见的，其原因是各不相同的。
这就要求轮机管理人员根据不同的情况进行不同的分析和诊断，同时根据诊断结果给予修理和排除。
对于损坏严重的应采取相应的应急措施。
在日常工作中，对增压系统进行实时监控和保养。
采取预防性措施，减少故障的发生。
4废气涡轮增压器常见问题及成因分析
现代工程机械用柴油机几乎都采用了废气涡轮增压技术。
废气涡轮增压器是一种利用发动机排气中的剩余能量来工作的空气泵。
废气驱动涡轮叶轮总成，它与压气机叶轮相连接，当涡轮增压器转子转动时，大量的压缩空气被输送到发动机的燃烧室里，从而增加了压缩空气的总量，可以使更多的燃油喷入到发动机里去，使发动机在尺寸不变的条件下而产生更多的功率，提高发动机单位重量的功率。
废气涡轮增压器是一种在高温环境中高速旋转的机械，正确的安装方法及按照科学合理的规程进行日常的维护和使用，对行提提高其寿命，减少故障具有非常重要的作用。
下面对废气涡轮增压器的常见问题及原因进行分析。
4.1涡轮增压器漏油
正常状态下，增压器两端叶轮的轮背处都有一定的气体压力，因此机油是不会从低压区向高压区流动的。
密封环的主要作用是封住压气机和涡轮壳内的气体向中间体油腔泄漏，只有在特殊情况下才起密封机油的作用。
但如果使用不当，仍可能造成两端漏油。
主要原因有以下几方面：
（1） 发动机长期处于怠速状态。
在这种情况下，增压器涡轮及叶轮的轮背处会产生一定的负压，导致中间体内的机油向外泄漏。
（2） 回油不畅。
使用中如果机油回油管路发生阻塞（如回油管硬弯曲或因杂质造成阻塞），会使机油回油不畅，中间体内机油压力过高，使机油沿着转子轴向两端挤出密封环造成漏油。
（3） 发动机曲轴箱压力过高。
当曲轴箱废气压力超过规定值时，会使增压器回油管路内机油压力升高，回油不畅，造成密封环漏油。
（4） 密封环磨损或失效。
若长期不更换机油，机油中的杂质将使密封环磨损变薄，逐步失去封气、封油作用而导致漏油。
（5） 密封环安装不当。
密封环安装不当，使相领两环开口错开角度未达到１８０度，也容易造成增压器漏油。
4.2 浮动轴承损坏
废气涡轮增压器采用的是浮动轴承，完全依靠润滑油膜建立起润滑。
当浮动轴承损坏后，轴承与轴之间间隙过大，油膜失稳，承载能力下降，转子轴系振动加剧，其动平衡被破坏，进而使两端密封遭到破坏。
出现这种故障主要有以下原因：
（1） 未按说明书正确使用机油。
增压器的转速超过发动机转速近２０倍。
因此增压器轴承处的温度远远高于发动机曲轴处的温度。
这就要求所用机油具有较高的黏度，能承受高速转子的负荷和较高的温度，同时还要具有较好的分散性、抗氧化性和耐磨性。
（2） 机油清洁度太差。
机油中过多的杂质会加速轴承和轴的磨损。
（3） 缺油干磨。
若机油泵工作不正常，造成供油不足或机油压过低，以及进油管路变形、阻塞，出现裂纹等现象导致机油供应量不足，均能使增压器轴承和轴因润滑不良而损坏。
（4） 使用中操作不当。
不严格按照操作规程正确使用柴油机，长时间不使用或在冬季气温较低时启车后猛加油门，特别容易导致润滑不足。
4.3 涡轮增压器有异响
（1）增压器叶轮损坏或转子叶轮与壳体间隙过小，轴承与止推片磨损严重，转子游动量过大造成叶轮外缘与壳体碰擦。
（2）轴承、密封环等运动件的干磨控声。
（3）叶片变形或转轴偏磨等原因造成转子动平衡破坏。
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