“育鯤”輪主機(jī)廢氣渦輪增壓器分析及其防喘振控制的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　大連海事大學(xué)</b></p><p><b>　　畢 業(yè) 論 文</b></p><p><b>　　二O10年 月</b></p><p>　　“育鯤”輪主機(jī)廢氣渦輪增壓器分析及其防喘振控制的設(shè)計(jì)</p><p>　　專業(yè)班級(jí): 輪機(jī)06級(jí)9班

2、 </p><p>　　姓 名: 陳 榮 </p><p>　　指導(dǎo)教師: </p><p><b>　　輪機(jī)工程學(xué)院</b></p><p><b>　　內(nèi)容摘要</b></p><p>　　摘要：船用柴油機(jī)

3、增壓器采用廢氣渦輪增壓的方法，增加了柴油機(jī)的進(jìn)氣量，使柴油機(jī)的工作過程得到改善，燃油消耗下降，經(jīng)濟(jì)性提高。因此，其工況好壞直接影響柴油機(jī)的工作。當(dāng)增壓器發(fā)生喘振，不但無法達(dá)到預(yù)期的增壓比，而且會(huì)造成機(jī)損事故。所以，防止喘振的發(fā)生及其重要。</p><p>　　本文對(duì)“育鯤”輪上的船用二沖程機(jī)軸流式定壓渦輪增壓器及其喘振作了研究。</p><p>　　首先，本文介紹了NA40/S型渦輪增壓器

4、的工作原理，并闡述了其特點(diǎn)。</p><p>　　然后，闡述了渦輪增壓器喘振的機(jī)理，并列出了影響“育鯤”輪上的增壓器喘振的因素。接著，分析其喘振發(fā)生的具體原因和解決方法。設(shè)置了NA40/S型增壓器喘振故障的排除程序。</p><p>　　最后，文章對(duì)NA40/S型增壓器的防喘振控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)。提出了三種方案并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，選取了最適宜的方案，并對(duì)其具體的控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)。</p>

5、;<p>　　關(guān)鍵詞：柴油機(jī)； 增壓器； 喘振</p><p>　　ABSTRACT: The turbocharger of diesel engine adopt the method of supercharging to increase the quantity of the inlet gas ,improve the working process of diesel engine ,

6、 reduce the consume of the fuel oil and raise the economical efficiency . So , the working condition directly influence the working of diesel engine . When the turbocharger is surging , it not only can’t get the compress

7、 ratio , but also will make the machine broken accident . As a result , preventing the is very important .</p><p>　　This paper make a research to the turbocharger and surge on “yukun” ship .</p><

8、p>　　First，this paper introduce the NA40/S turbocharger principle of work and expound its characteristic .</p><p>　　Then，expound the turbocharger mechanism , and list the affecting factor of the surge on “

9、yukun” . After that , analyze the reason of surge and resolvent . Set the exclude procedures of the NA40/S turbocharger error .</p><p>　　At last , this paper design the controlling of preventing the surge of

10、 NA40/S turbocharger . Propose three program and analyze their advantage and fault . Choose the best program and design the material control . </p><p>　　Keyword: diesel engine turbocharger surge </p&g

11、t;<p>　　目 錄</p><p>　　1“育鯤”輪廢氣渦輪增壓器工作原理與特點(diǎn)6</p><p>　　1.1增壓器工作原理7</p><p>　　1.2 NA40/S型增壓器的主要特點(diǎn)7</p><p>　　1.2.1滑油系統(tǒng)7</p><p>　　1.2.2密封空氣系統(tǒng)8

12、</p><p>　　1.2.3Jet-Assist 加速系統(tǒng)8</p><p>　　2.增壓器喘振的機(jī)理8</p><p>　　3.影響增壓器喘振的因素10</p><p>　　3.1 柴油機(jī)因素10</p><p>　　3.2 中冷器因素11</p><p>　　3.3 增壓器自身

13、因素11</p><p>　　3.4 環(huán)境因素11</p><p>　　4.增壓器喘振的具體原因和解決辦法14</p><p>　　4.1 增壓系統(tǒng)氣流通道堵塞14</p><p>　　4.2 增壓器或柴油機(jī)故障，工況改變，增壓器壓氣機(jī)工作點(diǎn)左移，處于喘振區(qū)14</p><p>　　4.3 運(yùn)行中的增壓器與柴

14、油機(jī)暫時(shí)失配15</p><p>　　5.“育鯤”輪增壓器喘振故障的排除程序16</p><p>　　6.NA40/S型增壓器防喘振控制的設(shè)計(jì)17</p><p><b>　　7.結(jié)論21</b></p><p>　　“育鯤”輪主機(jī)廢氣渦輪增壓器分析及其 防喘振控制的設(shè)計(jì)</p><p>

15、<b>　　前言</b></p><p>　　作為當(dāng)今熱效率最高的動(dòng)力機(jī)械，柴油機(jī)以其良好的經(jīng)濟(jì)性廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)洋船舶和內(nèi)河船舶。自石油危機(jī)以來，為了增加功率，改善熱效率，提高經(jīng)濟(jì)性。柴油機(jī)增壓程度不斷提高。增壓技術(shù)使柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性上了一個(gè)臺(tái)階，被譽(yù)為“柴油機(jī)發(fā)展史上的第二個(gè)里程碑”。增壓也就成為了提高柴油機(jī)功率的主要途徑。船用柴油機(jī)增壓器一般應(yīng)用廢氣渦輪增壓的方法，利用柴油機(jī)排出的廢

16、氣能量驅(qū)動(dòng)渦輪高，帶動(dòng)與渦輪同軸的壓氣機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，壓氣機(jī)將空氣壓入柴油機(jī)的氣缸，增加了柴油機(jī)的充氣量，可供更多的燃油完全燃燒，不僅柴油機(jī)工作過程得到改善，燃油消耗下降，經(jīng)濟(jì)性提高，排放也得到改善。因此，其工況的好壞直接影響柴油機(jī)的工作。</p><p>　　由于渦輪增壓器是回轉(zhuǎn)式機(jī)械，而柴油機(jī)是往復(fù)性機(jī)械，兩種機(jī)械的特性不同，這就涉及到兩者工況的匹配問題。當(dāng)兩者工況不匹配時(shí)，則增壓器就將發(fā)生喘振。喘振不僅是壓

17、氣機(jī)達(dá)不到預(yù)期的增壓比，而且會(huì)損壞壓氣機(jī)部件，并導(dǎo)致整臺(tái)渦輪增壓器機(jī)損事故。因此，了解增壓器喘振的原因，預(yù)防和消除增壓器喘振，是輪機(jī)管理的重要內(nèi)容。</p><p>　　1“育鯤”輪廢氣渦輪增壓器工作原理與特點(diǎn)</p><p>　　“育鯤”輪主機(jī)為MANB&W公司生產(chǎn)的，機(jī)型為6S35MC。其廢氣渦輪增壓器也是MANB&W生產(chǎn)的，型號(hào)為NA40/S。由廢氣渦輪和壓氣機(jī)兩部分

18、組成。壓氣機(jī)采用的是單級(jí)徑流離心式壓氣機(jī)。主要由進(jìn)氣消音器、壓氣機(jī)葉輪、擴(kuò)壓器、排氣蝸殼等組成。廢氣渦輪是軸流式廢氣渦輪。它由渦輪進(jìn)氣箱、噴嘴環(huán)、工作葉輪、排氣箱等組成。轉(zhuǎn)子由軸承支撐。軸承是內(nèi)支撐式的。在壓氣機(jī)端有定位軸承，用于軸向定位和承受側(cè)推力。如圖1-1所示。</p><p><b>　　圖1-1</b></p><p>　　軸承的潤(rùn)滑和主機(jī)滑油的循環(huán)是一體的

19、?；偷倪^濾級(jí)別小于0.05mm。最大允許油溫在70攝氏度。在60攝氏度時(shí)使用滑油SAE30，在65攝氏度時(shí)使用滑油SAE40。在正常操作和負(fù)荷下，滑油壓力在1.5bar左右；報(bào)警和降速至主機(jī)負(fù)荷減半時(shí)，滑油壓力可小于1.0bar；主機(jī)停車時(shí)，滑油壓力應(yīng)小于0.8bar?；土髁繛?.5至5.0立方米每小時(shí)。定位軸承和渦輪端的支撐軸承由兩個(gè)來自主機(jī)滑油循環(huán)系統(tǒng)的獨(dú)立的供應(yīng)油管供應(yīng)滑油?；鸵灿糜诶鋮s。</p><p&

20、gt;　　渦輪葉輪和軸是一體的，而壓氣機(jī)葉輪是被安裝在軸上。增壓器采用非冷卻式的，既減輕了增壓器的重量，也避免了增壓器殼體可能出現(xiàn)的低溫腐蝕。廢氣渦輪的殼體是絕熱的。</p><p>　　1.1增壓器工作原理</p><p>　　氣缸排出的廢氣驅(qū)動(dòng)增壓器轉(zhuǎn)子，將廢氣轉(zhuǎn)化為能量。廢氣穿過增壓器，依次通過渦輪噴嘴環(huán)，渦輪葉輪，氣體出口擴(kuò)壓，到達(dá)氣體出口箱后進(jìn)入排氣總管。渦輪高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)同軸上另

21、一端的壓氣機(jī)葉輪同步旋轉(zhuǎn)，使經(jīng)過進(jìn)氣箱或消音器而進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣，被壓縮機(jī)葉輪，擴(kuò)壓器，壓縮機(jī)殼體壓縮。壓力增高的空氣經(jīng)過中央冷卻器和進(jìn)氣管路，被壓入主機(jī)氣缸，使得噴入氣缸內(nèi)的柴油在這種條件下得到充分燃燒，使功率提高，降低了油耗率。</p><p>　　1.2 NA40/S型增壓器的主要特點(diǎn)</p><p><b>　　1.2.1滑油系統(tǒng)</b></p>

22、<p>　　增壓器軸承的潤(rùn)滑以主機(jī)滑油系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)的。增壓器轉(zhuǎn)子的2個(gè)支撐軸承位于壓氣機(jī)葉輪與渦輪葉輪之間的軸承箱內(nèi)。壓氣機(jī)端的定位軸承通過管（1，3和5.1）來供應(yīng)滑油。渦輪端的支撐軸承通過管（1，3和5.2）來供應(yīng)滑油。增壓器滑油壓力的設(shè)定，是通過安裝在供應(yīng)管上（3，在分叉以前）的一個(gè)節(jié)流孔口進(jìn)行控制的。在供應(yīng)管（5.1和5.2）上，兩個(gè)止回閥（4和6）之間，安裝有一個(gè)測(cè)量連接，用于控制和監(jiān)督滑油壓力。增壓器的滑油壓力是

23、可以調(diào)節(jié)的。當(dāng)主機(jī)是滿負(fù)荷時(shí)，滑油處于工作溫度（進(jìn)口溫度最大為70攝氏度），通常壓力調(diào)節(jié)在1.5bar左右。當(dāng)主機(jī)剛啟動(dòng)，暖機(jī)時(shí)，滑油溫度相對(duì)較低，滑油壓力允許短時(shí)間內(nèi)為2.0bar。</p><p><b>　　圖1-2</b></p><p>　　增壓器的上部有一個(gè)潤(rùn)滑油箱，用于在主機(jī)停車后給增壓器供給滑油?；屯ㄟ^止回閥（6）發(fā)盤上的旁通孔向潤(rùn)滑油箱里補(bǔ)油。潤(rùn)滑

24、油箱上設(shè)有一個(gè)沒有加壓的自由溢流口?？紤]到冷卻的問題，渦輪端軸承的潤(rùn)滑時(shí)間要比壓氣機(jī)端的長(zhǎng)一點(diǎn)。因?yàn)闇u輪端的溫度較高些。所以，潤(rùn)滑油箱的最低連接管與渦輪端相連?；偷呐懦龉苡幸欢ǖ男倍?，并且有足夠大的尺寸，以減少阻力和背壓。斜度位于5度和船舶最大可能傾斜角度之間。</p><p>　　1.2.2密封空氣系統(tǒng)</p><p>　　增壓器上的密封空氣用于阻止廢氣進(jìn)入潤(rùn)滑油空間；阻止油滴進(jìn)入渦輪

25、端；減少作用在局部軸承上的軸向力。密封空氣通過密封空氣管和軸承箱的密封空氣孔進(jìn)入到渦輪端轉(zhuǎn)子的軸向和徑向迷宮式密封之間。密封空氣從空氣冷卻器后取出。取用點(diǎn)位于進(jìn)氣管的上部區(qū)域以防止凝水和雜質(zhì)進(jìn)入密封空氣管。密封空氣管伸入進(jìn)氣管100mm左右，以避免雜質(zhì)和水沿著管壁吹入。密封空氣通過管路上的一個(gè)節(jié)流孔調(diào)節(jié)壓力。節(jié)流孔位于管路即將進(jìn)入軸承箱的位置。</p><p><b>　　圖1-3</b>&

26、lt;/p><p>　　1.2.3Jet-Assist 加速系統(tǒng)</p><p>　　當(dāng)需要迅速地加速和可能的無煙加速或者主機(jī)負(fù)荷的運(yùn)用時(shí)，可以使用Jet-Assist加速系統(tǒng)。主機(jī)控制激活兩位兩通閥，來自啟動(dòng)空氣瓶的30bar的壓縮空氣通過節(jié)流孔節(jié)流，壓力降至最大4bar。減壓后的壓縮空氣通過一個(gè)環(huán)形管和一個(gè)傾斜的洞進(jìn)入到壓氣機(jī)端，作用在壓氣機(jī)葉輪上。它一方面提供附加的空氣給壓氣機(jī)葉輪，另一

27、方面使壓氣機(jī)葉輪加速。</p><p><b>　　圖1-4</b></p><p>　　2.增壓器喘振的機(jī)理</p><p>　　增壓器喘振是發(fā)生在離心式壓氣機(jī)部分的。當(dāng)壓氣機(jī)的流量小到一定值后，氣體進(jìn)入工作葉輪和擴(kuò)壓器的方向偏離設(shè)計(jì)工況，葉片背面氣流出現(xiàn)分離并且不斷擴(kuò)大，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的脈動(dòng)并有氣體倒流，引起壓氣機(jī)氣流的流量、壓力出現(xiàn)波動(dòng)，導(dǎo)

28、致壓氣機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)并發(fā)出異常的響聲。喘振是壓氣機(jī)的固有特性，增壓器工作時(shí)應(yīng)盡量避免發(fā)生喘振。</p><p>　　在葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口處，氣流速度可分解為相互垂直的圓周分速度和徑向分速度。當(dāng)氣流相對(duì)葉片的轉(zhuǎn)速一定而流量變化時(shí)，氣流的圓周分速度是不變的，而徑向分速度是變化的。當(dāng)空氣流量小于設(shè)計(jì)值時(shí)，氣流徑向分速度減小，氣流速度也隨之減小，其方向也偏離設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致氣流進(jìn)入葉道時(shí)，撞擊葉片前緣的凸面，而在凹面上產(chǎn)生氣流

29、的分離。如圖2-1中(c)所示。</p><p><b>　　圖2-1</b></p><p>　　在葉輪進(jìn)口處，氣流速度同樣可分解為相互垂直的圓周分速度和徑向分速度。當(dāng)氣流相對(duì)葉片的轉(zhuǎn)速一定而流量變化時(shí)，氣流的圓周分速度是不變的，而軸向分速度是變化的。當(dāng)空氣流量小于設(shè)計(jì)值時(shí)，氣流軸向分速度減小，氣流相對(duì)于葉輪的速度也隨之減小，其方向和葉片的構(gòu)造角之間形成一個(gè)負(fù)沖角，

30、導(dǎo)致氣流進(jìn)入葉道時(shí)，撞擊葉片前緣的凹面前緣，而在凸面上產(chǎn)生氣流的分離。如圖2-2中（c）所示。</p><p><b>　　圖2-2</b></p><p>　　在設(shè)計(jì)流量下，如兩圖（a）所示，氣流平順地流進(jìn)葉片前緣和擴(kuò)壓器，氣流與葉輪葉片、擴(kuò)壓器既不發(fā)生撞擊，也不發(fā)生分離。當(dāng)流量大于設(shè)計(jì)流量時(shí)，如兩圖（b）所示，氣流在葉輪葉片前緣沖向葉片的凸面，與葉片的凹面發(fā)生分離

31、；在擴(kuò)壓器中氣流沖向葉片的凹面，與葉片的凸面發(fā)生分離。但是，由于葉輪葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)壓向氣流分離區(qū)，擴(kuò)壓器中氣流的圓周向流動(dòng)壓向氣流分離區(qū)，氣流分離區(qū)受到限制，不致隨流量的增加而過分地?cái)U(kuò)大。</p><p>　　當(dāng)壓氣機(jī)的工作情況正常時(shí)，隨著空氣流量減少到一定程度，在壓氣機(jī)的通流部分開始產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象。假如空氣流量繼續(xù)減小，旋轉(zhuǎn)脫離就會(huì)強(qiáng)化和發(fā)展，當(dāng)它發(fā)展到某程度后，由于氣流強(qiáng)烈脈動(dòng)，就會(huì)使壓氣機(jī)的出口壓力突然下降。

32、此時(shí)，進(jìn)氣總管中的氣體壓力就會(huì)比壓氣機(jī)出口的壓力高，這將導(dǎo)致部分氣流從總管流到壓氣機(jī)中去；而另一部分空氣則仍繼續(xù)前進(jìn)。由于這兩個(gè)因素的作用，進(jìn)氣總管中的壓力就會(huì)立即降下來。而隨著總管中的壓力的下降，流經(jīng)壓氣機(jī)的空氣流量就會(huì)自動(dòng)增加上去；與此同時(shí)，壓氣機(jī)葉柵中發(fā)生的氣流脫離現(xiàn)象就會(huì)逐漸趨于消失。即壓氣機(jī)的工作情況將會(huì)恢復(fù)正常。當(dāng)這種情況繼續(xù)一個(gè)很短的時(shí)間后，進(jìn)氣總管中的壓力就會(huì)再次升高，流經(jīng)壓氣機(jī)的空氣流量又會(huì)重新減少下來，在壓氣機(jī)通流部

33、分中發(fā)生的氣流脫離現(xiàn)象又會(huì)再出現(xiàn)。上述過程就會(huì)周而復(fù)始地進(jìn)行下去。這就是所謂的喘振。</p><p>　　3.影響增壓器喘振的因素</p><p>　　從增壓器的工作原理可知，壓氣端與廢氣端的能量不平衡是導(dǎo)致增壓器喘振的根本原因。而導(dǎo)致根本原因的因素很多，比如：增壓器濾網(wǎng)臟堵，透平氣道臟堵，柴油機(jī)燃燒不良導(dǎo)致后燃，柴油機(jī)負(fù)荷嚴(yán)重不均，柴油機(jī)氣閥關(guān)閉不嚴(yán)漏氣，氣閥和噴油定時(shí)不對(duì)，掃氣箱著火等

34、等。</p><p>　　針對(duì)于“育鯤”輪上的增壓柴油機(jī)是新造的，只要設(shè)計(jì)上沒有問題，一般渦輪增壓器與柴油機(jī)匹配良好，增壓器不會(huì)產(chǎn)生喘振，但隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增長(zhǎng)，增壓系統(tǒng)中各個(gè)部件就會(huì)污損，柴油機(jī)某些部件也會(huì)產(chǎn)生故障，致使兩者的性能逐漸惡化，匹配不良，壓氣機(jī)流量減小，造成氣流與葉片強(qiáng)烈撞擊與脫流而產(chǎn)生喘振。</p><p>　　在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，渦輪增壓器的喘振在大多數(shù)情況下并不僅僅是由渦輪增

35、壓器自身的因素所引起，而是與來自柴油機(jī)或其他的設(shè)備的因素共同作用甚至是僅由來自渦輪增壓器以外的因素所造成的。</p><p><b>　　3.1 柴油機(jī)因素</b></p><p>　　柴油機(jī)轉(zhuǎn)速或載荷波動(dòng)引起喘振</p><p>　　當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速或載荷突然下降，增壓器由于本身轉(zhuǎn)速很高，轉(zhuǎn)動(dòng)能量很大，一時(shí)間不能隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降而降低，增壓器的供

36、氣量大于柴油機(jī)所需的空氣量，柴油機(jī)不能消耗的空氣就使得壓氣機(jī)背壓升高而產(chǎn)生瞬時(shí)喘振。當(dāng)增壓器轉(zhuǎn)速下降后，壓氣機(jī)的吸氣量與柴油機(jī)所需空氣量重新達(dá)到平衡后，喘振即自行消失</p><p>　　配氣機(jī)構(gòu)故障引起喘振</p><p>　　進(jìn)、排氣口打不開或關(guān)不嚴(yán)時(shí)，會(huì)造成增壓器喘振。當(dāng)進(jìn)氣口打不開時(shí)，壓氣機(jī)進(jìn)氣阻力增大，同時(shí)氣缸內(nèi)空氣不足、燃燒惡化、后燃嚴(yán)重，導(dǎo)致增壓器轉(zhuǎn)速提高，空氣量的供需矛盾惡

37、化，引起增壓器喘振。</p><p>　　進(jìn)氣口關(guān)不嚴(yán)時(shí)，一方面會(huì)造成空氣與燃?xì)庑孤?、燃燒惡化，另一方面限制了正?？諝膺M(jìn)入穩(wěn)壓箱，最終引起增壓器喘振。</p><p>　　排氣口打不開，廢氣無法排出，當(dāng)進(jìn)氣口再次打開時(shí)，廢氣倒流，降低了新鮮空氣的純度，導(dǎo)致燃燒惡化，同時(shí)增加了壓氣機(jī)進(jìn)氣阻力，引起增壓器喘振。</p><p>　　排氣口關(guān)不嚴(yán)時(shí)，一方面在吸氣過程，廢氣

38、倒灌，降低了新鮮空氣的純度，導(dǎo)致燃燒惡化；另一方面在燃燒過程，部分燃燒混合氣進(jìn)入排氣總管繼續(xù)燃燒，提高了排氣溫度，引起增壓器喘振。</p><p><b>　　后燃嚴(yán)重引起喘振</b></p><p>　　當(dāng)柴油機(jī)燃燒狀態(tài)惡化、后燃嚴(yán)重時(shí)，排氣溫度升高、廢氣能量增加，使增壓器轉(zhuǎn)速增加，壓氣機(jī)的吸氣隨之增加，而氣缸內(nèi)又容納不了過多的空氣量，造成增壓器喘振。</p&

39、gt;<p><b>　　3.2 中冷器因素</b></p><p>　　為了降低增壓后的空氣溫度，增大進(jìn)氣密度，使柴油機(jī)的循環(huán)進(jìn)氣量增多，在壓氣機(jī)出口和柴油機(jī)入口之間安置中央冷卻器，這樣可以在柴油機(jī)的熱負(fù)荷不增加甚至降低，機(jī)械負(fù)荷增加不多的前提下，較大幅度地提高柴油機(jī)功率和經(jīng)濟(jì)性，降低排放。中冷器的常見故障時(shí)冷卻水溫度過高或堵管數(shù)過多造成冷卻效率下降。最終都將造成增壓空氣冷卻

40、不足，進(jìn)氣量不夠，燃燒惡化，引起增壓器喘振。</p><p>　　3.3 增壓器自身因素</p><p>　?。?）增壓器喘振裕度偏小</p><p>　　喘振裕度是指增壓器在與柴油機(jī)配套工作時(shí)，每一轉(zhuǎn)速下都有一個(gè)要發(fā)生喘振的最小空氣流量極限值。當(dāng)柴油機(jī)在某轉(zhuǎn)速下喘振裕度不足時(shí)，增壓器就會(huì)出現(xiàn)喘振。</p><p>　　（2）壓氣機(jī)或渦輪的流

41、通面積不足</p><p>　　由于壓氣機(jī)或渦輪流道上有積垢、積碳或異物，導(dǎo)致流通截面減小，空氣或燃?xì)獠荒茼樌ㄟ^，引起增壓器喘振。</p><p><b>　　3.4 環(huán)境因素</b></p><p>　　（1）空氣吸入溫度的影響</p><p>　　在氣候寒冷，吸氣溫度降低時(shí)，增壓器的壓氣機(jī)工作點(diǎn)移向喘振線，壓氣工作

42、穩(wěn)定性較差?？諝饷芏却螅M(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量增加，燃燒充分，廢氣能量增大，使增壓器轉(zhuǎn)速增加，引起喘振。</p><p>　　在氣候炎熱，吸氣溫度升高時(shí)，增壓空氣溫度相應(yīng)升高，同時(shí)由于壓氣機(jī)進(jìn)口空氣密度減小，燃燒情況變差，使得廢氣溫度升高，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速增加而引起喘振。</p><p>　　（2）大氣壓力的影響</p><p>　　大氣壓力隨著海拔高度的提高而降低。大氣壓力

43、低時(shí)，由于空氣稀薄，進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量不足，燃燒惡化，后燃嚴(yán)重，引起增壓器喘振。</p><p><b>　　圖3-1</b></p><p>　　4.增壓器喘振的具體原因和解決辦法</p><p>　　4.1 增壓系統(tǒng)氣流通道堵塞</p><p>　?。?）壓縮機(jī)進(jìn)口濾網(wǎng)臟堵，使壓氣機(jī)空氣流量減小而發(fā)生喘振。解決辦法：

44、清洗或更換濾網(wǎng)。</p><p>　?。?）消音器的羊毛氈松脫，使進(jìn)氣空氣流動(dòng)阻力增大流量減小而發(fā)生喘振。解決辦法：將松脫的羊毛氈重新鉚好。</p><p>　　（3）壓氣機(jī)葉輪和擴(kuò)壓器嚴(yán)重積垢，使壓氣機(jī)空氣流通面積變小；渦輪葉片及噴嘴環(huán)積垢嚴(yán)重，引起渦輪效率降低，導(dǎo)致壓氣機(jī)空氣流量減小而發(fā)生喘振。解決辦法：在柴油機(jī)運(yùn)行中對(duì)渦輪和壓氣機(jī)進(jìn)行清洗工作。</p><p>

45、;　?。?）空冷器臟堵，使氣流阻力增大，壓氣機(jī)背壓升高，流量減少而產(chǎn)生喘振。解決辦法：對(duì)空冷器進(jìn)行化學(xué)清洗，清除臟物。</p><p>　?。?）氣缸進(jìn)排氣口結(jié)碳和油污，導(dǎo)致氣口氣流面積減小，壓氣機(jī)空氣流量減少而產(chǎn)生喘振。解決辦法：定期清除進(jìn)排氣口的積碳和污物，確保氣流通暢。</p><p>　?。?）廢氣鍋爐煙道積碳臟堵，使渦輪后背壓上升，導(dǎo)致壓氣機(jī)的空氣流量減少而發(fā)生喘振。解決辦法：清

46、潔疏通鍋爐煙道。</p><p>　　4.2 增壓器或柴油機(jī)故障，工況改變，增壓器壓氣機(jī)工作點(diǎn)左移，處于喘振區(qū)</p><p>　?。?）壓氣機(jī)葉輪損壞或過量腐蝕，壓氣能力減弱，渦輪葉片損壞，導(dǎo)致流經(jīng)壓氣機(jī)的空氣流量減小而發(fā)生喘振。解決辦法：換新或修復(fù)壓氣機(jī)葉輪或渦輪葉片。</p><p>　?。?）渦輪葉片頂部及噴嘴環(huán)罩內(nèi)表面被腐蝕，使配合間隙增大，導(dǎo)致流經(jīng)壓氣機(jī)

47、的空氣流量減小而發(fā)生喘振。解決辦法：換新或修復(fù)壓渦輪葉片及噴嘴環(huán)罩。</p><p>　?。?）廢氣端或壓氣端有廢氣或空氣泄漏，引起渦輪增壓器效率下降而發(fā)生喘振。解決辦法：堵住泄漏。</p><p>　?。?）主機(jī)排煙溫度高，其排出廢氣能量高，使增壓器轉(zhuǎn)速更高，壓氣機(jī)背壓升高而產(chǎn)生喘振。解決辦法：查明主機(jī)排煙溫度高的原因，并做相應(yīng)的處理，使主機(jī)排溫正常。</p><p&

48、gt;　　（5）二沖程柴油機(jī)的調(diào)速器負(fù)荷限位設(shè)置不當(dāng)，當(dāng)柴油機(jī)加速時(shí)，其壓氣機(jī)運(yùn)行點(diǎn)位于喘振區(qū)，導(dǎo)致壓氣機(jī)喘振。消除方法：調(diào)整調(diào)速器負(fù)荷限位。</p><p>　　（6）采用脈沖增壓系統(tǒng)的柴油機(jī)一缸熄火，對(duì)于一缸熄火的增壓器其壓氣機(jī)背壓與正常增壓器一樣，就顯得過高而引起喘振。解決辦法：檢查熄火缸的燃油系統(tǒng)，排除故障，恢復(fù)供油。</p><p>　　4.3 運(yùn)行中的增壓器與柴油機(jī)暫時(shí)失配&l

49、t;/p><p>　?。?）加速時(shí)油門手柄推得過快，使增壓器與柴油機(jī)暫時(shí)失配引起瞬時(shí)喘振。解決辦法：輪機(jī)和駕駛?cè)藛T應(yīng)盡量避免該情況的出現(xiàn)，除非緊急情況為了避碰的需要。</p><p>　?。?）停車時(shí)油門手柄拉得過快，突然從全速拉到停車位置，使增壓器與柴油機(jī)暫時(shí)失配引起喘振。解決辦法：盡量避免該情況出現(xiàn)，除非緊急情況為了避碰的需要。</p><p>　　（3）船舶在大風(fēng)

50、浪天氣航行時(shí)發(fā)生飛車，主機(jī)在調(diào)速器作用下，其轉(zhuǎn)速仍會(huì)上下波動(dòng)；增壓器轉(zhuǎn)速因主機(jī)燃?xì)饽芰孔兓矔?huì)發(fā)生波動(dòng)這時(shí)主機(jī)與增壓器之間可能會(huì)發(fā)生暫時(shí)失配的情況。</p><p>　　（4）船殼因大量吸附海生物而阻力增大，使柴油機(jī)在大扭矩、低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，增壓器運(yùn)行點(diǎn)位于喘振區(qū)而發(fā)生喘振。解決辦法：船舶進(jìn)塢清潔油漆船殼。</p><p>　　5.“育鯤”輪增壓器喘振故障的排除程序</p>&

51、lt;p><b>　　圖5-1</b></p><p>　　6.NA40/S型增壓器防喘振控制的設(shè)計(jì)</p><p>　　“育鯤”上的NA40/S型增壓器沒有設(shè)置專門的防喘振的設(shè)計(jì)。增壓器一旦發(fā)生喘振，其壓氣機(jī)軸承所受應(yīng)力將會(huì)變大，會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞、甚至造成重大事故。為保障船舶安全，防止設(shè)備損壞，應(yīng)給增壓器設(shè)置防喘振保護(hù)。</p><p>

52、;　　增壓器的喘振的根本原因是廢氣端與壓氣端的能量不平衡。即柴油機(jī)與增壓器的不匹配。為了很好地解決柴油機(jī)與渦輪增壓器的匹配問題，針對(duì)船上的NA40/S型增壓器，可采取設(shè)置旁通閥進(jìn)行控制。即在壓氣機(jī)出口與渦輪進(jìn)口之間串上一個(gè)旁通閥。調(diào)節(jié)旁通閥的開度可以改變其前后壓降及旁通空氣量，從而調(diào)節(jié)柴油機(jī)掃氣壓差和平衡運(yùn)行點(diǎn)位置。</p><p>　　當(dāng)船舶滿載、頂風(fēng)、污底嚴(yán)重時(shí)，由于阻力增加，主機(jī)負(fù)荷增大，主機(jī)在低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷

53、下運(yùn)行，氣缸耗氣量降低而循環(huán)噴油量增加，廢氣能量增大，增壓器轉(zhuǎn)速升高，供氣量增多，容易導(dǎo)致增壓器與柴油機(jī)匹配不良而出現(xiàn)喘振。這時(shí)可以增大旁通閥開啟角度，增加節(jié)流損失，使壓氣機(jī)流量減少。最終可導(dǎo)致柴油機(jī)本身油耗率和排溫降低。</p><p>　　當(dāng)柴油機(jī)噴油設(shè)備故障，柴油機(jī)燃燒不良，后燃嚴(yán)重；氣缸漏氣，熱負(fù)荷增大，排煙溫度升高。排溫升高即廢氣能量增加，增壓器轉(zhuǎn)速升高，供氣量增加。這時(shí)，如果供油量不變，則出現(xiàn)柴油機(jī)與

54、增壓器不匹配的情況。同上述情況類似，可以通過調(diào)節(jié)旁通閥直至柴油機(jī)故障消失從而防止喘振的發(fā)生。</p><p><b>　　圖6-1</b></p><p>　　但是，排氣溫度由于增壓空氣的加入而下降，使渦輪功降低。所以為了在旁通時(shí)不使排氣溫度和渦輪功下降，可在旁通閥后再串聯(lián)一個(gè)補(bǔ)燃室或采用回?zé)崤酝ㄏ到y(tǒng)。由于回?zé)崤酝ǖ拇胧╇m然可以在性能上得以改善或使性能變壞減輕，但回?zé)?/p>

55、設(shè)備較復(fù)雜，不利于布置，所以很少使用。若使用補(bǔ)燃室，一方面在柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)可以點(diǎn)燃補(bǔ)燃室形成燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)，提高進(jìn)氣壓力和溫度以滿足柴油機(jī)的良好起動(dòng)條件，另一方面，可隨時(shí)提供渦輪足夠的能量以保證柴油機(jī)得到足夠的空氣量。</p><p><b>　　圖6-2</b></p><p>　　依據(jù)發(fā)生喘振的原因是壓氣端與渦輪端的能量不平衡，針對(duì)旁通閥設(shè)計(jì)的不足之處，可以考慮不設(shè)旁

56、通閥，而考慮直接把部分的的排氣或部分的增壓空氣直接通過一個(gè)放氣閥排出，從而使壓氣端與廢氣端的能量平衡。即當(dāng)氣缸耗氣量降低，而廢氣能量由于排煙過高而增大時(shí)（如柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷下運(yùn)行），可以將部分廢氣通過放氣閥而不通過渦輪直接排出。</p><p><b>　　圖6-3</b></p><p>　　放氣方式有兩種：一種是將部分排氣放入大氣，一種是將部分增壓空氣放入大氣

57、。從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，放排氣比放增壓空氣理想一些。但是，采用這種方法的缺點(diǎn)是在高工況下經(jīng)濟(jì)性不好，對(duì)于高工況較少的車用柴油機(jī)較適用，而由于“育鯤”輪上的柴油機(jī)高工況運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性不好，所以一般不采用。</p><p>　　由于NA40/S型增壓器的噴嘴環(huán)是不可變的。因而，可以考慮采用變噴嘴環(huán)進(jìn)行喘振的控制。所謂變噴嘴環(huán)，即噴嘴環(huán)的出口截面積是可以改變的。當(dāng)柴油機(jī)出現(xiàn)故障（如氣閥燒損，氣缸漏氣），熱負(fù)荷增大，排煙溫

58、度升高，廢氣能量增加，將使增壓器轉(zhuǎn)速增加，供氣量增多，使柴油機(jī)與增壓器失配。這時(shí)，讓噴嘴環(huán)出口截面積增大，使增壓器轉(zhuǎn)速相對(duì)減小，增壓壓力降低，增壓不過量，從而防止由于柴油機(jī)與增壓器的失配而產(chǎn)生喘振。</p><p>　　經(jīng)研究表明，采用變噴嘴環(huán)增壓器時(shí)，渦輪的能量損失會(huì)有所減少，但考慮到變噴嘴環(huán)的葉片調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)有間隙，因此會(huì)有附加漏氣損失，此損失的大小決定了變噴嘴環(huán)后渦輪性能的好壞。這又取決于變噴嘴環(huán)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)

59、。所以比起同類增壓器的產(chǎn)品，初投資要增多，減少了經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　　因而“育鯤”輪上的柴油機(jī)適宜采用上述所說的旁通補(bǔ)燃控制來防止壓氣機(jī)喘振。而采用旁通補(bǔ)燃的關(guān)鍵就是控制旁通閥的開度。旁通閥若開得過大，旁通空氣量過大而影響缸內(nèi)的燃燒質(zhì)量，使熱負(fù)荷上升，反而有造成喘振的危險(xiǎn)。</p><p>　　為了精確、方便地控制旁通閥，可采用微機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。旁通閥的開度是根據(jù)壓氣機(jī)流量和壓

60、氣機(jī)進(jìn)出口壓力差確定的。</p><p><b>　　圖6-4</b></p><p><b>　　圖6-5</b></p><p>　　P1為壓氣機(jī)進(jìn)口壓力；P2為壓氣機(jī)出口壓力；F為壓氣機(jī)流量</p><p>　　△P=P2-P1 為壓氣機(jī)前后端壓差。</p><p>　

61、　壓氣機(jī)在工作區(qū)內(nèi)，F(xiàn)與△P成一定的比例關(guān)系，即F/△P≥K,K為系統(tǒng)設(shè)定的比例常數(shù)。</p><p>　　當(dāng)F/△P<K時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入喘振區(qū)，旁通閥依據(jù)F/△P的值對(duì)旁通閥閥門開度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以防止喘振的發(fā)生。（圖中的控制器為可編程控制器，可用PLC控制）</p><p><b>　　7.結(jié)論</b></p><p>　　隨著高壓比、高

62、效率渦輪增壓器的發(fā)展，渦輪增壓柴油機(jī)的增壓程度越來越高。但隨著增壓比的提高，增壓器的匹配矛盾也就越突出，增壓器難以同時(shí)滿足柴油機(jī)所有工況運(yùn)行時(shí)的燃燒空氣的需要。增壓器與柴油機(jī)之間的匹配，防止喘振發(fā)生成為急需解決的問題。</p><p>　　本文所做的主要工作和得出的結(jié)論：</p><p>　　1.分析了“育鯤”輪上增壓器的工作原理和特點(diǎn)，結(jié)合喘振的機(jī)理，得出喘振產(chǎn)生的主要原因是壓氣機(jī)中的流

63、量小于設(shè)計(jì)工況，而使氣體在葉片或擴(kuò)壓器上產(chǎn)生強(qiáng)烈的分離，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的脈動(dòng)，引起壓氣機(jī)工作不穩(wěn)定。</p><p>　　2.結(jié)合“育鯤”輪的實(shí)際，列出了可能影響船上增壓器喘振的因素。主要有柴油機(jī)因素，中冷器因素，增壓器因素，環(huán)境因素。</p><p>　　3.提出了可能導(dǎo)致喘振的具體原因和解決方法，設(shè)置了“育鯤”輪上增壓器喘振故障的排除程序。</p><p>　　4

64、.對(duì)NA40/S型增壓器進(jìn)行了防喘振控制的設(shè)計(jì)。采用設(shè)置放氣閥，在高工況下經(jīng)濟(jì)性不好；采用變噴嘴環(huán)增壓器，初投資過高，經(jīng)濟(jì)性不好，且存在排氣泄漏；最適宜采用設(shè)置旁通補(bǔ)燃控制。采用旁通閥控制，可用微機(jī)控制系統(tǒng)控制閥的開度。</p><p>　　由于知識(shí)所限，本文的部分內(nèi)容得研究還很初步，許多內(nèi)容有待于進(jìn)一步研究：</p><p>　　1.運(yùn)用建模計(jì)算，確定不發(fā)生喘振的柴油機(jī)運(yùn)行界限。<