【船机帮】大型船用柴油机透平喘振的原因分析及应对措施
船机故障心莫慌,遇事不决船机帮
导读
增压(提高扫气压力)是提高柴油机功率最主要的有效途径,废气涡轮增压技术的发展是柴油机发展史上的革命,在不增加额外能耗的情况下,大大增加了扫气空气的密度,在不增加柴油机尺寸的情况下喷油量、功率可以大幅度提高。
但随着透平转速的不断提高(10000r/min以上 )和扫气压力的不断加大(0.3MPa以上),透平故障频发。
据挪威船级社DNV统计数据表明,低速柴油机的损坏事故四分之一是由透平引起的,而透平故障中最常见的是透平喘振。
透平喘振不仅影响到柴油机工作的稳定性,严重的可造成透平叶片损坏、轴承损坏、油封气封损坏,地角螺栓、废气和扫气端膨胀接头 (波纹管)的损坏,所以一旦发生,就要立即采取措施消除喘振现象,避免事故的发生。
作为一名轮机管理人员,只有充分了解透平喘振的机理,熟悉可能引起透平喘振的原因,平时的维保工作才会有的放矢,极大地减少透平喘振现象,这是柴油机管理中的新课题。
湍流和气体冲撞形成喘、气体冲击叶片和壳体引起振动。
所谓透平喘振,是指压气机的喘振而非废气涡轮端的喘振。
压气机喘振是其本身的固有特性,无法从根本上消除。
我们做一试验,将运转中的电吹风或者移动式轴流风机的出口(或进口)逐渐移向墙壁,就会发现气流噪音和振动越来越大,运转中的机舱风机逐渐关闭挡板,其振动和噪音也会逐渐加大。
所以需要经常检查机舱风机挡板的开关灵活性。
可见,离心式的压气机在流量减小、背压增高的情况下会发生喘振现象。
透平压气机作为特殊结构的离心式压气机同样不可避免。
因为气体是可压缩的,当气体进入压气机吸口后,被高速旋转的机翼型后弯叶片甩向四周压向后方,在设计工况下气体的流动是均匀、稳定的,流动轨迹呈流线型,处在流 体力学上所称的稳流状态;但在背压增加或流量减小的情况下,气体的正常流动受阻 ,不能及时排除的气体失去了动能,在静压能的作用下寻找其他的出路,哪里压力低就 到哪里去,进口首选,叶片背面次之。
这样,压气机内部的气流由稳流状态变成了湍流状态,气体有进有出,内部(特别是叶片背面)压力忽大忽小、忽正忽负,气体之间的冲撞造成了压气机的喘,气体与叶片、壳体之间的冲撞造成了压气机的振。
造成透平压气机喘振的所谓高被压、小流量是相对的,不同结构尺寸的透平不能比较 ,同一透平在不同转速下不能比较。
实例:
SEALINK PROSPERITY轮在主机试车过程中,扫气总管中空气压力 (由辅助电动鼓风机建立)的绝对值非常低,压力表几乎没有显示,但透平发生了喘振。
原因是在备车时由于疏忽忘记将透平滤网外的帆布罩揭去,造成压气机内部压力比扫气总管内的压力更低。
当透平压气机的背压高于设计压力不多时,透平喘振现象并不严重,透平会发出低重的呼哧呼哧喘息声,振动也不明显;当背压突然增加太多,透平会发出尖锐的吼叫声,整个机舱甚至生活区都可以听到,透平整体振动剧烈,气体倒灌现象明显,如果在透平压气机吸口滤网处放一块布,会发现该布时吸时离、漂浮不定,同时扫气压力、透平转速和主机转速会不停波动。
当发现透平喘振时,作为轮机人员 ,第一反应是对主机降速,绝大部分的透平喘振会因主机降速而消失,必要时可以停车,避免引起增压器叶片、轴承、油封、气封或膨胀接头损坏等事故的发生。
透平喘振的机理是压气机内部气体湍流,而造成湍流的最根本原因是高背压、小流量 ,造成高背压、小流量的具体原因基本上可以分为三大类。
1.透平、机、桨 、船的失配问题
在船舶的设计工况下,透平是不会发生喘振的,实际管理中碰到透平喘振多是由暂时失配引起的。
实例1:
老旧船舶 ORIENT FORTUNE轮,主机为 MITSUBISHI SULZER RTA 76,直流扫气,配备的透平是BBC VTR 401系列,因是透平壳体内部锈穿漏水无法修复,从拆船厂购得一部旧透平安装。
开航后,主机无论低速还是高速,透平都会出现喘振。
原因是透平设计容量明显高于主机的耗气量;
措施是从扫气总管上引出一支管泄压,喘振现象消失。
实例2:
WINNER轮,主机型号:HITACHI ZOS EN B&W 6L80MCE,直流扫气;配备的透平型号:IHI BBC VTR 564,2台脉冲增压。
该轮在满载过土耳其海峡时,主机突然负荷变大 (由 7.5左右增至 9.0),主机转速突降(由79r/min降至73r/min),两台透平转速均由8000左右升至12000多,透平喘振,各缸排烟温度普遍升高(360℃升至 390℃),航速降低(11kn降至7kn)。
原因分析:
故障的突然性和剧烈性,使我们将气体流道脏污或流通部件异常这一项大的原因基本排除。
柴油机各缸热负荷升高存在普遍性和均匀性,两台透平转速的升高也是比较均匀的,据此可以基本排除柴油机燃烧部件故障这项大的原因。
剩下的就是机、桨、船的失配问题了。
机:
根据我们对主机运转性能的充分了解,认为主机本身没有太大问题;
船:询问驾驶台当时的海况,风平浪静,逆流1一2kn,水深200m以上,没有大舵角转向,显然海况因素也可以排除。
综合分析,逐项排除,我们将原因锁定在螺旋桨上,并做出了螺旋桨挂上渔网的判断。
措施:
主机适当减速过海峡,建议公司安排水下检验,第一次潜水发现螺旋桨叶挂有小部分碎渔网;
第二次摸船底未发现问题;
第三次详细对螺旋桨进行检查,发现桨轴保护罩内有渔网,用水下气割将保护罩剖开,将缠绕在桨轴上的大量渔网割除,问题得以彻底解决。
以上只是透平、机、桨、船失配的特例,而船舶实际管理中遇到的更多的失配是由以下原因造成的:
★大风浪天气主机负荷过大;
★浅水逆流主机负荷过大;
★满载全速下大舵角转向;
★船舶严重污底等都会造成主机在高负荷 (对应高排温、间接对应透平高转速 )和低转速 (对应小的耗气量 )运转,压气机在高被压小流量情况下造成喘振。
应对措施:
由于透平、船、机、桨暂时失配造成的透平喘振与平时的维修保养没有多大关系,喘振原因相对简单,当外界状况正常后,透平喘振现象会自行消失,平时管理稍加注意即可避免。
注意主机用车不要加减速太快,负荷大适当减速,满载全速注意避免大舵角转向,大风浪天气注意艉尖舱压水保证一定的艉吃水等。
2.气体流道脏污或流通部件异常
由此原因造成的透平喘振屡见不鲜,而且与平时的维修保养密切相关,需要引起轮机管理人员的密切注意。
船用主机一般都是二冲程柴油机,其气体流通路径为:
透平滤网、消音器、压气机、空冷器、口琴阀或单向止回挡板 (SULZER 主机为口琴阀,B&W 主机为止回挡板)、扫气口、气缸、排气口或排气阀(弯流扫气为排气口、直流扫气为排气阀)、透平格栅(排气滤网)、废气涡轮、排烟管、废气炉。
气体流道中的任何环节出问题都会引起透平喘振。
实例1:
景洪海轮主机:
SULZER 6RND,弯流扫气,透平为:BBC VTR 420系列,定压增压。
现象:
透平出现废气倒灌现象,轻微喘,柴油机各缸排温较高、冒黑烟,主机长期加不上速。
原因分析:
废气倒灌说明排气不畅和口琴阀不止回,引起排气不畅的主要环节有排气口、透平格栅和废气炉;
主机冒黑烟,说明风油比不对,过量空气系数不够;
油雾化不良或严重后燃。
措施:
检查高压油泵定时、更换油头排除油的问题,清洁排气口、废气炉、透平格栅(发现特脏,滤网几乎被结碳和黑烟阻塞)、检修口琴阀解决废气倒灌现象,清洁消音器和压气机叶轮、彻底清洁空冷器气面(不再使用公司推荐的、原船配备的自清洗系统,而是将空冷器出口封闭,灌满药水,通入蒸汽煮沸 )使问题得到彻底解决,主机转速可增10转以上,喘振现象消失。
实例2:
MACAU MINERRAL轮:
主机型号HYUNDAI B&W 6L80MCE,直流扫气,透平为BBC VTR系列,两台脉冲增压。
该轮冬季从国内北方港起航加速过程中,NO.1透平出现喘振,原因:
港内航修更换海水管,海水阀开度太小,造成扫气温度较高引起透平喘振。
原因分析:
根据热力学常识,空气在流经透平压气机时是一个加压升温的过程, (例如:机舱温度为40℃,压气机的压比为2的话,压气机后的空气温度会升高至140℃左右),高压高温气体在流经空冷器时,基本上经历了一个等压降温过程 (降至正常扫气温度40一50℃ ),降温的同时对空气进行了除湿并加大了空气密度(在一个大气压下,40℃时的空气 密度为1.1kg/m³左右,而140℃时的空气密度不足0.8kg/m³)。
如果空冷器海水面太脏或冷却水量严重不足,高温低密度的扫气势必造成柴油机热负荷的急剧上升 (经验上,扫气温度每提高1℃,柴油机排温升高4~5℃),高热负荷不仅会造成柴油机燃烧部件的损坏,高能量的排烟将带动废气涡轮高速运转,造成透平喘振。
其管理中注意事项是定期检查、清洁气体流通环节中的每个部件;特别注意空冷器,平时管理中要注意保持水柱压差计的正常测量功能,以便能及时掌握空冷器的脏污程度,一般新空冷器,压差为:300mmWG,当压差达到500mmWG时,就要引起注意了,有合适的机会要对气面进行化学清洗;避免忽略消音器和透平格栅两个环节。
3.柴油机燃烧部件故障
柴油机燃烧部件故障引起透平喘振在轮机管理中最常见、判断起来更复杂 (牵涉整个燃烧系统),解决更困难 (解决需要停车,很多海域或海况不允许停车)。
在此只从引起透平喘振的原因出发作简要表述并将各原因加以区别。
1)油头
油头雾化质量太差、油头起阀压力太低、针阀偶件卡在开的位置都会造成喷油量过大和严重后燃现象,造成单缸排温过高而引起废气能量的不正常增加引起透平喘振。
注意:
油头针阀偶件一般不会卡在关闭位置,因为油头的起阀靠高压油泵提供的液压力,可以比正常起阀压力高许多;油头的关阀靠弹簧力,弹簧力只比起阀压力高些许;
2)高压油泵
SULZER机型的主机普遍使用组合式高压 油泵,即两只组合在一个壳体内,每只高压油泵同时具备进油阀、回油阀和出油阀,喷油量的调节靠改变回油阀的开启时刻。
上述3阀件无论卡在开或关的位置或者高压油泵柱塞卡在上止点位置 (阀卡住的现象常见,柱塞卡住很少出现),都会使高压油泵失去泵油功能,而造成单缸排烟温度过低甚至熄火引起透平喘振。
这种透平喘振多发生在具有两组透平的脉冲涡轮增压系统中,因为主机调速器具有定速功能,当单缸熄火或排温过低,为保持原设定速度,调速器会自动加大油门,另一组透平就会高速运转引起喘振;
B&W 机型的主机和绝大多数的辅机普遍采用单体高压油泵,该高压油泵只设出油阀,喷油量的调节靠转动柱塞角度。
当出油阀卡在开的位置和柱塞卡在上止点位置时,高压油泵失去泵油功能引起透平喘振。
该种形式的高压油泵柱塞还可能轴向转动卡住,当主机加速时该缸排温过低、当主机减速时该缸排温过高而引起透平喘振;
3)排气阀
排气阀经常出现的故障是阀头、阀座接触面烧蚀造成关闭不严导致排温过高引起透平喘振,与油头卡在开的位置现象相似,当出现问题时可对主机降速,测取低速下的示功图,观察压缩压力和是否有后燃现象加以区别 (高速下测取的示功图,压缩压力区别不明显);
4)活塞令
活塞令失去弹性、卡在环槽内或活塞令断裂都会造成窜气严重引起压力过高(即扫气背压过高) 直接引起透平喘振。
与油头卡的区别是该缸的排温并没有明显的变化,可以测取低速示功图来判断活塞令的密封性;
5)扫气箱着火
当扫气箱着火时,大多数情况下会伴随着透平喘振,因为扫气箱着火,不仅直接造成扫气高被压,而且会引起主机排气的急剧升温 ,双重作用引起透平喘振。
扫气箱着火现象明显、容易判断,即排温急 剧升高,单缸温度异常升高。
本文原创作者系:
青岛远洋运输有限公司 高林波
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