摘要: 近十几年来柴油机增压技术取得很大的进步，增压方式使柴油机性能得到大幅度的提高。其中，废气涡轮增压器被广泛应用到船舶柴油机中。废气涡轮增压器是利用柴油机排出的废气能量来增加气缸燃烧所需的空气量，从而提高柴油机的功率，不仅工作过程得到改善、燃油耗油量下降，排放也得到改善。但是废气涡轮增压器工作坏境温度高、温差大、转速高和使用人员管理不当等原因，使增压器发生故障机率大大增加，如涡轮壳体腐蚀、轴承磨损、叶片损伤、振动等故障。本论文将对废气涡轮增压器常见故障的原因作仔细分析，并且针对故障提出详细的检修方法和预防措施。
关键词：废气涡轮增压器；故障；检修；预防
1 引言
在航运业中船舶运用柴油机作为动力最为普遍。根据柴油机废气能量分析，柴油机排出的废气能量约占燃油燃烧放出的总能量的30％以上，而排气的可能又占排气总能量的60％左右。所以充分利用这部分能量对柴油机热效率的提高有很大作用。目前，船用柴油机绝大部分采用废气涡轮增压技术。增压柴油机的比功率较之非增压柴油机可增加3倍。柴油机废气涡轮增压利用排气能量来增加气缸进气量促进燃烧使柴油机功率提高，并改善柴油机性能和排放，节约能源。
由于柴油机废气涡轮增压器零件属于精密机械，工作环境恶劣、多使用劣质燃油和使用人员对增压器的正确了解和掌握不足等原因，使增压器发生故障的机率越来越高。实践证明，船用柴油机废气涡轮增压器发生故障多数原因是人为因素造成的。因此，针对增压器常见故障一一描述和分析，让我们进一步认识增压器很有必要的。认识和掌握柴油机增压器的结构和原理，并从增压器故障中找出原因和总结经验，列出一些预防措施对柴油机增压器的使用具有重要意义。
2 柴油机废气涡轮增压器的构造及工作系统
2.1 废气涡轮增压器的构造
废气涡轮增压器主要由废气驱动的涡轮和压气机两部分组成。
2.1.1涡轮
涡轮增压器中涡轮的工作过程，是把发动机的废气能量转化为机械能量驱动压气机叶轮的一种原动机。增压器性能的好坏很大程度上取决于涡轮的性能。涡轮主要由进气壳、喷嘴环、工作叶轮和排气壳等部件组成。进气壳作用是把柴油机气缸内燃烧后排出的废气，以废气能量损失最少和均匀的分布引导到涡轮喷嘴环的入口。喷嘴环作用是使来自柴油机排出具有一定能量的废气膨胀加速并按规定的方向进入工作叶轮。工作叶轮是承受气体做功的元件，它与压气机叶轮同轴，把气体的动能转化为机械能向压气机输出。排气壳收集叶轮排出的废气并送入大气。
2.1.2压气机
船用柴油机的废气涡轮增压器的压气机结构由进气道、叶轮、扩压器和压气机蜗壳等部件组成。进气道的作用是将外界空气导向压气机叶轮。压气机叶轮是对外界进来的空气做功，使其具有压力能和动能进入扩压器。扩压器的作用是将压气机叶轮出口具有动能和压力能的空气转变为都是压力能，其转变效率高低对压气机工作效率有很大影响。压气机蜗壳的作用是收集从扩压器出来的空气，将其引导到柴油机的进气口。
增压器进气口与空气滤清器管道相连，排气口接在柴油机气缸进气歧管上；涡轮室进气口与柴油机气缸排气歧管相连，排气口接在排气管上。涡轮和压气机叶轮分别装在涡轮室和增压器内，二者通过同一个刚性转子联接。其实物解剖图如下图1所示
2.2 废气涡轮增压器的工作系统
柴油机废气涡轮增压器增压系统由柴油机、压气机、废气涡轮、空气冷却器等基本部件组成。它的工作过程 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，对空气进行压缩，提高气体密度送进气缸内。这样，在单位体积里燃烧大大增加进气量，有利于燃料的充分燃烧，从而提高柴油机功率。其工作原理图如下图2所示：
3 增压器常见故障的原因与分析
3.1 异响与振动
增压器发生振动由转子不平行引起是常见的，但是经过微调转子，振动还是可以消除的。若由于某原因，当转子的的不平衡超过一定限度时，则引起增压器强烈振动。这时轴承的负荷将大大增加，严重影响轴承的使用寿命，有时甚至使增压器损坏，引起这种强烈振动的原因有：
3.1.1增压器喘振
增压器喘振时，会引起压气机叶片振动和转子的轴向振动。这种振动对气封和轴承，特别是对推力轴承的寿命有严重影响。喘振的基本原因是压气机流通部分出现气流与叶片强烈撞击与脱流现象的结果。引起喘振故障的原因包括：
（1）增压系统进气通道阻塞是增压器喘振常见的原因。如压气机进气端的滤网和消音器脏污阻塞、压气机叶片和扩压器严重结垢、空冷器海水侧和空气侧脏堵、废气涡轮侧积炭、废气锅炉烟道积炭脏堵等，都会因流阻增大而使压气机流量减少，背压升高，引起喘振。
（2）当船舶高速转弯时，由于柴油机的转速下降，扭矩增大，使发动机的平均有效压力增加引发喘振。
（3）船舶在高速运行紧急停车时，轮机员操作失误导致增压器和柴油机运行匹配不当。
（4）柴油机超负荷运行，排出的废气能量增大，使涡轮的转速增加，由于此时柴油机的转速增加很少或不增加，增压器就会发生喘振。
（5）柴油机突然停车或卸掉负荷时。因为增压器转子的转速高，产生的惯性作用强，转子还来不及降低转速，使增压压力还很高产生喘振。
（6）当环境温度变化较大时，增压器与柴油机在低温区匹配运行，到高温区匹配关系改变，运行点靠近喘振区，因而容易引起喘振。
（7）船舶在大风浪航行螺旋桨出水，发生飞车现象引起喘振。因为螺旋桨出水，柴油机转速升高，调速器自动停止供给燃油，增压器因废气能量减少转速下降，导致喘振发生。
（8）增压器工作点在喘振线上。增压器都有由压力与流量形成的喘振区域，当压气机出口压力的波动或柴油机负荷变化在喘振区域时就会出现喘振现象。
3.1.2安装质量差
增压器刚刚组装和进行自修或厂修时，安装后由于气封、轴封安装不正、轴承安装不正确或轴承间隙不符合要求、转子轴线不对中等不良安装。当增压器使用运行时就会产生摩擦导致振动，导致其工作不平稳与影响其使用寿命。
3.1.3转子变形
增压器转子轴上安装着压气机和涡轮的叶轮等部件，结构复杂、重量大。当船舶长时间停航时，转子因为自重使其弯曲变形，破坏其与壳体、气封的配合间隙，导致转子失中，损坏气封。涡轮增压器转子的工作转速通常在6000 r/min～10000 r/min之间，产生很大的离心力。离心力使转子轴的挠曲和内应力大大增加，导致增压器产生较大的振动和噪声，加速轴承和密封零件的磨损,降低增压器的机械效率,严重时会引起叶轮和壳体相碰导致转子的损坏，产生激烈的振动。
3.1.4 涡轮动叶折断
当涡轮动叶有一片以上折断时，会使转子产生很大的不平衡，引起增压器强烈的振动。叶片的损坏主要是由于叶片共振而引起的，有时活塞环的折断和进排气阀腐蚀的碎块冲击也会引起叶片损坏。而共振引起叶片折断的主要原因是由于共振时的弯曲应力对叶片反复作用致使叶片疲劳损坏，这种损坏多发生在叶根。
3.2增压压力异常
3.2.1 增压压力过低
增压器增压压力过低会造成柴油机耗油量增加、温度过高、排黑烟等症状。如果引起这种症状的原因在柴油机本身，问题就是出在进排气阀定时不协调、燃油泵的燃油系统不协调、活塞漏气等故障。如果原因在增压器，则包括：
（1）压气机叶轮与扩压器积垢
因为长时间的运转或空气滤清器除尘效果变差，压气机将机舱内的灰尘和油雾混合物吸进后附着在叶片、叶轮背面及扩压器叶片通道内。油污积累到一定程度，使增压器的绝热效率下降，并且增加气流阻力，导致压气机气流减少增压压力下降。
（2）压气机进气滤器通道脏污
当增压器的空气滤清器长期使用而不进行清洁时，在过滤元件上积累的油污就会阻塞通道，使增压器进气阻力显著增加，导致供给柴油机的空气量减少，引起排气温度升高。
（3）柴油机燃烧不良
柴油机长期在燃烧不良的状态下工作，在涡轮喷嘴、动叶和轮盘上以及气封间隙两壁面堆积大量没完全燃烧的碳粒，冷态下凝固使增压器运转时机械阻力增加，从而导致增压压力降低。
（4）机舱内气压下降
若机舱空间狭窄，且机舱进气口又过小，当柴油机工作时，会使机舱内的气压低于外面大气压，这时增压器的增压压力将会下降，致使排气温度升高。
(5)涡轮背压升高，涡轮中的焓减少，引起增压压力下降，排气温度升高。
3.2.2 增压压力过高
造成增压压力升高的主要原因是柴油机方面的故障。常见有大概有：
（1）负荷增加
船舶长期在水中航行，水生物在船底外壳结垢，使航行阻力增加，启动主机使用时，在同一转速下，使主机功率增大。这种情况使增压压力增大，柴油机耗油量也增加。
（2）燃烧不良引起后燃严重
当燃油系统发生故障而发生后燃时，供给涡轮的废气能量增大，致使增压器转速增加，增压压力升高。
（3）柴油机排气阀漏气
当柴油机的排气阀故障导致气缸内的气体泄漏，从而使供给涡轮的热能增加，增压压力增加。
3.3 增压器腐蚀
由于柴油机废气涡轮增压器工作在高温、高速气流的环境下，涡轮进排气壳都受到严重的腐蚀。为了使温度下降，采用水冷使壳体温度下降。而柴油机的排气中含有SO2气体。当壳体温度低于SO2的露点（约180℃），气流通过壳体壁面，SO2气体就变成(H2SO4)硫酸而凝结在壳体上，产生强烈的腐蚀作用。此外，在高速气流进入涡轮壳体因其中带有未完全燃烧的碳颗粒，流过壳体表面会引起穴蚀。涡轮进气壳在靠近进口处所发生的穿孔事故，多数是这种穴蚀造成的。当增压器采用海水作为冷却介质时，冷却水腔壳体表面还会受到电化学腐蚀。
3.4 增压器冷却水温过高
废气涡轮增压器利用柴油机排气能力工作，冷却水降低增压器工作的环境温度保证其良好运行。如果冷却水温度过高会影响增压器的运动部件的润滑，使其摩擦增大，磨损加剧。出现冷去水温过高的原因有：1、冷却水腔脏污，加大冷却水流阻，使其流量减少引起冷却作用减弱；2、冷却水进入增压器前温度过高，冷却能力不足；3、柴油机燃烧不良，进入增压器的废气继续燃烧升温，使废气涡轮增压器内的温度过高，从而引起冷却水温度升高。
3.5 轴承箱的滑油变黑与漏失
增压器涡轮端的轴封、密封衬套间隙过大、密封空气的通道阻塞导致排气漏入轴承箱使滑油变黑。增压器密封平衡空气失去作用、轴承箱压力过高、轴承箱盖板螺栓松动漏油、密封衬套间隙过大造成滑油漏失。
3.6 轴承烧损
轴承是增压器中很重要的运动部件，不仅保证转子安全可靠运行，还使转子在增压器内的固定准确。增压器轴承是在高温，高速和轻负荷条件下工作的，工作过程中很容易发生故障。轴承烧损现象有增压器转速急剧下降、运转声音异常、滑油出口温度升高、增压压力下降等。当轴承中有滑油油量不足、压力过低、断油、脏污严重等现象时，增压器运行轴承就会因润滑不足，磨损增大造成轴承烧损。
3.7 废气倒流
当运行中柴油机的进气管处发出敲鼓一样的钝声时，就是排出废气倒流回气缸，又从进气阀处窜入进气管所造成的。废气倒流会使排气温度升高、进气管内的温度上升、气缸充气效率下降，导致柴油机输出功率下降。废气倒流原因有增压器涡轮机喷管堵塞或增压器内部脏污严重，从而增大了来自柴油机的废气排出阻力，使此处积聚的压力升高甚至超过了进气压力，倒流回柴油机内。
4 增压器零部件的检修
由于柴油机废气涡轮增压器的工作特性，使其很容易产生涡轮壳体腐蚀、轴承损坏、叶片损坏、振动等故障。它们其中哪个出问题都使增压器无法正常工作，所以管理工作要知道如何检修它们，使增压器继续工作保证柴油机的正常运行。
4.1涡轮壳体的检修bao
船用柴油机用海水作为冷却介质的废气涡轮增压器的进气壳和排气壳表面经常与具有腐蚀性的高温废气和水接触。而防止腐蚀的方法有：（1）为了防止电化学腐蚀，可以采用淡水进行冷却和在淡水中加防锈剂与在壳体上安装防腐锌块等措施；（2）提高冷却水进口温度防止硫酸腐蚀；（3）在进、排气壳内表面容易腐蚀部位钎焊一层耐腐蚀合金。
4.2 轴承的检修
废气涡轮增压器轴承在高温、高速和轻负荷条件下工作。防止其出故障的方法有：（1）对轴承本身结构设计、材料选择、制造精度等要严重要求，有针对性的使用不同种类轴承；（2）对运转中的转子的动平衡精度、轴承的润滑和冷却要时刻注意；（3）注意轴承的使用时间，按照增压器使用说明书，达到轴承检修时间时要进行检修，压气机端轴承和涡轮端轴承应全套更换；（4）增压器要使用规定的润滑油，并在规定的时间内进行更换。
4.3 增压器叶片的检修
涡轮叶片和压气机叶片在柴油机排出的废气高速、高温条件下工作，很容易引起的叶片发生叶片变形、裂纹和断裂等现象。对于这些损伤处理方法有：（1）有裂纹或断裂的及时换新叶片，换新后要进行动平衡试验，并使之符合要求；（2）涡轮叶片凹面因撞击有少量缺陷的可以进行修磨，磨去的深度不得超过相应部位叶片厚度的1/6，磨去的面积要符合规定的要求；（3）当有叶片折断时，应急的处理方法有立刻停车，避免危害其他叶片或在涡轮叶轮的另一边，把对向上的叶片切掉，使其大致保持平衡能在低速下继续运转。
4.4 增压器转子的检修
增压器转子出现故障危害是很大的，检修其故障的方法有：（1）转子弯曲变形时，要解体增压器抽出转子，把它放到车间平台上检测轴线状态，判断出转子的弯曲程度和变形程度。变形较小的在专用工具上矫正，变形大的给与更换；（2）增压器运转过程中发现转子安装不平衡的，要及时进行动平衡试验，直到符合要求，即转子重心在其回转中心线上或具有要求的偏心距。
4.5增压器损坏后的应急方法
船舶在航行时，废气涡轮增压器突发严重故障又不能及时修理，这种情况下只能把增压器停掉。但是废气涡轮增压器与柴油机的工作密切相关，停止增压器必须采取相应的措施使柴油机可以可靠运行。对于废气涡轮增压器损坏程度和增压器使用数量的不同，应急情况所采取的措施也不同。大概可分为：
1 航行中增压器损坏的处理原则
（1）在恶劣海况航行时，如大风、大雨引起大海浪，则不允许停车，应采取大大降低主机转速，但要保持能稳定低速航行。
（2）增压器损坏后有可能引起事故继续扩大的，在海况、海域等条件允许下应立即停车检修增压器。
2 对损害增压器的应急处理
（1）当柴油机只可以短时间停车，又要恢复运行时，这种情况只需拆下压气机端和涡轮端的轴承盖，用专用工具把转子锁住和在锁住转子的增压器出口安装密封盖板，以防增压空气流失。
（2）当柴油机可以长时间停车时，可采用拆除转子和在增压器壳体两端，并在中间安装封闭盖板，以防燃气和增压器外泄。
5 防止增压器故障的措施
废气涡轮增压器在温度高、转速高、气流流速高的环境下工作.所以在增压器运行管理中，要保持转子良好地动、静平衡，轴承润滑良好，气流流道通畅并有可靠地冷却。
5.1增压器的日常管理
（1）涡轮增压器运行时，应经常用专用工具听增压器中有无异常声响和检查运作是否平行。当听到钝重的嗡嗡声时，说明转子不平行。
（2）船舶柴油机长时间停车，应把增压器的转子转动到另一个位置，以防轴弯曲变形。增压器再次投入使用前，用起动空气吹增压器转子使其短时转动，用金属棒接触增压器仔细听运作是否平稳、有无杂音和阻滞现象。
（3）由于增压器转速较高，应特别注意轴承的润滑。轴承外部供油润滑时，要检查重力油柜的油位和滑油进口压力与出口温度。轴承自身供油润滑时，应注意油池的油位，油量不足及时补给。
（4）运行中应注意增压器各主要参数的。并用理论知识和经验明智分析检查记录的参数判断涡轮增压器的工作状态，以确定必要的检查、调节和检修方案。
（5）对于轮机员，要认真学习增压器的结构和工作原理，做到精通理论、观察敏锐。特别要注意船舶满载、逆风等情况下的操作要求和切记船舶高速急停与主机急加速的不良操作，从而消除增压器发生喘振的潜在因素。要善于在错综复杂的故障中找出主要原因，不受表面因素影响。严格要求自己，对待工作态度要认真，不把生活中的不愉快带到工作中，保持良好的心态、清醒的头脑对待问题。
5.2 正确操作增压器的运行
(1)柴油机启动前，对废气涡轮增压器要注意以下几点：检查润滑油油位或供油压力达到规定值。长期停航船舶主机要用启动空气吹动增压器短时运行，仔细观察有无异常现象。在管道接口处认真观察看有无油、水、气的泄漏现象。
(2)增压器运行中，要注意观察增压器各主要运行参数的变化，利用理论知识和经验分析运行状况。及时对增压机故障发生前作出明智的判断，提前做好预防措施。
(3)当柴油机停车时，增压器由于惯性还要惰转一段时间。这段时间的长短可以知道增压器是否正常。因为增压器转子惰转的时间与惯性、油温、排气管的加热状态、转子积碳等因素密切相关，所以每次转子停转的时间要记录下来与正常的作比较。
5.3 增压器的拆装
5.3.1增压器的拆卸
（1）拆卸前要认真阅读增压器的使用说明书，结合实际掌握增压器内部结构：轴承的结构形式、叶轮与转子轴的连接方式、压气机和涡轮的结构形式、各零部件的相对安装位置、润滑方式等。在掌握内部结构和明确要求的前提下，还要搞清楚拆卸顺序、方法和实用工具等。
（2）预先准备和清理好拆下零件的盛器和地方。拆卸时对拆下的相关零件的相对位置要打上标记和正确使用专用工具，才能保证顺利拆卸。按照正确的拆卸顺序和要求仔细进行，特别是当拉出转子时要注意不要碰伤气封和叶片。而轴承和轴颈工作表面要清洁、上油和防止生锈。
（3）对拆下的零件要进行仔细检查。特别着重检查压气机叶轮、涡轮动叶、气封、轴承等零件有无外表损伤。对有疑问的要进行着色等非破坏性检查，以判断是否有裂纹等缺陷存在。此外，有污垢的零件要仔细清洗，注意清洗条件。
5.3.2 增压器的装配
（1）装配时应按照说明书的安装顺序和要求、规定的装配间隙进行组装，特别注意零件相互之间的配合印记，不要弄错。
（2）注意出厂时的气封间隙、轴向间隙等，要按照一定的方法进行间隙检验和调整，以保证转子与壳体的对中性。
（3）所有紧固件都要用钢丝或弹簧垫圈锁牢固，防止以后运转过程中出现松动发生事故。
（4）安装结束后，要仔细检查是否有零件遗漏。用手转动转子，检查有无摩擦、松动、异常响声等现象。
6 结论
废气涡轮增压器使柴油机油耗减少、功率提高中起到主要作用。但是增压器的故障多种多样。值班轮机员要把常见的故障总结，结合理论知识，根据不同的故障情况进行综合的理性分析和检修。日常加强增压器的维修保养工作，严格要求自己按照增压器说明书操作，尽可能减少人为因素引起的故障，注意增压器运行中的状态监测，使其使用寿命增加。
参考文献:
[1]李斌.船舶柴油机[M].大连:大连海事大学出版社,2008:49-50.
[2]史晓敏.船机设备维修技术[M].北京:北京大学出版社,2008:139-142.
[3]于世元.涡轮增压器原理、结构和使用[M].北京：国防工业出版社，1985.4.
[4]陆家祥.柴油机涡轮增压技术[M].北京：机械工业出版社，1999.99.
[5]顾宏中.涡轮增压柴油机性能研究[M].上海：上海交通大学出版社，1998.
[6]满一新.增压器故障分析及振动修理[M].中国修船，1993.
[7]唐开元.柴油机增压原理[M].国防工业出版社.1985.
[8]曹孝瑾.涡轮增压器与柴油机的匹配[M].北京：国防工业出版社，2000.
论文作者:廖云飞
论文发表刊物:《电力设备》2018年第14期
论文发表时间:2018/9/18
标签：柴油机论文; 增压器论文; 废气论文; 转子论文; 涡轮论文; 轴承论文; 叶轮论文; 《电力设备》2018年第14期论文;