【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
透平是船舶轮机人员对柴油机废气涡轮增压器 (TURBO CHARGER或SUPER CHARGER)的一种习惯性叫法，它实际就是一个由柴油机排气驱动废气涡轮(TU BINE)而带动的同轴的离心式的压气机 (BLOWER)。
它与普通船用压气机的区别是：
普通压气机是由电机驱动的，转速是恒定的，只具备低压吸排风功能，出口压力较低且相对稳定；
而透平压气机是由柴油机废气驱动废气涡轮带动的，转速和压力随柴油机废气能量的变化而变化，以满足柴油机在不同转速下的用气需求；
透平压气机的叶片是机翼型的，壳体是蜗壳状，特殊的结构使得气体在旋转流动过程中被不断加压 (现在超高增压的柴油机扫气压力可达0.3MPa)。
一
透平在提高了柴油机功率的同时 ,也给柴油机管理带来了新课题
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。
二
透平喘振机理
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。
三
喘振现象的应急处理
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。
四
透平喘振深层原因及应对
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
END
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