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摘要：废气涡轮增压器是增压系统重要组成部分，因其在提高柴油机功率和经济性能等方面性能突出，所以目前船用主机和副机绝大部分采用增压柴油机。废气涡轮增压器好坏直接影响着柴油机的性能及可靠性。作为增压器故障之一的增压器喘振直接影响着柴油机的整体性能。本文以某船增压器喘振为切入点，分析增压器喘振的成因、故障判断、解决方法，以及维护管理建议。
Abstract： Exhaust gas turbocharger is an important part of the supercharging system. Because of its outstanding performance in improving the power and economic performance of diesel engine， most marine main engine and auxiliary engine use supercharged diesel engine. The quality of exhaust turbocharger directly affects the performance and reliability of diesel engine. As one of turbocharger faults， turbocharger surge directly affects the overall performance of diesel engine. This paper analyzes the causes， fault judgment， solutions and maintenance management suggestions of supercharger surge.
关键词：增压器;喘振;成因;维护管理
Key words： supercharger;surge;origin;maintenance management
中图分类号：U664.121.1 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）21-0125-03
0 引言
近年来，随着船舶使用频率及负载量逐年增大，柴油机的故障率也随之增加，在故障清单中废气涡轮增压器（以下简称增压器）故障频率也在逐渐增加，其中增压器喘振故障比较频发。喘振故障一旦出现可能带来增压器轴承损坏、压气机叶轮损坏、柴油机工作粗暴等危害，当喘振故障不能排除时，柴油机只能降功率使用或停止使用，影响船舶航行及安全。
1 典型案例
1.1 案例一
某船发电柴油机型号8L23/30A四冲程柴油机，直列8缸，缸径为225mm，行程为270mm，额定功率为1280kW，增压器是由一个单级径流式涡轮和一个单级径流式压气机组成（如图1所示）。本柴油机正常发电负荷为580kW，主吊车运转时负荷为630kW。某日在主吊车运转时，增压器出现“酷哧酷哧”喘振声，随即停止主吊车，喘振消失。随后反复试验，只要启动主吊车就会出现喘振现象。
针对负荷增加出现喘振现象分析，首先可能的原因是负荷增加，进气量不足或进气压力偏低导致，其次负荷增加，增压器与柴油机间出现不匹配。针对分析的这两种可能情况进行排查。进气量不足或进气压力偏低的排查，①对进气系统各部件进行检查，进气滤网、消音器、中冷器、增压器的压气端无异常脏堵，排除此可能性;②对增压器转动检查，没有异常声音、卡滞。对废气进口、喷嘴环、检查，无异常脏堵现象，各部间隙在测量要求范围内。但发现喷嘴环有轻微变形现象，拆卸后在平台进行检查，发现有3只喷嘴叶片与平台间存在间隙，不能紧密贴合，其中一片最大间隙达到了0.6mm，分析可能是此间隙过大导致废气泄露使增压器转速降低，压气端吸氣量不足，压力下降导致;对气阀定时、喷油定时进行检查，符合要求，对喷油器雾化情况检查，雾化良好。对排查中存在问题的喷嘴环更换后，柴油机负荷加至630kW时，增压器喘振现象消失，柴油机工作正常。
1.2 案例二
某船柴油机主机型号12V20/27，12缸，缸径为200mm行程为270mm，额定功率为1200kW。在额定转速1000r/min时，增压压力0.24MPa～0.29MPa;单缸爆发压力≤10MPa;单缸排烟温度≤530℃，单级、径流式涡轮增压器。某天修后航行试验，加速至930r/min时，A列增压器开始出现“空空空”断续性喘振。主机转速降至840r/min时，喘振现象消失。柴油机在930r/min工况时B列排气温度比A列排气温度低约30℃，其余参数正常。此型柴油机排气系统路径是交叉式，主要是A列各缸排气汇总后进入B列增压器端，B列各缸排气汇总后进入A列增压器端，进气系统路径主要是A、B列增压器增压后汇总至中冷器，然后再至各缸进气口。 针对A列增压喘振现象进行分析，鉴于柴油机刚修理完毕，排除柴油机进气系统各部件脏堵引起的进气不足导致的增压器喘振。重点检查柴油机与增压器匹配性及增压器转动灵活性。①增压器灵活性检查，将增压器护罩及外壳进行拆卸，增压器内部清洁良好，转动平稳无卡滞;②柴油机与增压器的匹配性检查，对B列各缸的气阀间隙、喷油定时检查均符合要求，高压油泵拆解未发现异常，针对B列排气温度低问题，提高了高压油泵的供油量。再次出海试验，主机转速加速至930r/min时，A列增压器未出现喘振现象。
从以上两个案例可以看出引起增压器喘振的原因很多，排除往往是一一排查，故障点准确判断比较困难。为更好修理维护增压器，预防或排除增压器喘振故障，从增压器发生喘振的机理和故障点入手进行分析判断。
2 喘振的表现及原理
增压器喘振是其固有特性，是在进气流量减少到一定程度时所发生的一种非正常工况下的振动，通常表现为压气机出现剧烈波动，并伴随很大的吼叫声。
增压器产生喘振的原理较为复杂，当压气机处于低流量高背压工作状态时，进入压气机的空气流向与压气机叶片入口之间产生冲角（如图2、图3所示），当这个角度扩大到一定程度时，进气流与压气机叶片之间就会有较严重的气流分离，该气流以周期性强烈的脉冲形式表现出来，气流压力、速度和流量等均发生急剧变化，在其外部变现就是增压器不断发出振动和吼叫声。
3 喘振的成因
增压器喘振从修理角度出发增压器喘振按其发生机理可分为气体通道阻塞[1]引起的喘振、增压器或柴油机故障引起的喘振、增压器和柴油机不匹配引起的喘振等。
3.1 气体通道阻塞引起的喘振
增压器气流通道的阻塞是喘振的主要原因，因为阻塞会导致流阻增大而使压气机流量减小，背压升高。增压系统的气体流动路线：进气滤器→压气端→中冷器→进气管→进气阀→燃烧室→排气阀→排气管→废气端→烟囱。他们的流通面积都是固定的，任何部位发生堵塞、变形。都有可能因流动阻力增大而使压气机背压升高、流量减少引起喘振。
例如中冷器脏污，气缸内进气不畅无法完全燃烧，造成后燃排温升高，致使转速升高、压气机吸气量也增加，而增加的空气不能全部进入气缸，因此就产生了喘振;喷嘴环积碳，废气经过喷嘴环时流速会加大，促使增压器转速上升，导致压气机进气量增大，多余的空气堵在进气口产生气流扰动，也会引起喘振;柴油机长时间运行，进气滤器、喷嘴环、叶轮等部件都可能出现脏堵，柴油机的气阀上产生积碳，都会造成增压系统流道堵塞，从而产生喘振。
3.2 增压器或柴油机故障引起的喘振
3.2.1 增压器故障
压气机叶轮变形或损坏，会使增压能力减弱，引起效率下降，可能会导致流经压气机的空气流量减小，从而引起喘振。喷嘴环变形，可能会使废气流速增高，增压器转速上升，压气机进气流量增大，使部分空气堵在压气端入口，从而引起喘振。
3.2.2 柴油机故障
柴油机由于各缸负荷不均匀，喷油提前角提前或滞后，气阀密性不良，喷油器雾化不良等问题引起燃烧状态变差，排温较高，排出的废气能量增加，从而使增压器转速升高，造成压气端的吸气量大于出气量就会发生喘振。
3.3 增压器和柴油机失配引起的喘振
增壓器与柴油机在各工况下是相互匹配工作的[2]（如图4所示），例如当柴油机卸负载时，供油量突然减少，气缸内所需空气量急剧减少，而增压器转子的转速由于惯性等因素却一时无法同步下降，使增压器压气端吸气量与气缸所需相对过多，使多余的空气堵塞在压气端进口处而发生喘振;柴油机载荷波动较大或者过载时，柴油机燃烧状态变差，排气温度升高，排气总管的废气能量增加，使增压器转子的转速升高，造成压气机的吸气量大于出气量而发生喘振。
4 喘振的故障判断
结合修理判断当增压器发生喘振时一般先检查柴油机排气温度、增压压力和增压器转速，从而判断引起喘振的原因是增压系统流道堵塞还是柴油机故障。
4.1 流道堵塞
如果柴油机排气温度、增压压力和增压器转速均正常，喘振可能是增压系统流道堵塞引起的。这时就要检查增压系统流道是否通畅，主要检查进气滤器和中冷器等部件，清洁脏堵部件;检查喷嘴环和叶轮叶片，清洗喷嘴环、叶轮[1];检查压气机叶轮和扩压器，清洗叶轮和扩压器，对损坏件进行修复或更换。
4.2 柴油机故障
柴油机在运转过程中，如果排气温度过高和增压压力过高、增压器转速过快等，这些故障引起增压器喘振的可能性很大。针对这些故障现象主要检查进、排气阀，确保气阀无泄漏;检查燃烧状况，喷油提前角、喷油器雾化情况、高压油泵喷油量，以确保燃烧良好。
5 维护管理
增压器喘振的危害性很大，为使增压器处于良好的工作状态，保证柴油机正常运转，我们平时在修理和维护过程中要重视，预防增压器发生喘振现象。
5.1 修理维护
增压器首先拆检前，必须阅读领会说明书的相关要求，清楚拆装工艺、步骤。其次，按技术要求解体增压器，清洁好各部件，尤其是的喷嘴、叶片和压气机的叶轮和扩压器[3]。对增压器上各油孔、气孔疏通清洁。各相关部件的清洁是保证装配后增压器高效运转的关键。再次，关于修换件。仔细检查各部件，尤其是喷嘴、叶片组，以便及时发现隐患，采取相应防范措施，这也是避免检修后发生故障的防范。对于轴承应严格遵循说明书及铭牌上所推荐的使用时间，及时予以换新。最后，增压器装配，按照技术要求逐步进行安装，并且逐步进行检查测量，满足要求后进行下一步工序。对于某些型号的增压器装配时要保证K、L、M值符合规范[1]，所以装配时必须清楚K、L、M、K1、K2的概念、测量方法及调整方法。这里K值是指转子在自由状态下，压气端转子端面与盖板特定端面之间的垂直距离S，这个值在压气机盖板内侧一般均有标识，一般实测方法是在上紧两端轴承紧固螺丝后再松开螺丝，测量此距离S，即为K值;K1、K2是指转子在压气端和端两个极端位置时距离S，L=K-K1[1]，M=K2-K[1]，所以L、M值实际就是转子在自由状态下压气机工作轮与两侧壳体间的最小间隙，它兼顾了转子工作所需的膨胀空间。增压器安装完毕后，应无异常声音、卡滞，将增压器防护好等待安装。
5.2 使用保养
①按照说明书要求正确保养柴油机，按时检查和调整气阀间隙，防止气阀间隙过大或过小，导致气阀关闭不严，出现烧蚀等情况。②监控柴油机的燃油雾化情况，加强喷油器保养，避免柴油机在高负荷运行时各缸负荷不均匀。③按照说明书要求定期清洗增压器侧、压气侧、进气滤网及中冷器等，保证气道顺畅。④防止柴油机负荷突加和突降。⑤加强柴油机各项参数监控，发现问题应及时查明原因解决问题。
参考文献：
[1]程东，朱新河，严志军.轮机维护与检修[M].大连：大连海事大学出版社，2017.
[2]蒋德明内燃机的涡轮增压[M].北京机械工业出版社，1986.
[3]满一新.船机维修技术[M].大连大连海事大学出版社，1998.
Abstract： Exhaust gas turbocharger is an important part of the supercharging system. Because of its outstanding performance in improving the power and economic performance of diesel engine， most marine main engine and auxiliary engine use supercharged diesel engine. The quality of exhaust turbocharger directly affects the performance and reliability of diesel engine. As one of turbocharger faults， turbocharger surge directly affects the overall performance of diesel engine. This paper analyzes the causes， fault judgment， solutions and maintenance management suggestions of supercharger surge.
关键词：增压器;喘振;成因;维护管理
Key words： supercharger;surge;origin;maintenance management
中图分类号：U664.121.1 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）21-0125-03
0 引言
近年来，随着船舶使用频率及负载量逐年增大，柴油机的故障率也随之增加，在故障清单中废气涡轮增压器（以下简称增压器）故障频率也在逐渐增加，其中增压器喘振故障比较频发。喘振故障一旦出现可能带来增压器轴承损坏、压气机叶轮损坏、柴油机工作粗暴等危害，当喘振故障不能排除时，柴油机只能降功率使用或停止使用，影响船舶航行及安全。
1 典型案例
1.1 案例一
某船发电柴油机型号8L23/30A四冲程柴油机，直列8缸，缸径为225mm，行程为270mm，额定功率为1280kW，增压器是由一个单级径流式涡轮和一个单级径流式压气机组成（如图1所示）。本柴油机正常发电负荷为580kW，主吊车运转时负荷为630kW。某日在主吊车运转时，增压器出现“酷哧酷哧”喘振声，随即停止主吊车，喘振消失。随后反复试验，只要启动主吊车就会出现喘振现象。
针对负荷增加出现喘振现象分析，首先可能的原因是负荷增加，进气量不足或进气压力偏低导致，其次负荷增加，增压器与柴油机间出现不匹配。针对分析的这两种可能情况进行排查。进气量不足或进气压力偏低的排查，①对进气系统各部件进行检查，进气滤网、消音器、中冷器、增压器的压气端无异常脏堵，排除此可能性;②对增压器转动检查，没有异常声音、卡滞。对废气进口、喷嘴环、检查，无异常脏堵现象，各部间隙在测量要求范围内。但发现喷嘴环有轻微变形现象，拆卸后在平台进行检查，发现有3只喷嘴叶片与平台间存在间隙，不能紧密贴合，其中一片最大间隙达到了0.6mm，分析可能是此间隙过大导致废气泄露使增压器转速降低，压气端吸氣量不足，压力下降导致;对气阀定时、喷油定时进行检查，符合要求，对喷油器雾化情况检查，雾化良好。对排查中存在问题的喷嘴环更换后，柴油机负荷加至630kW时，增压器喘振现象消失，柴油机工作正常。
1.2 案例二
某船柴油机主机型号12V20/27，12缸，缸径为200mm行程为270mm，额定功率为1200kW。在额定转速1000r/min时，增压压力0.24MPa～0.29MPa;单缸爆发压力≤10MPa;单缸排烟温度≤530℃，单级、径流式涡轮增压器。某天修后航行试验，加速至930r/min时，A列增压器开始出现“空空空”断续性喘振。主机转速降至840r/min时，喘振现象消失。柴油机在930r/min工况时B列排气温度比A列排气温度低约30℃，其余参数正常。此型柴油机排气系统路径是交叉式，主要是A列各缸排气汇总后进入B列增压器端，B列各缸排气汇总后进入A列增压器端，进气系统路径主要是A、B列增压器增压后汇总至中冷器，然后再至各缸进气口。 针对A列增压喘振现象进行分析，鉴于柴油机刚修理完毕，排除柴油机进气系统各部件脏堵引起的进气不足导致的增压器喘振。重点检查柴油机与增压器匹配性及增压器转动灵活性。①增压器灵活性检查，将增压器护罩及外壳进行拆卸，增压器内部清洁良好，转动平稳无卡滞;②柴油机与增压器的匹配性检查，对B列各缸的气阀间隙、喷油定时检查均符合要求，高压油泵拆解未发现异常，针对B列排气温度低问题，提高了高压油泵的供油量。再次出海试验，主机转速加速至930r/min时，A列增压器未出现喘振现象。
从以上两个案例可以看出引起增压器喘振的原因很多，排除往往是一一排查，故障点准确判断比较困难。为更好修理维护增压器，预防或排除增压器喘振故障，从增压器发生喘振的机理和故障点入手进行分析判断。
2 喘振的表现及原理
增压器喘振是其固有特性，是在进气流量减少到一定程度时所发生的一种非正常工况下的振动，通常表现为压气机出现剧烈波动，并伴随很大的吼叫声。
增压器产生喘振的原理较为复杂，当压气机处于低流量高背压工作状态时，进入压气机的空气流向与压气机叶片入口之间产生冲角（如图2、图3所示），当这个角度扩大到一定程度时，进气流与压气机叶片之间就会有较严重的气流分离，该气流以周期性强烈的脉冲形式表现出来，气流压力、速度和流量等均发生急剧变化，在其外部变现就是增压器不断发出振动和吼叫声。
3 喘振的成因
增压器喘振从修理角度出发增压器喘振按其发生机理可分为气体通道阻塞[1]引起的喘振、增压器或柴油机故障引起的喘振、增压器和柴油机不匹配引起的喘振等。
3.1 气体通道阻塞引起的喘振
增压器气流通道的阻塞是喘振的主要原因，因为阻塞会导致流阻增大而使压气机流量减小，背压升高。增压系统的气体流动路线：进气滤器→压气端→中冷器→进气管→进气阀→燃烧室→排气阀→排气管→废气端→烟囱。他们的流通面积都是固定的，任何部位发生堵塞、变形。都有可能因流动阻力增大而使压气机背压升高、流量减少引起喘振。
例如中冷器脏污，气缸内进气不畅无法完全燃烧，造成后燃排温升高，致使转速升高、压气机吸气量也增加，而增加的空气不能全部进入气缸，因此就产生了喘振;喷嘴环积碳，废气经过喷嘴环时流速会加大，促使增压器转速上升，导致压气机进气量增大，多余的空气堵在进气口产生气流扰动，也会引起喘振;柴油机长时间运行，进气滤器、喷嘴环、叶轮等部件都可能出现脏堵，柴油机的气阀上产生积碳，都会造成增压系统流道堵塞，从而产生喘振。
3.2 增压器或柴油机故障引起的喘振
3.2.1 增压器故障
压气机叶轮变形或损坏，会使增压能力减弱，引起效率下降，可能会导致流经压气机的空气流量减小，从而引起喘振。喷嘴环变形，可能会使废气流速增高，增压器转速上升，压气机进气流量增大，使部分空气堵在压气端入口，从而引起喘振。
3.2.2 柴油机故障
柴油机由于各缸负荷不均匀，喷油提前角提前或滞后，气阀密性不良，喷油器雾化不良等问题引起燃烧状态变差，排温较高，排出的废气能量增加，从而使增压器转速升高，造成压气端的吸气量大于出气量就会发生喘振。
3.3 增压器和柴油机失配引起的喘振
增壓器与柴油机在各工况下是相互匹配工作的[2]（如图4所示），例如当柴油机卸负载时，供油量突然减少，气缸内所需空气量急剧减少，而增压器转子的转速由于惯性等因素却一时无法同步下降，使增压器压气端吸气量与气缸所需相对过多，使多余的空气堵塞在压气端进口处而发生喘振;柴油机载荷波动较大或者过载时，柴油机燃烧状态变差，排气温度升高，排气总管的废气能量增加，使增压器转子的转速升高，造成压气机的吸气量大于出气量而发生喘振。
4 喘振的故障判断
结合修理判断当增压器发生喘振时一般先检查柴油机排气温度、增压压力和增压器转速，从而判断引起喘振的原因是增压系统流道堵塞还是柴油机故障。
4.1 流道堵塞
如果柴油机排气温度、增压压力和增压器转速均正常，喘振可能是增压系统流道堵塞引起的。这时就要检查增压系统流道是否通畅，主要检查进气滤器和中冷器等部件，清洁脏堵部件;检查喷嘴环和叶轮叶片，清洗喷嘴环、叶轮[1];检查压气机叶轮和扩压器，清洗叶轮和扩压器，对损坏件进行修复或更换。
4.2 柴油机故障
柴油机在运转过程中，如果排气温度过高和增压压力过高、增压器转速过快等，这些故障引起增压器喘振的可能性很大。针对这些故障现象主要检查进、排气阀，确保气阀无泄漏;检查燃烧状况，喷油提前角、喷油器雾化情况、高压油泵喷油量，以确保燃烧良好。
5 维护管理
增压器喘振的危害性很大，为使增压器处于良好的工作状态，保证柴油机正常运转，我们平时在修理和维护过程中要重视，预防增压器发生喘振现象。
5.1 修理维护
增压器首先拆检前，必须阅读领会说明书的相关要求，清楚拆装工艺、步骤。其次，按技术要求解体增压器，清洁好各部件，尤其是的喷嘴、叶片和压气机的叶轮和扩压器[3]。对增压器上各油孔、气孔疏通清洁。各相关部件的清洁是保证装配后增压器高效运转的关键。再次，关于修换件。仔细检查各部件，尤其是喷嘴、叶片组，以便及时发现隐患，采取相应防范措施，这也是避免检修后发生故障的防范。对于轴承应严格遵循说明书及铭牌上所推荐的使用时间，及时予以换新。最后，增压器装配，按照技术要求逐步进行安装，并且逐步进行检查测量，满足要求后进行下一步工序。对于某些型号的增压器装配时要保证K、L、M值符合规范[1]，所以装配时必须清楚K、L、M、K1、K2的概念、测量方法及调整方法。这里K值是指转子在自由状态下，压气端转子端面与盖板特定端面之间的垂直距离S，这个值在压气机盖板内侧一般均有标识，一般实测方法是在上紧两端轴承紧固螺丝后再松开螺丝，测量此距离S，即为K值;K1、K2是指转子在压气端和端两个极端位置时距离S，L=K-K1[1]，M=K2-K[1]，所以L、M值实际就是转子在自由状态下压气机工作轮与两侧壳体间的最小间隙，它兼顾了转子工作所需的膨胀空间。增压器安装完毕后，应无异常声音、卡滞，将增压器防护好等待安装。
5.2 使用保养
①按照说明书要求正确保养柴油机，按时检查和调整气阀间隙，防止气阀间隙过大或过小，导致气阀关闭不严，出现烧蚀等情况。②监控柴油机的燃油雾化情况，加强喷油器保养，避免柴油机在高负荷运行时各缸负荷不均匀。③按照说明书要求定期清洗增压器侧、压气侧、进气滤网及中冷器等，保证气道顺畅。④防止柴油机负荷突加和突降。⑤加强柴油机各项参数监控，发现问题应及时查明原因解决问题。
参考文献：
[1]程东，朱新河，严志军.轮机维护与检修[M].大连：大连海事大学出版社，2017.
[2]蒋德明内燃机的涡轮增压[M].北京机械工业出版社，1986.
[3]满一新.船机维修技术[M].大连大连海事大学出版社，1998.