故障檢修與技術維護

柴油發電機增壓器的故障現象及原因

 

摘要：廢氣渦輪增壓器是安裝在柴油發電機上輔助增加進氣壓力的一個渦輪裝置，它利用柴油機排出的廢氣能量驅動渦輪轉動，帶動同軸的壓氣機一起高速旋轉，將新鮮空氣加壓后經進氣管進入氣缸，這樣增加了氣缸充氣量，從而可以向氣缸內噴入更多的柴油。由于廢氣渦輪增壓器安裝在排氣管上，處在高溫、高壓和高速運轉的工況下，其工作環境非常惡劣，工作要求也比較苛刻。如果使用維護不當極易造成增壓器發生故障，引起柴油發電機組運轉不穩、功率下降、油耗增大和排氣管冒黑煙或藍煙等癥狀。

 

一、增壓壓力低的主要原因

 

      該故障表現為增壓器轉子軸轉速上不去，測試方法如圖1所示。一般來說，柴油機在額定轉速工作時，增壓器轉子軸轉速可達60000r/min至240000r/min，流量特性曲線圖如圖2所示。在這一轉速下，方可使增壓壓力達到要求。其主要原因如下：

1、壓氣機的濾清器臟污。

2、葉輪、葉片擴壓器臟污。

3、增壓器渦輪內存有較多積炭，使旋轉阻力增加。

4、中冷器臟污，增加了進氣阻力。

5、渦輪排氣不暢通，這是由于排氣管堵塞、變形等引起轉子轉速升不高。

6、增壓器出口壓力突然下降，一般由于軸承損壞引起。

 

圖1  渦輪增壓器轉速測試

圖2  增壓器流量特性曲線

 

二、壓氣機喘振的主要原因

 

      增壓器外觀如圖3所示。渦輪機在排氣能量的推動下，帶動壓氣機工作，實現進氣的增壓。在運轉過程中，如果壓氣機處于嚴重的不穩定狀態，空氣流量忽大忽小，壓力值劇烈波動，甚至出現氣體倒流，同時伴隨著壓氣機葉輪產生劇烈振動，并發出沉重的喘息聲或吼叫聲，這種現象稱為壓氣機的喘振。

      喘振現象產生主要由于進氣系統產生堵塞，進氣不暢，通過增壓器輸送的空氣流量達不到柴油機的要求，造成進氣不穩定，從而使進氣管內增壓后的空氣壓力產生波動或大幅下降，故在壓氣機端發出如氣喘的異響，并伴隨著發動機工作不穩，動力下降，排氣管冒黑煙。

1、增壓系統流道阻塞因素的影響

      圖4中μ1為葉輪剖分處的圓周速度，c1為空氣進入壓氣機前緣時的絕對速度，ω1表示氣流進入壓氣機葉片時相對速度。

流量Q=c×S，S為通流面積。當S不變時，Q與c成正比

      增壓器流道阻塞的直接后果之一就是會增加氣流在系統中的阻力。柴油機運行時，增壓系統的氣體流動路線是：壓氣機進口濾器和消音器→壓氣機葉輪→壓氣機擴壓器→空氣冷卻器→掃氣箱→柴油機掃氣口→排氣閥→排氣管→廢氣渦輪噴嘴環→廢氣渦輪葉輪→廢氣鍋爐→煙囪。其中各組成部分的流通面積都是固定的。

      若上述流動路線中任一環節發生堵塞，如臟污、結碳、變形等，都會因流阻增大使壓氣機背壓升高，流量減少，引起喘振。其中容易臟污的部件是壓氣機進口濾器、壓氣機葉輪和擴壓器、空氣冷卻器、柴油機掃氣口和排氣閥、廢氣渦輪噴嘴環、廢氣渦輪葉輪。通常情況下，渦輪增壓器氣流通道的阻塞是造成其喘振的主要原因。

2、造成壓氣機喘振的主要原因

（1）柴油發電機緊急熄火或突然卸載。

（2）大氣溫度變化引起喘振。在夏季對增壓器進行配合試驗，在冬季有可能發生喘振，這是因為氣溫變化使工作點發生變化引起的。

（3）壓氣機臟污，特別是葉片擴壓器臟污。

（4）一臺發動機裝置兩臺增壓器，共用一根進氣總管，當一缸不工作時，即可引起壓氣機喘振。

 

圖3 渦輪增壓器等軸視圖

圖4  增壓器壓氣機流量變化時空氣在葉輪前緣流動情況

 

三、增壓壓力過高的主要原因

 

      一般來說，進氣壓力過高不是增壓器本身的問題，而是由發動機引起的，其主要原因有：

1、排氣閥漏氣，圖5和圖6示意了渦輪增壓器排氣泄壓閥關閉和打開的情況。

2、由于發動機噴油正時不當或其他原因造成補燃期過長，使驅動渦輪的熱能增加，轉速上升，進氣壓力提高。

3、渦輪增壓器使用時間較長，清理積碳不及時或增壓柴油機燃燒不良，積碳嚴重，使噴嘴、渦輪通道阻塞，因此增壓器轉速升高。

4、增壓柴油機噴油泵調速器失靈，或者排氣閥密封不嚴排氣泄漏，均會引起渦輪增壓器轉速增高，增壓壓力提高。

5、增壓柴油機超速、超負荷，供油量增大，也會使渦輪增壓器轉速增高。

 

圖5 渦輪增壓器排氣泄壓閥打開

圖6 渦輪增壓器排氣泄壓閥關閉

 

 

四、異響的主要原因

 

      這種故障多數是由于轉子與殼體發生碰撞而產生的。由于轉子與殼體裝配間隙較小，如果安裝調整不當或軸承嚴重損壞，或轉子葉片變形，均可能發生碰擦。

1、渦輪增壓器損壞，金屬摩擦產生的異響；

2、進、排氣管漏氣，或者中冷器有裂縫，帶壓氣體泄露；

3、旁通閥皮膜破裂，氣體泄露；

4、殼體內壁有毛刺或凸瘤，高速氣流流經產生的異響；

5、渦輪增壓器擴壓段積污；

6、葉輪表面積污，氣流流通不暢。

 

五、潤滑油回油溫度過高（超過105℃）的主要原因

 

      增壓器機油回油溫度一般應低于90～120℃（因機型不同而異），溫度過高的原因有

1、機油量減少，油壓太低低于200kPa；

2、潤滑系中有漏油現象，使軸承機油量減少；

3、回油管路阻塞，使回油不暢通；

4、機油散熱不良，渦輪端密封裝置失效，高溫燃氣進入機油腔，導致渦輪增壓器溫度過高。

5、軸承損壞。

 

六、漏油的主要原因

 

      廢氣渦輪增壓器采用強制潤滑方式，為了不使機油泄漏，在浮動軸承兩端設置有活塞環式密封環。因壓氣機密封裝置靠近葉輪邊是低壓區，容易產生漏油故障，其主要原因有：

1、空氣過濾器太臟或堵塞

      當空氣濾清器因灰塵過多或其他原因供氣不良時，壓縮機進氣口的負壓會過高，使壓縮機一端的內部壓力高于外部壓力，油在壓差的作用下從進氣管流出。一端流出。

2、浮動軸承磨損

      如果長時間不換油或空氣濾清器失效，過多的灰塵會進入增壓器，浮動軸承磨損嚴重，導致軸承間隙過大，油膜不穩定。在高速行駛時，增壓器很快就會變得不平衡。轉子軸系振動加劇，破壞兩端密封，造成潤滑油泄漏。

3、長期低負荷造成增壓器漏油

      當發動機長時間低負荷時，渦輪增壓器渦輪和壓氣機葉輪后面會產生負壓，使流出浮動軸承的油在壓差的作用下漏出。

4、回油不良

      當機油流出增壓器浮動軸承時，靠自身重力流回油底殼。但當回油管變形或堵塞，或曲軸箱內排氣壓力過大導致回油管有壓力時，從浮動軸承流出的油不會順利流回油底殼，并且將從轉子軸沿轉子軸流出。兩端密封圈流出，造成漏油。

 

七、增壓器突然停止運轉

 

      產生此故障的主要原因有：

（1）浮動軸承因缺油潤滑不良被燒蝕抱死，使轉子軸不能旋轉；

（2）有異物進入增壓器殼體內，將渦輪或壓氣機葉輪的葉片打壞，致使葉片被卡死在殼體內。此時，須更換增壓器。

（3）渦輪本體壽命到期。

（4）冷卻系統出現故障，導致渦輪溫度過高，損壞渦輪本體。需要對渦輪增壓器進行更換。

（5）發動機缸體出現破損，導致燒機油，影響渦輪。

 

八、發動機下排氣（廢氣大）

 

      產生廢氣大故障的主要原因是操作方法不當，使柴油發動機突然熄火。此刻機油泵立即停止工作，機油停止流動，而增壓器的轉子軸因慣性仍然繼續高速旋轉，轉子軸與浮動軸承處于半干摩擦狀態，殘留在機油管的機油溫度升高，油膜變薄和燒焦，使浮動軸承和密封環過快磨損，導致發動機排出的廢氣經渦輪增壓器潤滑油道進入發動機油底殼，通過呼吸帽的排氣管排出，即柴油機下排氣。發動機負荷越大，下排氣越重，此時應拆檢或更換增壓器。

 

總結：

      為了確保增壓器穩定工作，日常應保持合適的油面高度，定期清洗集濾器和機油濾清器。金屬繞線式濾清器清洗后，檢查濾芯上的銅絲有無松動或破損，若有損壞可用錫焊補好，但修補面不得超過5c耐。若油路進入空氣，油壓表指針會左右擺動，此時拆開油路接頭檢查，會發現有氣泡冒出，要更換有關密封墊，排除漏氣、漏油故障。 若油底殼內的機油量增多時，除查明漏水、漏柴油的原因加以排除外，還應及時更換機油。

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