焦宇飛，李 雷，徐百匯,郎勇智，梁前超

(1.海軍某裝備部，浙江 寧波 210000;2.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 4300333.大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116000)

某船渦輪增壓器爆燃事故的診斷與預(yù)防

焦宇飛1，李 雷2，徐百匯1,郎勇智3，梁前超2

(1.海軍某裝備部，浙江 寧波 210000;2.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 4300333.大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116000)

針對(duì)某船渦輪增壓器因發(fā)生突然爆燃事故而損壞，從理論上計(jì)算并結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際分析了故障產(chǎn)生的原因和機(jī)理，提出了預(yù)防該船渦輪增壓器爆燃事故有效方法和措施。經(jīng)過(guò)近4 000 h的實(shí)際增壓系統(tǒng)運(yùn)行且預(yù)防措施到位，有效地防止了該型號(hào)增壓器爆燃事故的發(fā)生。

渦輪增壓器;發(fā)動(dòng)機(jī)；爆燃；預(yù)防

1 渦輪增壓器故障情況

某船在啟動(dòng)主機(jī)時(shí), 渦輪增壓器出現(xiàn)報(bào)警,同時(shí)聽(tīng)到機(jī)艙發(fā)出異常響聲,經(jīng)過(guò)詳細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)A列渦輪增壓器因?yàn)橹鞑裼蜋C(jī)爆燃而損壞。

該船主柴油機(jī)爆燃，造成A列渦輪增壓器燃?xì)膺M(jìn)氣殼與燃?xì)馀艢鈿みB接法蘭360°全部斷裂(見(jiàn)圖1)，并向柴油機(jī)排氣管外側(cè)移動(dòng)約100 mm；燃?xì)馀艢鈿こ隹谶B接方圓接頭的D12螺栓24根全部震斷，方法蘭和圓法蘭完全變形，膨脹節(jié)損壞；壓氣機(jī)的排氣殼360°開(kāi)裂、裂縫間隙為10 mm(見(jiàn)圖2)。

2 渦輪增壓器拆解

拆解增壓器后發(fā)現(xiàn)燃?xì)馀艢鈿づc燃?xì)馀艢鈿みB接法蘭360°斷裂(見(jiàn)圖1)；壓氣機(jī)排氣殼與燃?xì)馀艢鈿みB接側(cè)360°斷裂(見(jiàn)圖2)；增壓器轉(zhuǎn)子渦輪端軸彎曲，動(dòng)葉片已松動(dòng)，中間隔墻270°斷裂，軸保護(hù)套損壞，壓氣機(jī)葉輪和導(dǎo)風(fēng)輪葉片彎曲，整根轉(zhuǎn)子報(bào)廢(見(jiàn)圖3)；壓氣機(jī)擴(kuò)壓器葉輪彎曲(見(jiàn)圖4)；壓氣機(jī)進(jìn)氣殼油池有裂縫(見(jiàn)圖5)；壓氣機(jī)葉片罩殼法蘭斷裂(見(jiàn)圖6)；壓氣機(jī)端和渦輪的軸承已全部損壞(見(jiàn)圖7)。

圖1 渦輪增壓器進(jìn)氣排殼斷裂

圖2 壓氣機(jī)的排氣殼開(kāi)裂

圖3 渦輪增壓器整根轉(zhuǎn)子報(bào)廢

圖4 壓氣機(jī)擴(kuò)壓器葉輪彎曲

圖5 壓氣機(jī)進(jìn)氣殼油池有裂縫

圖6 壓氣機(jī)葉片罩殼法蘭斷裂

圖7 軸承損壞

3 故障分析及可靠性計(jì)算

爆燃的定義是[1-2]當(dāng)高壓噴油器噴入的高熱量燃料進(jìn)入燃燒室后，發(fā)散為許多小的油滴，經(jīng)過(guò)不斷地蒸發(fā)、擴(kuò)散并且與空氣混合等物理準(zhǔn)備及分解氧化等化學(xué)準(zhǔn)備階段后發(fā)生不規(guī)律或不可控制的自燃。

混合氣著火的2個(gè)條件是混合氣濃度和溫度。同時(shí)滿足2個(gè)條件時(shí)缸內(nèi)的區(qū)域?yàn)槎帱c(diǎn)自燃且發(fā)火位置隨循環(huán)不同而不同，著火延遲期內(nèi)噴入汽缸形成可燃混合氣的燃料一起燃燒造成汽缸壓力急劇升高，當(dāng)壓力升高率大于0.4 MPa/°CA時(shí)就是爆燃現(xiàn)象。產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象的主要原因有如下幾點(diǎn)。

1)燃燒室內(nèi)積碳聚集過(guò)多，高壓噴油器熾熱提前燃燒導(dǎo)致其容積相對(duì)變小，致使壓縮比相應(yīng)變大，積碳的蓄熱和不導(dǎo)熱性使可燃混合氣由于熾熱提前燃燒，同時(shí)會(huì)降低混合氣在壓縮終了時(shí)產(chǎn)生的渦流強(qiáng)度，延長(zhǎng)了燃燒時(shí)間，增大了自燃傾向。

2)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，當(dāng)過(guò)熱故障較嚴(yán)重且得不到及時(shí)改善時(shí)，可燃混合氣在進(jìn)入燃燒室的同時(shí)會(huì)被預(yù)熱，造成局部混合氣溫度過(guò)高，從而引發(fā)爆燃。

3)高壓噴油器燃油使用不當(dāng),噴入燃燒室的油量過(guò)多。汽缸內(nèi)壓力上升太快時(shí)就會(huì)發(fā)生爆燃現(xiàn)象，所以油的十六烷值在40～50之間比較合適。

4)高壓泵和噴油器的供油時(shí)間發(fā)生過(guò)早和過(guò)量現(xiàn)象。噴油器將過(guò)量的燃料噴入壓力和溫度都不夠高的壓縮空氣中，延遲期增長(zhǎng)導(dǎo)致工作粗暴、油耗增高和功率下降。

5)噴油提前角不準(zhǔn)確時(shí)柴油機(jī)性能嚴(yán)重下降。噴油延續(xù)角小則噴油速度過(guò)快也會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)工作粗暴。

從以上1)、3)、4)、5)幾個(gè)方面可以看出, 高壓泵及噴油器的故障是其故障的主要原因,因此進(jìn)行可靠性分析研究非常重要?？煽啃杂?jì)算及分析：零部件的故障分布雖有多種多樣，但常見(jiàn)的是指數(shù)分布、正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布和威布爾分布。因?yàn)橥紶柟收戏植及顺Ｒ?jiàn)的幾種形式分布，所以可以重點(diǎn)研究威布爾分布對(duì)艦船故障的影響,利用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性評(píng)估時(shí)，可以用兩參數(shù)的威爾分布[3-4]處理并用最小二乘法(線性估計(jì)法)進(jìn)行分布假設(shè)檢驗(yàn)和參數(shù)估計(jì)。

式中：t0為尺度參數(shù)；m為形狀參數(shù)，m=1時(shí)，(t)為指數(shù)分布，m≥3.25時(shí)為正常分布(近似)。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理采用殘存比率法計(jì)算有關(guān)指標(biāo)：

1)失效比率X(ti+1),X(ti+1)=Δti+1內(nèi)失效的樣本數(shù)/ti時(shí)刻殘存的樣本數(shù)。

2)殘存比率S(ti+1)=1-X(ti+1)。

3)可靠度R(ti)=ΠS(ti)。

4)Xi=ln(ti)。

5)Yi=lnln [ 1/R(ti)]。

采用最小二乘法，將威布爾分布函數(shù)R(t)=exp(-tm/to)取二次對(duì)數(shù)后變?yōu)閅=bX+A形式，其中，X,Y計(jì)算對(duì)于設(shè)備一級(jí)產(chǎn)品采用如上4)、5)的公式計(jì)算， 對(duì)于機(jī)件一級(jí)產(chǎn)品則應(yīng)按相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算收集了13臺(tái)同類型機(jī)器的同類型故障數(shù)據(jù)，分類統(tǒng)計(jì)計(jì)算后，得到的結(jié)果如圖8和圖9。計(jì)算機(jī)程序可以自動(dòng)計(jì)算可靠性各參數(shù)值并分析檢驗(yàn)分布結(jié)果。圖8為實(shí)際故障數(shù)據(jù)為指數(shù)分布的曲線，圖9為實(shí)際故障數(shù)據(jù)為威布爾分布的曲線。

圖8 實(shí)際故障數(shù)據(jù)為指數(shù)分布圖

圖9 實(shí)際故障數(shù)據(jù)為威布爾分布圖

可靠性軟件包計(jì)算出的威布爾分布參數(shù)，可以按下列公式計(jì)算常用的可靠性參數(shù)。

1)可靠度：R(t)=exp(-tm/to) 。

2)失效率：λ(t)=(m/to)tm-1。

3)平均壽命：MTBF=ηΓ(1+1/m)。

4)壽命方差：D(t)=η2[Γ(1+2/m)-Γ23(1+1/m)]。

5)可靠壽命：ρr=η(-lnR)1/m。

6)中位壽命：ρ0.5=η(ln1/2)1/m。

7)特征壽命：η=(t0)1/m。

計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)計(jì)算各參數(shù)值，并進(jìn)行參數(shù)估計(jì)后的檢驗(yàn)，作出檢驗(yàn)結(jié)果是或不是該分布，結(jié)果如下。

1)某高壓泵及噴油器故障分布服從威布爾,其參數(shù)估計(jì)值為：m=1.123 4，n=5 823。

由此可見(jiàn)，高壓泵及噴油器故障間隔規(guī)律也十分接近指數(shù)分布。

2)估計(jì)值為：MTBF=9 925.71 h,Ra0.99=831.930,Ra0.90=2 925.303 h,Ra0.08=16 217.688 h。

根據(jù)計(jì)算結(jié)論, 高壓泵及噴油器的故障間隔為9 925 h。我們提出在一定程度的保障容余及安全系數(shù)條件下的4 000 h安全檢查措施。也就是說(shuō)必須在此期間進(jìn)行檢查,防止渦輪增壓器爆燃事故發(fā)生。通過(guò)討論分析爆燃點(diǎn)的部位在增壓器燃?xì)馀艢鈿で岸沃行?，爆燃后的爆炸力向增壓器兩?cè)及排氣殼出口煙囪擴(kuò)散，力量太大使增壓器各部件全都報(bào)廢。

4 預(yù)防渦輪增壓器爆燃的可靠性保障措施

從理論上分析故障產(chǎn)生的原因和機(jī)理出發(fā)[5-6]：柴油機(jī)燃燒室內(nèi)積碳聚集過(guò)多，導(dǎo)致混合氣由于熾熱提前燃燒突然爆燃損壞、發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱造成局部混合氣溫度過(guò)高，從而引發(fā)爆燃、燃油使用不當(dāng)導(dǎo)致工作粗暴、供油時(shí)間過(guò)早及噴油提前角不當(dāng)導(dǎo)致柴油機(jī)工作粗暴等。針對(duì)以上幾點(diǎn)意見(jiàn)提出預(yù)防柴油機(jī)爆燃措施主要有以下幾點(diǎn)。

1)及時(shí)清除燃燒室內(nèi)積碳。

2)提高冷卻系統(tǒng)的冷卻功能。對(duì)高溫的排放系統(tǒng)采取隔熱措施，降低高溫排放系統(tǒng)對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響；改善機(jī)艙的通風(fēng)換氣能力。

3)使用合適的燃油。

4)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整供油時(shí)間。

5)調(diào)整供油提前角滿足說(shuō)明書規(guī)定的正確值。使用工廠規(guī)定的專門的調(diào)整方法，得到柴油機(jī)噴油泵的正確供油提前角。

5 結(jié)束語(yǔ)

1) 理論上分析了渦輪增壓器因發(fā)生突然爆燃損壞的成因。從理論上分析了故障產(chǎn)生的原因和機(jī)理：①柴油機(jī)燃燒室內(nèi)積碳聚集過(guò)多，導(dǎo)致混合氣由于熾熱提前燃燒，增大了突然爆燃損壞的可能性；②發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱造成局部混合氣溫度過(guò)高，從而引發(fā)爆燃；③燃油使用不當(dāng)導(dǎo)致汽缸內(nèi)壓力上升過(guò)快，工作粗暴；④供油時(shí)間過(guò)早導(dǎo)致柴油機(jī)工作粗暴；⑤噴油提前角不當(dāng)導(dǎo)致柴油機(jī)工作粗暴。

2)提出了預(yù)防某船渦輪增壓器爆燃事故有效方法和措施。聯(lián)系實(shí)際系統(tǒng)并及時(shí)清除燃燒室內(nèi)積碳、提高冷卻系統(tǒng)的冷卻功能、對(duì)高溫的排放系統(tǒng)采取隔熱措施、嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整供油時(shí)間及供油提前角。

3)在一定程度的保障容余度及安全系數(shù)條件下的4 000 h安全檢查措施，也就是說(shuō)必須在此期間進(jìn)行檢查,防止渦輪增壓器爆燃事故發(fā)生，經(jīng)過(guò)4 000 h的實(shí)際增壓系統(tǒng)運(yùn)行，預(yù)防措施到位，有效地防止了該型號(hào)的增壓器的爆燃事故的發(fā)生。

[1] 顧卓明.輪機(jī)維護(hù)與修理[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] 蔣世明，何果龍.某船用主機(jī)連續(xù)拉缸的故障分析及其預(yù)防措施[J].中國(guó)修船，2009(3):17-19.

[3] 陳冠國(guó).機(jī)械設(shè)備維修[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[4] Kytatos,N.P.,Theotokatos,G.and Xiros, N.I..Main Engine Control for Heavy Weather Conditions[C].ISME 6th International Symposium on Marine Engineering. Tokyo,Japan: October 23-27,2000.

[5]Xiros, N.I. and Kyrtatos, N.P.. A Neural Predictor of Propeller Load Demand for Improved Control of Diesel Ship Propulsion[C].15th IEEE/ISIC 2000 International Symposium on Intelligent Control Engineering.Patras , Greece: July 17-19,2000.

[6]Kyrtatos, N.P., Theotokatos, G., Xiros, N.I.,et al. Transient Operation of Large-bore Two-stroke Marine Diesel Engine Powerplants: Measurements & Simulations[C].23rd CIMAC Congress. Hamburg: May 7-10,2001.

To the damage of turbocharger because of diesel exploding combustion,the reason is analyzed to propose precaution in the theoretical contribution.And the effective action and method have been put forward.Turbocharger has been taken to work on the system in nearly 4 000 h,which proposes the proper prevention for the exploding combustion fault.

turbocharger;engine;exploding combustion;prevention

焦宇飛(1961-)，江蘇揚(yáng)州人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事現(xiàn)代熱力學(xué)及動(dòng)力裝置的研究工作。

U672；TK12

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.01.004

2015-10-21