□ 劉 剛1 □ 智廣信

1.大連中遠海運川崎船舶工程有限公司 遼寧大連 116052 2.中國船舶工業(yè)綜合技術經(jīng)濟研究院 北京 100089

1 增壓器概述

船用主機是船舶動力的來源,是全船的“心臟”。船用主機一般由主動力裝置、輔助動力裝置、其它輔機和設備組成。如何充分、高效利用能量，是工程師一直關注的問題。利用主機的廢氣增壓，是提高船用主機功率的有效途徑。增壓器是提高主機功率和減少廢氣排放的重要機件,如同是主機的“肺”,利用主機排出的高溫廢氣慣性沖力來推動渦輪室內的渦輪葉片,渦輪帶動同軸的葉輪轉動,葉輪上的壓氣葉片壓送空氣,使空氣增壓進入氣缸[1]。增壓器結構如圖1所示。增壓器利用廢氣能量,不僅改善了主機工作過程,降低了油耗,而且解決了廢氣排放問題。由于使用、維護和保養(yǎng)不當,增壓器易發(fā)生故障,導致主機不能正常工作[2]。筆者針對某營運的61 000 t散貨輪主機增壓器故障，進行原因分析，確認導致故障發(fā)生的主要原因,并提出實用有效的改進措施。

2 增壓器故障情況

某61 000 t散貨輪交付營運不久,主機增壓器就發(fā)生明顯故障。經(jīng)船廠和主機廠工程師拆檢，發(fā)現(xiàn)壓氣葉片、渦輪葉片、噴嘴環(huán)及軸承組件等均有不同程度的損壞,如圖2所示。

圖1 增壓器結構

圖2 第一次故障情況

由于該船剛交付不久,因此采取的應對策略為對相關損壞部件進行更換處理。更換后試車一切正常,該船再次開航。但第一次故障修復僅僅半個月后,增壓器再次出現(xiàn)故障。工程師發(fā)現(xiàn)部件損壞狀況與第一次完全一樣,如圖3所示。針對故障，船廠聯(lián)合多方進行原因分析,由經(jīng)驗數(shù)據(jù)、理論及有限元計算來判斷故障發(fā)生的原因。

圖3 第二次故障情況

3 原因分析

現(xiàn)代船舶主機幾乎全部采用廢氣渦輪增壓技術來提高柴油機功率,喘振是船舶主機增壓器的常見故障之一[3]。該船主機增壓器兩次損壞時的現(xiàn)象完全一致,即主機正常運行時增壓器突然喘振,繼而轉速急劇降低。

增壓器是一種在高溫環(huán)境中高速旋轉的機械,正確安裝及按科學合理的規(guī)程進行維護、使用，對延長使用壽命、減少故障具有非常重要的作用。針對此次故障,工程師打開增壓器，發(fā)現(xiàn)轉子竄動導致壓氣葉片與罩殼刮擦,噴嘴環(huán)損壞,渦輪葉片殘缺不全。其中,渦輪葉片根部斷裂需重點關注,因為第一次故障時有兩片渦輪葉片從根部斷裂,第二次故障時有一片渦輪葉片從根部斷裂,初步判斷渦輪葉片根部斷裂引起的動平衡失穩(wěn)是轉子竄動的主要原因。查明渦輪葉片從根部斷裂的原因,是本次增壓器故障原因分析的關鍵。筆者通過數(shù)據(jù)收集、理論及有限元計算,根據(jù)相關工程經(jīng)驗,進行斷裂面分析、主機運行數(shù)據(jù)分析、渦輪葉片材質確認、渦輪葉片尺寸確認、渦輪葉片生產(chǎn)工藝確認。

3.1 斷裂面分析

一般情況下,侵蝕或渦輪葉片損壞會使渦輪葉片頂部與噴嘴環(huán)罩間的配合間隙增大,引起渦輪效率降低,導致流經(jīng)壓氣機的氣體流量減小,進而發(fā)生喘振[4]。葉片斷裂主要是外來活塞環(huán)折斷碎片、其它金屬碎物等沖入渦輪中造成的，這些碎物沖擊使增壓器產(chǎn)生強烈振動和噪聲。為了確認斷裂原因,筆者對斷裂面進行分析。通過斷裂面特征分析，可以確認斷裂起始點、斷裂性質等,對于故障原因分析至關重要。渦輪盤沿圓周均布41個杉樹形槽,將根部為倒杉樹形的葉片插入杉樹形槽內，實現(xiàn)高精度配合。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn),兩次損壞故障中斷裂的不是葉片,而是杉樹形槽根部。

對故障殘片進行實物斷面分析,分別選取兩次損壞的典型斷裂葉片，利用掃描電子顯微鏡對斷裂殘片進行觀察,葉片損壞情況如圖4所示。

圖4 葉片損壞情況

前后兩次故障中，葉片斷裂位置、斷裂形態(tài)都是一致的，斷裂起始點都在杉樹形第一凹槽處,如圖5所示。

圖5 斷裂起始點

根據(jù)斷面分析結果和實際調查情況，得到的初步結論是根部斷裂源于疲勞裂紋。船舶出現(xiàn)疲勞裂紋的原因判斷是振動，渦輪葉片的振動主要是動荷振動[5]。

增壓器正常運轉時,渦輪葉片的激振受噴嘴環(huán)控制,即噴嘴環(huán)導流葉片數(shù)量決定了渦輪葉片的激振頻率。該增壓器噴嘴環(huán)有27個導流葉片。

渦輪葉片的激振頻率與增壓器轉速有關,即渦輪葉片在噴嘴環(huán)導流葉片處的通過頻率取決于增壓器轉速。

通過設備商現(xiàn)存的相似型式增壓器按比例導出坎貝爾圖，如圖6所示。渦輪葉片激振頻率與渦輪葉片四階固有頻率在增壓器轉速為16 840 r/min時匹配,即在這一轉速下渦輪葉片會發(fā)生共振。

圖6 增壓器坎貝爾圖

筆者建立渦輪葉片有限元模型,包括葉冠、葉身、下緣板、榫頭四部分。通過ANSYS模態(tài)分析功能進行固有頻率計算[6],并結合工程經(jīng)驗,按渦輪葉片四階固有頻率模態(tài)進行瞬態(tài)有限元分析，如圖7所示。計算得出應力分布趨勢。與故障現(xiàn)場殘片對照，確認計算結果與實際裂紋位置相吻合，由此驗證共振是裂紋產(chǎn)生的原因之一。

3.2 主機運行數(shù)據(jù)分析

從故障船上導出第一次故障修復后至第二次故障發(fā)生前主機運行數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)增壓器共有約60 h在渦輪葉片四階共振危險轉速16 500～17 300 r/min區(qū)間內運行，如圖8所示。這進一步驗證了導致渦輪葉片斷裂的疲勞裂紋由共振引起。

3.3 渦輪葉片材質和尺寸確認

對振動和斷面分析觀察后,初步確定導致本次故障的原因是共振。為進一步驗證判斷的可靠性,需要對渦輪葉片材質和尺寸進行確認。渦輪葉片材質和尺寸既要滿足渦輪產(chǎn)品的性能要求,又要與仿真分析時的定義一致。

取樣葉片材料,經(jīng)專業(yè)材質分析部門分析，結果顯示材料滿足鈮錳合金成分要求。

裂紋區(qū)截面如圖9所示,圖紙要求斷裂葉片的實際測量尺寸見表1。結果顯示，斷裂葉片的實際尺寸滿足圖紙要求。

3.4 渦輪葉片生產(chǎn)工藝確認

在工程上，增壓器的渦輪葉片經(jīng)鍛造加工而成。為滿足渦輪葉片在高溫高壓下的疲勞強度,一般經(jīng)鍛造加工后采取噴丸硬化的方式來進一步提高葉片的疲勞強度,減小葉片上的應力集中[7]。通過掃描電子顯微鏡對斷裂殘片進行觀察,確認葉片斷裂處的噴丸效果,如圖10所示。

圖8 增壓器運行情況

表1 斷裂葉片尺寸 mm

為進一步了解渦輪葉片的物理、化學特性,保證本次故障有效處理,筆者對渦輪制造商的自動噴丸生產(chǎn)線進行調查研究。對噴丸直徑0.4 mm、洛氏硬度(HRC) 58項目進行檢查,當次結果顯示實際直徑為0.4～0.5 mm，洛氏硬度(HRC)為58～60。實際噴丸直徑如圖11所示。對噴丸處理覆蓋率進行檢查,當次結果顯示良好。噴丸前后葉片照片如圖12所示。對噴丸粗糙度Ra不大于1.6 μm項目通過對自動噴丸生產(chǎn)線檢查分析,確認自動化噴丸生產(chǎn)線達到了葉片全表面噴丸效果的一致性。對于圖10中兩個斷裂樣品,除位置②,其它位置噴丸效果良好且一致。圖10中位置②相比其它位置,噴丸痕跡不太明顯。位置②位于斷裂起始處,根據(jù)分析結果判斷，該處因強烈振動沖擊導致噴丸痕跡磨損變淺。

圖9 裂紋區(qū)截面

圖10 葉片斷裂處噴丸效果

圖11 實際噴丸直徑

圖12 噴丸前后葉片照片

進行檢查,當次結果顯示粗糙度Ra為1.15～1.52 μm,如圖13所示。最后對渦輪葉片進行整體目視檢查,結果顯示良好,如圖14所示。

圖13 噴丸粗糙度檢查結果

圖14 渦輪葉片目視檢查結果

3.5 分析結論

從四方面進行原因分析,確定兩次故障中渦輪葉片的斷裂屬于疲勞斷裂,斷裂起始位置與渦輪葉片四階固有頻率共振相匹配,且增壓器曾在共振危險轉速區(qū)間運行較長時間。另一方面,渦輪葉片的材質、尺寸及生產(chǎn)工藝都滿足設計要求與標準[8]，由此推斷增壓器兩次故障的根本原因是渦輪葉片因共振而斷裂。

4 改進措施

4.1 臨時改進措施

第二次故障發(fā)生后,增壓器損壞部件再次更換,但是這些部件并未做任何改良。臨時改進措施為，控制增壓器轉速不能進入16 500～17 300 r/min區(qū)間,相應主機功率不能進入78%～93%普通轉速區(qū)間,以避免渦輪葉片發(fā)生共振,直至永久糾正措施落實。增壓器轉速與主機功率的關系曲線如圖15所示。

4.2 永久糾正措施

由于渦輪葉片的激振受噴嘴環(huán)控制,因此考慮從噴嘴環(huán)入手來解決振動裂紋問題。噴嘴環(huán)對渦輪葉片的激振原理是,當不穩(wěn)定廢氣流經(jīng)過噴嘴環(huán)導流葉片后緣時,會產(chǎn)生作用于渦輪葉片的周期性壓力波動[9]。增加噴嘴環(huán)導流葉片數(shù)量，可以直接改變渦輪葉片的激振頻率,從而使渦輪葉片的共振點出現(xiàn)在非常用轉速區(qū)間內[10]。與此同時,需要保持噴嘴環(huán)導流葉片橫截面積不變,因為只有這樣才能不改變增壓器的熱力運行狀態(tài),不必重新申請國際海事組織排放證書。

圖15 增壓器轉速與主機功率關系曲線

原噴嘴環(huán)導流葉片數(shù)量是27,選擇三種方案,分別是30、34、39。對這三種噴嘴環(huán)建模并進行有限元分析,確認采用34個導流葉片的噴嘴環(huán)時，渦輪葉片各模態(tài)下的動載荷最小。因此最終將導流葉片的數(shù)量從27增加到34。

5 改進效果驗證

在增壓器換上34個導流葉片的噴嘴環(huán)后，三個月內增壓器在轉速16 500～17 300 r/min區(qū)間內運行200 h,打開增壓器檢查渦輪葉片,無裂紋，如圖16所示,驗證永久糾正措施有效。

6 結束語

主機增壓器是船舶維持正常營運的關鍵部件,故障種類較多[11]。筆者對某營運中的61 000 t散貨輪主機增壓器故障進行原因分析,利用相關工程經(jīng)驗、計算模型及數(shù)據(jù),從斷裂面分析、主機運行數(shù)據(jù)分析、渦輪葉片材質和尺寸確認、渦輪葉片生產(chǎn)工藝確認等方面,確認了增壓器損壞的原因,并提出了針對性改進措施。改進措施經(jīng)過實船驗證有效,為增壓器故障排查解決提供了思路和參考方案。