柴油机涡轮增压器喘振的分析及排除教学内容.doc

柴油机涡轮增压器喘振的分析及排除

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大连交通大学成人教育学院

毕业论文(设计)

题目柴油机涡轮增压器喘振的原因分析及排除

铁道机车车辆专 业

学生姓名刘杨 班级
指导老师 职称(务)
指导单位
教研室主任

完成日期 年 月 日

大连交通大学成人教育学院

毕业论文(设计)评阅书

学生姓名刘杨 班级
题目柴油机涡轮增压器喘振的原因分析及排除

指导老师 职称(务)
指导单位
教研室主任
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年 月 日
大连交通大学成人教育学院

毕业论文(设计)

题目柴油机涡轮增压器喘振的原因分析及排除

起止日期 年 月 日至 年 月 日

学生姓名刘杨 班级
指导老师 职称(务)
指导单位
教研室主任

日期 年 月 日

任务及要求

1．在查阅分析资料的基础上确定论文研究的主要内容及论文提纲
2.对我国铁路东风型内燃机车废气涡轮增压器喘振的原因进行分析
3.探讨影响我国铁路东风型内燃机车废气涡轮增压器喘振的具体原因及消除方法
4.提出消除东风型内燃机车废气涡轮增压器喘振的几点建议
5.论文要求内容详实、论据充分、条例清楚、结构严谨、有独立见解、有所创新，论文符合《大连交通大学成人教育学院毕业设计的要求》。

毕业设计（论文）内容

计：说明书（论文） 16 页
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完成日期 年 月 日

摘 要
增压是提高柴油机功率最主要、最有效的途径，随着增压压力的提高，柴油机的功率成比例提高，因此增压器一旦工作异常或发生故障对柴油机的工作性能影响很大。经调查发现，增压器故障在柴油机故障中所占比例正在逐年增大，而其中又以增压器的喘振最为常见，且危害巨大。本文即深入分析柴油机涡轮增压器的喘振故障，又对增压器的特性进行探讨，并且对增压器与柴油机的配合进行讨论，进而深入分析增压器喘振故障的理论原因，并给出一些实际情况中引起喘振的具体因素和相应的预防、排除方法。

关键词：柴油机涡轮增压器 喘振 分析 排除

目 录

第一章 引言································
第二章 增压器喘振原因的分析················
2.1 喘振的机理·························
2.2 增压器的配合及选配··················
第三章 影响增压器喘振的具体原因及消除方法··
3.1 系统阻力增加·························
3.2 增压器或柴油机本身故障········
3.3 运转中的增压器与柴油机暂时失配····
3.4 机车使用时对保护增压器的要求·····
第四章 几点建议··············
结 论··················
谢 辞··················
参考文献····················

第一章 引言

柴油机的功率决定于单位时间内喷进柴油机的燃油量及其转化效果(热效率)。为了确保燃油能够完全燃烧而转变成有效的机械功，必须向气缸送进与燃油量相适应的空气。如果把送入气缸的空气预先进行压缩增加空气密度，那么在相同气缸容积下，就可送入较多的空气，因此相应也就能燃烧更多的燃油，从而可以增加柴油机的功率。柴油机的功率随着增压压力的增加而成比例的提高，这是一个已经被生产实践所证实的事实。同时由于采用了废气涡轮增压，利用了废气的能量，柴油机的经济性进一步得到了提高。废气涡轮增压技术的发展使柴油机的性能得到了飞跃式的提高，柴油机的发展离不开增压技术的进步。在人们不断的努力之下，增压技术近年来有了长足的进步，能够在尽量高的增压比(提高的柴油机的功率)下获得较高的增压器效率，增压度越高，增压器的功率越大，增压系统的作用也就越重要，增压系统工作的优劣对柴油机性能的影响也就越来越大，或者说新型柴油机增压度越高，其性能的优劣越来越依赖于增压系统工作情况的优劣。
基于以上的分析的结论，我们可以发现，增压系统工作的好坏，直接影响着柴油机的工作乃至机车的正常运用。近些年来，机车上的涡轮增压器故障越来越令人关注，柴油机的损坏事故有20%是由涡轮增压器引起的。在废气涡轮增压器故障中，最常见的又是压气机的喘振、压气机叶轮材料的蠕变引起的损坏以及增压器轴承的损坏这三种了。其中又以压气机的喘振最容易发生也最为常见。本篇论文仅以此为题，通过对废气涡轮增压器喘振的具体原因及排除方法等几个方面的探讨研究，给出柴油机废气涡轮增压器喘振故障的解决方法。
第二章 增压器喘振原因的分析
2.1喘振的机理
喘振是指流体机械及其导管系统在特定的周期内，排出压力和排量发生变化时，流体和固体相互作用，引起的一种自激振动。喘体的大小与管子的容量成正比，增压器产生喘振的原因是压气机在某一小流量下工作，引起叶轮的扩压器的叶片通道内产生强烈的气流分离所致。现代涡轮增压器压气机大多采用带后弯式叶片的叶轮和机翼型叶片的扩压器，在叶片扩压器进口处，气流速度可分解成相互垂直的圆周分速和径向分速，当气流相对叶片的转速一定而流量变化时，气流的圆周分速可认为是不变的，径向分速是变化的，因此气流速度的大小和方向都随径向分速而发生变化。理论研究指出，压气机流量大于或小于设计流量时均在压气机通流部分产生不正常流动，设计流量情况下，气流进入叶轮的方向对准叶片中心线，无撞击，压气机运行顺畅。当流量大于设计流量时，气流冲击叶轮进口端叶片的凸面而在凹面发生气流分离现象。但由于叶片向前转动，其凹面压向气流使这种分离现象减弱，因而除了降低压气机效率外不会引起压气机喘振。但当流量小于设计流量时，气流将冲击叶轮进口端叶片的凹面，在凸面产生气流分离。由于叶片向前转动，进一步扩大了这种分离现象，这种气流分离的加剧，使压气机内的压力低于发动机进气管道内的压力而产生瞬时倒流现象，接着气流又在叶轮的作用下正向流动，由于流量过小和气流分离区的继续扩大而使倒流反复产生，气流强烈脉动，噪声加剧而产生喘振。
2.2增压器的配合及选配
当柴油机在不同工况下运行时，相应每一个工况，柴油机需要一定的空气量和压力，此空气量和压力将由压气机供给。将各个工况下所需的空气量和压力绘制在压气机的特性图上，即得柴油机和压气机的配合工作线。良好的配合应保证柴油机的运行线处在机压气特性线的高效率区，并且不发生喘振、超速和阻塞等现象。而一旦压气机与柴油机的配合不当，则要么发生喘振，要么柴油机无法高效率运行。
第三章 影响增压器喘振的具体原因及消除方法
3.1系统阻力增加
柴油机运行时，整个增压系统形成了一个气体的流道。气体的流动路线是：进气滤网一空气冷却器一扫气箱(或进气管)一气缸(包括燃烧室主进、排气阀)一排气管一废气涡轮一烟囱(或予热锅炉与消声器)。在上述流动路线中，压气机经过滤网从大气中吸人空气，把从废气涡轮得到的机械功加给空气使其压力提高，向气缸提供燃烧所需的空气，然后又在涡轮中进一步膨胀并排出。气流流过每一部件时都会产生阻力损失，压力均有下降，这是正常的。但是当上述流动的路线中的任一环节，若因污染、积垢严重或其它阻塞因素增加，压气机的负担就会增加，流量减少，使联合运行工况接近喘振线。其中最容易赃污的部件是进气滤网、压气机叶轮与扩压器、空气冷却器和涡轮、流道等。
3.1.1压气机因进口滤网污垢积累阻塞。它不仅会使压气机的进气阻力增大，供气量减少，压缩比降低，而且导致柴油机排温上升，增压器转速随之上升，容易引起超速和喘振。消除方法：清洗或者换新进口滤网。
3.1.2消音器的羊毛毡松脱，对空气的流动阻力增大，导致流经压气机的空气流量减少而发生喘振。消除方法：将松脱的羊毛毡重新铆好。
3.1.3压气机和扩压器叶片严重积垢。增压器工作一段时间后，工作叶轮以及扩压器叶片上常累积一些污垢，厚度可达0．5～1．5mm。这时，在同样转速下，压气机的效率和压缩比都将降低。一方面，因阻力增加而使流量向减少的方向发展：另一方面，又因效率下降使同样转速下的压缩比下降而影响压气机的流量特性。综上所述，积垢严重到一定程度时，将使运行线左移而使工作点进入喘振区，产生喘振。消除方法：定期做好涡轮增压器的常规检修，之后严格按要求做好柴油机运行当中对涡轮和压气机的清洗工作。
3.1.4空气冷却器脏堵，对气流的流动阻力增大，使压气机背压升高，同时流经压气机的空气流量也减小而发生喘振。消除方法：对空气冷却器空气面进行化学清洗，清除脏物。
3.1.5气缸进排气口积碳和油污等造成气口气流面积减小。这将使流阻增大。致使压气机的空气流量减小而发生喘振。消除方法：定期清除进排气口的积碳和污物，确保气流畅通。
3.1.6涡轮机积炭。柴油机长期运转后，在涡轮的喷嘴环和叶轮的叶片上常会有积炭和污垢，导致涡轮通道截面减小和流量下降，喷嘴环截面的减小又促使增压器转速提高，增压压力提高，因而积垢严重到一定程度时，也会使增压器的工作点进入喘振区而产生喘振。消除方法：清除积炭和污垢。
3.1.7涡轮前面的保护格栅因赃物或异物堵塞。保护格栅被堵塞引起涡轮效率下降，导致流经压气机的空气流量减小而发生喘振。消除方法：清除脏物或异物。
3.1.8废气锅炉烟道积碳脏堵，涡轮后背压上升，引起涡轮效率下降，导致流经压气机的空气流量减小而发生喘振。消除方法：清洁疏通锅炉烟道。
3.2增压器或柴油机本身故障
正常情况下，增压器应工作在其喘振线的右侧，不会产生喘振，但当柴油机或增压器发生故障，工况改变时，增压器压气机工作点可能会左移，处于喘振区。
3.2.1压气机叶轮损坏或过量腐蚀，压气能力减弱：涡轮叶片损坏，引起涡轮效率下降，导致流经压气机的空气流量减小而发生喘振。消除方法：换新或修复压气机叶轮或涡轮叶片。
3.2.2涡轮叶片顶部及喷嘴环罩内表面被腐蚀、侵蚀，使两者之间配合间隙增大，引起涡轮效率下降，导致流经压气机的空气流量减小而发生喘振。消除方法：换新或修复涡轮叶片和喷嘴环罩。
3.2.3废气端或压气机端有废气或空气泄漏，引起涡轮增压器效率下降，导致流经压气机的空气流量减小而发生喘振。消除方法：堵住泄漏。
3.2.4如因主机排气阀泄漏、燃油雾化不良、喷油提前角太小、后燃严重等原因导致排烟高温，使主机在一定的转速下，其排出的废气能量高，使增压器转速更高，压气机背压升高而产生喘振。消除方法：查明主机排烟温度高的原因，并做相应的处理，使主机排温正常。
3.2.5柴油机的调速器负荷限位设置不当，当柴油机加速时，其压气机运行点位于喘振区，导致压气机喘振。消除方法：调整调速器负荷限位。
3.2.6采用脉冲增压系统的柴油机一缸熄火，对于一缸熄火的增压器其压气机背压与正常的增压器一样，就显得过高而引起喘振。消除方法：检查熄火缸的燃油系统，排除故障，恢复供油。
3.2.7轴瓦有气泡、夹渣等缺陷轴瓦在扎制过程中，由于金属表面不清洁使锡铝．钢复合层之间产生气泡、夹渣、夹灰等，降低了台金层或轴瓦与钢背之间的结构强度，致使柴油机运转后双金属板材产生脱壳和分层现象。轴瓦的紧余量是轴瓦可靠工作的一个极为重要的参数，合适的紧余量可使轴瓦均匀可靠地贴台在轴承座孔内，达到足够的刚度和精度，有利于轴瓦的散热，从而提高轴瓦的承载能力。过大的紧余量会使轴瓦在组装状态下瓦口向内勾缩，造成瓦孔的椭圆度超限；过小的紧余量会使轴瓦与座孔贴台不良，散热差，润滑恶化，造成柴油机碾瓦．严重者轴瓦在座孔内发生转动，堵塞润滑油路，造成曲轴断裂。因此，一方面要保证轴瓦的进货质量；另一方面，组装时，要认真测量轴瓦的紧余量，凡紧余量不符台要求的，一律不允许装车。
3.2.8清洁度。活塞、连杆、机体、曲轴、摇臂轴座及盖、泵支承箱、齿轮等零部件清洗质量差或组装场地脏，其表面易粘上铁屑或砂粒等杂质，该杂质在机油的作用下被冲到轴瓦与轴颈之间，引起轴瓦机械损伤。因此在柴油机组装之前，应把所有零部件，特别是机体主油道、活塞、连杆、曲轴油孔清洗干净，同时注意保持组装场地的清洁。组装完毕后，应再次清洗柴油机油道。
3.3运转中的增压器与柴油机暂时失配
增压器和柴油机是靠气体联系在一起的，同时又具备各自的惯性特点，操作过程在加速或减速过快时，则可能因增压器与柴油机暂时失配而发生喘振，但不久又能恢复匹配关系，喘振自动消失，有以下几种情况：
3.3.1加速时主手柄推得过快，使增压器与柴油机暂时失配而引起瞬时喘振。因为主机运动部件质量大，转速上升得慢，增压器有异响。利用柴油机停机时的瞬间监听增压器，如叶轮与壳体之问有“嚓嚓”声，应立即停止工作，否则会损坏增压器。
3.3.2增压器积炭过多，使涡轮、压气机转子动平衡破坏，可卸下压气机壳和涡轮壳，用塑料刮刀或毛刷消除积炭。
3.3.3因全浮动轴承磨损过甚所致，应更换轴承。
3.3.4增压器转速下降。增压器转速下降会使柴油机的进气量减少，出现功率下降，排气冒黑烟等现象，造成积炭增多，工况恶化等后果。其原因是增压器叶轮与壳体之间有摩擦；增压器内部积炭过多而使其重量增加；柴油机排气歧管至增压器之间的管路漏气及空滤器、进气管路、压气机出12太脏，轴承损坏，使转轴卡住等等。应逐项检查，直至排除。
3.3.5增压器内漏机油导致机油消耗量过大。机油无论是从涡轮机处还是从压气机处内漏，柴油机排气都会冒蓝烟，甚至从排气管处滴漏机油。拆下增压器．依次检查其中间壳回油通道是否阻塞，管道是否变形，弹力密封环是否失去弹性或磨损超限，油封是否损坏。另外，检查发动机机油是否加得过多，息速运转时间是否过长等等，直至排除。
3.3.6压气机叶轮及涡轮叶轮损坏。其原因有排气系统中有杂质，增压器凸缘、夹子或螺栓松动，涡轮壳损坏有阻力，轴颈轴承磨损，压气机壳内积尘过多，涡轮叶轮后面的积炭过多，中间壳变脏，机油滤清器堵塞等等。拆开保养增压器，清除各部杂质，更换损坏部件。
3.4机车使用时对保护增压器的要求
由于废气涡轮增压器在500℃ 左右高温，1000r／min转速条件下工作，因此使用时要特别注意以下几个问题。
3.4.1涡轮增压器与柴油机的进排气管不可刚性连接，应经常清洁进排气管内壁，保证具有良好的气体流动性，并经常检查进排气管的密封性。
3.4.2涡轮增压器工作的环境恶劣与其全浮动轴承对润滑油的要求很高，应保证增压器润滑油路畅通，保持一定的机油压力和温度，定期清洗和更换增压器机油滤清器，确保机油清洁，否则，将加剧轴承的磨损，噪声增大，寿命缩短。
3.4.3增压柴油机起动时，必须待机油压力升高，润滑油达到一定的温度后才能加速或加负荷，否则，增压器轴承会因润滑不良而加速磨损，甚至卡死。
3.4.4新机和长期停用的涡轮增压器以及涡轮增压器拆装清洗后、起动前应拧开进油管接头，加注5Oral左右的机油，以防起动时因缺油而烧坏增压器。柴油机更换润滑油、清洗滤清器或停机一周以上时，起动后须在怠速运转工况下拧松涡轮增压器上的进口接头，直至润滑油流出再旋紧接头，再息速运转5分钟后方可加速。
3.4.5无特殊情况不要突然停车，以免使涡轮增压器轴承处于高温无油状态，产生过热，甚至咬死 一般从满负荷到停车，最好逐渐减少负荷，再空转5分钟左右，使涡轮增压器从高温状态逐渐冷却。
3.4.6应尽可能使柴油机在额定负荷下运转。柴油机怠速运转的时间一般不要超过lOmin，否则既增加油耗，又加速活塞、活塞环、缸套的磨损，增压器也会因机油压力过低而润滑不良造成过早损坏。柴油机长时间超负荷运转或经常“轰油门”，也会导致排气温度过高，造成增压器过热，加剧磨损，缩短使用寿命。
3.4.7如遇增压器压气机喘振，应立即停机检查,因此时进气管压力不稳定，柴油机转速也随之不稳定，进气管中发出“轰隆轰隆”的响声，整台柴油机振动加剧极易发生机械事故。
3.4.8增压柴油机的进、排气门间隙应比同类非增压
柴油机的大0．05ram，调整时要注意。
第四章 几点建议
4.1加强燃油管路的检修，特别是厂、架修后机车，必须紧固精滤器下部放油堵。
4.2提高乘务员的技术业务素质及故障处理能力，更换滤芯时，紧固精滤器各部螺丝。
4.3长时间停机，起机前应打开燃油精滤器上部放气阀排气，以免出现假故障。
4.4采用防松油堵。

结 论
增压器不允许在喘振下工作，因为在喘振开始时，压气机叶轮与扩压器叶片都发生强烈的振动，增压压力显著下降，并伴有强烈波动，有时造成叶片疲劳断裂，严重影响增压器轴承使用寿命，造成重大的经济损失。因此，平时运行人员要认真维护机组，以确保机组正常运行。

谢 辞
经过了三个多月的论文选题、文献收集、论文写作和修改,我终于完成了我的专科论文,掩卷深思,论文的顺利完成凝结了恩师张小波老师的大量心血,特别是本论文最后的修改定稿阶段,恩师对我的论文“句句留心，字字修改”深深的感染了我，我深深地向恩师鞠躬，道声“谢谢”。

刘 杨
年 月 日

参考文献
[I]《内燃机增压与匹配—— 理论、计算及实例》．西穗K·齐纳著。
[2]《透平机械原理》．哈工大，王仲奇．秦仁编。
[3]《压气机原理》．哈尔滨船舶工程学院．牛利民编。
[4]《内燃机构造与原理》，长沙铁道学院编
[5]《内燃机原理》．西安交大内燃机教研室编。
[6]《内燃机》，华北球利水电学院、天津工程机械研究所台编。
[7]《柴油机结构与使用》．济南柴油机厂编。

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