滾裝船直接進(jìn)氣設(shè)計(jì)增壓器損壞原因及改進(jìn)措施

針對(duì)某系列大型滾裝船主機(jī)采用直接進(jìn)氣特殊設(shè)計(jì)的通風(fēng)系統(tǒng)，其增壓器發(fā)生葉輪損壞的故障原因進(jìn)行核查與分析。逐步剖析主機(jī)制造商MAN對(duì)于主機(jī)增壓器采用直接進(jìn)氣特殊設(shè)計(jì)的通風(fēng)系統(tǒng)要求；通過計(jì)算、建模仿真、實(shí)驗(yàn)找出增壓器葉輪損壞原因；提出有效的改進(jìn)方案和采用直接進(jìn)氣設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)；對(duì)改進(jìn)方案的效果進(jìn)行驗(yàn)證。增壓器直接進(jìn)氣設(shè)計(jì)雖然MAN在2008年已經(jīng)提出，但是在船廠建造過程中實(shí)際主機(jī)選型中采用較少，容易因?yàn)閷?duì)MAN直接進(jìn)氣要求理解不到位導(dǎo)致售后問題發(fā)生，威脅增壓器壽命，影響船舶營運(yùn)。本文為采用直接進(jìn)氣的增壓器特殊通風(fēng)系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)思路，并明確注意事項(xiàng)。面對(duì)全球性能源緊張，不斷飆升的燃油成本，船舶燃料油費(fèi)用已經(jīng)占到船舶營運(yùn)成本的35%左右。船舶在全速前進(jìn)每天油耗少則幾噸、幾十噸，大型的集裝箱船甚至可以高達(dá)上百噸。根據(jù)MAN對(duì)于柴油機(jī)直接進(jìn)氣系統(tǒng)指導(dǎo)文件078758-0表明：主機(jī)增壓器如采用直接進(jìn)氣設(shè)計(jì)，將可以節(jié)約0.1%的燃油消耗。以一艘安裝了12K98型主機(jī)的大型集裝箱船為例，一天可以實(shí)現(xiàn)200kW的能耗降低，相當(dāng)于每天減少約1噸的燃油消耗，或每年節(jié)省約10萬美元的燃料成本（250天/年和400美元/噸），價(jià)值非?？捎^。主機(jī)增壓器采用直接進(jìn)氣通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為特殊，不常用。設(shè)計(jì)前期需要對(duì)MAN的直接進(jìn)氣要求仔細(xì)消化。任何直接進(jìn)氣風(fēng)道設(shè)計(jì)上疏忽和漏洞將會(huì)直接導(dǎo)致增壓器故障發(fā)生，從而影響船舶營運(yùn)，損失船東利益，危害造船廠聲譽(yù)。針對(duì)某系列的大型滾裝船增壓器葉輪損壞原因進(jìn)行分析，提出實(shí)施有效的改進(jìn)方案，并對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行驗(yàn)證。一、增壓器概述主機(jī)作為全船的動(dòng)力源頭，是船舶的“心臟”。而增壓器是提高主機(jī)功率減少廢氣排放的重要部件，是主機(jī)的“肺”。增壓器運(yùn)行原理是利用主機(jī)排出的廢氣沖力推動(dòng)渦輪葉片，渦輪帶動(dòng)同軸的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，壓送空氣并增壓進(jìn)入氣缸

[1]。而采用特殊設(shè)計(jì)直接進(jìn)氣增壓器則是在常規(guī)增壓器的進(jìn)氣末端增加罩殼及彎管與進(jìn)氣風(fēng)道連接，讓增壓器從風(fēng)道內(nèi)自行抽風(fēng)，如圖1所示。無需配風(fēng)機(jī)給增壓器送風(fēng)，增壓器不消耗機(jī)艙空氣。二、直接進(jìn)氣增壓器優(yōu)勢采用特殊設(shè)計(jì)的增壓器直接進(jìn)氣通風(fēng)系統(tǒng)，吸入增壓器的空氣溫度，會(huì)比從機(jī)艙風(fēng)機(jī)風(fēng)道取氣的常規(guī)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)增壓器進(jìn)氣口溫度略低。測量研究表明：在常溫條件下，航行中機(jī)艙溫度會(huì)比外界環(huán)境溫度高約10~12℃。由于常規(guī)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的風(fēng)道一般布置在增壓器附近，增壓器的進(jìn)氣口溫度會(huì)低于機(jī)艙內(nèi)溫度，但會(huì)比外界環(huán)境溫度一般高3~5℃。在同樣的冷卻水溫度的前提下，比較2種設(shè)計(jì)的增壓器進(jìn)氣設(shè)計(jì)方案時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，特殊設(shè)計(jì)的直接進(jìn)氣通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)氣溫度，會(huì)比常規(guī)機(jī)艙風(fēng)機(jī)送風(fēng)設(shè)計(jì)的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)氣溫度低3~5℃。而柴油機(jī)可以參照3~5℃的進(jìn)氣溫差去調(diào)整最大燃燒壓力，以降低柴油機(jī)的燃油消耗SFOC。理論上，降低主機(jī)增壓器進(jìn)氣溫度和掃氣溫度均可以有效降低柴油機(jī)的燃油消耗，增壓器進(jìn)氣采用特殊設(shè)計(jì)的柴油機(jī)的油耗將比采用常規(guī)設(shè)計(jì)柴油機(jī)低0.1%左右[2]。常規(guī)設(shè)計(jì)進(jìn)氣系統(tǒng)，增壓器的取氣源自于機(jī)艙風(fēng)機(jī)，經(jīng)機(jī)艙通風(fēng)風(fēng)道將新風(fēng)送到增壓器進(jìn)氣口，風(fēng)道與增壓器不直接連接，留有一段距離。而特殊設(shè)計(jì)直接進(jìn)氣系統(tǒng)，則不需要從風(fēng)機(jī)取氣，由增壓器自身直接從風(fēng)道內(nèi)吸風(fēng)，可大幅降低機(jī)艙風(fēng)機(jī)排量，減輕電網(wǎng)負(fù)荷壓力，減少采購成本，進(jìn)一步節(jié)約船舶燃油消耗。三、增壓器葉輪損壞情況某系列大型滾裝船試航結(jié)束后，在碼頭常規(guī)動(dòng)車時(shí)發(fā)現(xiàn)增壓器內(nèi)的排氣溫度探頭溫度監(jiān)測異常。進(jìn)行拆檢發(fā)現(xiàn)探頭表面有劃痕損傷，且每扇葉片末端邊角處均有不同程度顆粒狀缺損；同時(shí)在增壓器罩殼及葉輪附近發(fā)現(xiàn)白色顆粒結(jié)晶。在對(duì)主機(jī)掃氣箱進(jìn)行拆檢后，并未在掃氣箱內(nèi)發(fā)現(xiàn)金屬異物殘留。后經(jīng)更換葉輪和傳感器，清除增壓器進(jìn)口及風(fēng)道內(nèi)顆粒物，排氣溫度探頭異常問題得以處理。現(xiàn)場初步判斷增壓器吸入異物顆粒導(dǎo)致葉輪和探頭損傷，異物有可能是已發(fā)現(xiàn)的白色顆粒物，或者是施工過程中因增壓器進(jìn)口氣保護(hù)不到位，導(dǎo)致有金屬顆粒物墜落進(jìn)入增壓器，從而有問題發(fā)生。由于認(rèn)定為是偶發(fā)事件，未引起足夠重視。該船交付以后，船東在對(duì)增壓器日常維護(hù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)直接進(jìn)氣的結(jié)構(gòu)圍壁風(fēng)道內(nèi)底有大量白色結(jié)晶生成，且增壓器進(jìn)口葉輪前罩殼上發(fā)現(xiàn)有白色透明顆粒。船東對(duì)船廠設(shè)計(jì)的直接進(jìn)氣系統(tǒng)提出質(zhì)疑，認(rèn)為船廠交付船的設(shè)計(jì)不能滿足主機(jī)直接進(jìn)氣增壓器的使用要求，會(huì)在風(fēng)道內(nèi)產(chǎn)生白色顆粒物，并吸入增壓器，直接威脅增壓器使用安全。此前更換葉輪和傳感器方案并沒有找出問題根本原因，問題沒有得到根本解決。四、特殊設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)核查經(jīng)化驗(yàn)白色顆粒物成分為鹽，來自于海水。對(duì)掃氣箱內(nèi)部檢查未發(fā)現(xiàn)金屬顆粒物，對(duì)風(fēng)道內(nèi)緊固件核查未發(fā)現(xiàn)有脫落物，由此可以判斷此前導(dǎo)致葉輪和探頭損壞問題發(fā)生的兇手是海水中析出的顆粒鹽。因?yàn)樵鰤浩魅~輪的制造材質(zhì)為硬度相對(duì)較低的鋁，在葉輪高速運(yùn)