MAN主机涡轮增压器排气叶片损伤故障原因分析

导读

某油田的动力系统是由5台MAN 16V32/40型发动机和1台Solar titan130型透平组成的，MAN 16V32/40 发动机是原油/柴油双燃料主机，主机转速750r/min，柴油机额定功率是7540kW。

MAN16V32/40 型主机有2台轴流式涡轮增压器，型号为NR34/S，增压器最大转速26500r/min，用于柴油机给AB侧进气增压。

在主机带载6MW左右时，增压器转速在21000r/min左右。

在近几年的运行中，该型号增压器转子反复出现转子进气端、废气端叶片及转子轴承损坏情况，不仅对现场操作人员造成很大的操作风险，同时也造成巨大的财产损失。

在问题原因查找中，也未找到增压器损坏相同故障现象的案例参考借鉴。

由于这几次增压器转子损坏前设备运转正常，突然的设备故障危害更大，而增压器损坏一般有外部和内部原因两种，本文从这两个方面入手，希望找到故障根源。

在国内柴油机增压器运用比较广泛，这些故障的查明和解决，不仅能处理棘手的问题,同时也能为现在使用的柴油机公司和企业提供借鉴，通过一些措施和方法，避免设备资产损失及人员伤害。

一、主机增压器工作原理、故障现象及检查

动力值班人员在日常的主机房巡检时，发现2号主机B侧增压器突然发生进气气流不稳定，气流出现流向逆反并从进气滤棉侧反流出来;增压器振动和噪声瞬间增大。

随后2号主机在几秒内自动紧急关停。

1、MAN NR34/S主机涡轮增压器的工作原理

柴油机增压器运行中，利用发动机排出的废气来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴上的叶轮转动，叶轮的转动时会吸入空气并压缩，压缩后的空气压力增大，通过空气冷却器冷却后进入气缸，空气压力和密度增大可以增加柴油主机的输出功率。

NR34/S增压器包含一个一级径流式废气叶轮和一个一级径流式压气叶轮,整个转子通过2个滑动轴承支撑。

废气叶轮与转子轴是整合一体的，近气压缩叶轮通过外部锁紧螺母装配到转子轴上。

图1 NR34/S型增压器整体结构

NR34/S型增压器整体结构如图1所示，在柴油机的运行中，柴油机燃烧后的废气进入排烟总管后，从①位置进人增压器废气涡轮入口，经过废气涡轮入口的喷嘴环②叶片导向，推动废气涡轮③转动，之后废气进入尾端的排烟管⑤排到大气中。

在废气涡轮转动同时，新鲜空气通过进气滤器(6.1)、 消 音 器(6.2) 进人进气涡轮⑧，通过进气涡轮的转动压缩空气，压缩后的空气通过扩压器⑨和压气机外壳①进入进气管内。

增压器转子轴承箱里有两个轴承支撑整个转子，一个滑动轴承，一个推力轴承，推力轴承靠近压气机叶轮侧，起到定位及支撑作用。

两个轴承通过公用管线提供润滑油。

2、MAN主机增压器故障检查

MAN主机停机后，首先检查了主机的现场控制盘故障记录，从主机的运行记录中查看,在主机A/B侧排烟温度高关停前并无其他不正常的报警，因此初步判断为主机增压器故障，并且在主机关停前8s,增压器转速助推气打开，说明因为某种原因，增压器当时出现了转速降低的现象。

随后对主机增压器B进行了拆卸检查，同时内窥检查了主机缸头气门。气门及缸头并未发现异常。

在主机增压器拆解中，增压器压气机叶片与导流罩之间有摩擦痕迹，叶片边缘磨损严重，叶片整体无缺损，如图2所示。

图2 压气机进气叶片

检查增压器的轴向窜量及径向跳动，数值超过正常值数倍。

拆除增压器转子后对转子总成进行解体检查发现:

废气端转子叶片边缘都有磨损痕迹，其中一片的转子叶片出现了4cmx6cm左右的缺损，缺损的叶片未在后边的排烟管中找到，如图3所示。

图3 废气端叶片

检查增压器主轴及轴瓦，主轴的表面有磨损痕迹,浮动轴承的外表面有磨损，推力轴承的压气机侧的推力面磨损严重，另一侧轻微磨损，如图4所示。

图4 增压器推力轴承

二、主机增压器故障原因分析及改进措施

1、主机EDS曲线分析

增压器的进排气叶轮及轴承都出现了磨损，为了排查叶轮和轴承损坏的先后顺序，对主机的EDS运行曲线进行分析，找出问题的根源。

图5 主机转速/油门刻度/功率曲线

主机转速/油门刻度/功率曲线如图5所示，在主机增压器出现问题前，主机的各项参数无异常(图中数据标注从上到下，参数依次为主机转速/油门刻度/主机功率/增压器转速)。

在6点19分33秒，主机增压器转速(AB两侧)突然下降，转速从21000r/min左右下降至16000r/min左右(A侧转速比B侧高400 r/min左右)，并持续下降。

同时主机的功率从5800kW下降至4100 kW,并在6点19分41秒主机功率突降为0，即主机关停;而主机转速在最初只是有一点轻微下降，在主机关断后平缓下降为0;主机的油门为了保持转速不变，出现了小幅拉升，控制系统为保持增压器转速，开启了增压器增速装置保持转速，但效果不明显。在6点19分41秒主机关停，说明增压器最早出现问题，而主机的控制系统做了一系列的稳速措施，所以其他的参数数据会延迟几秒。

图6 主机增压器前/后排烟温度曲线

主机增压器前/后排烟温度曲线如图6所示(图中从上到下，参数标注依次为增压器前排烟问题/增压器后排烟问题)，红色为A侧，蓝色为B侧，在曲线的前段时间内增压器的整个排烟温度参数都是比较平稳的。

在6点19分33秒,增压器A/B侧的前/后排烟温度都出现快速上升趋势，而增压器前的排烟温度上升更快;在6点33分41秒，主机增压器前排烟温度高报警，并关停主机。

从数据中判断，排烟温度的增高是因为转速下降，导致排烟集聚进而高温关停。

图7 TE2580增压器轴承回油温度曲线

TE2580增压器轴承回油温度曲线如图7所示，图中的TE2580指示为增压器轴承回油温度，用于检测增压器轴承的状态。

从图中可以看出，在6点19分38秒增压器的蓝色曲线(B侧)出现上升趋势，红色曲线相对比较稳定，蓝色曲线上升到最高点后又逐步下降;因此从时间上可以大致判断出，在6点19分33秒时，增压器的叶片首先出现问题，造成增压器转子动平衡破坏，动平衡失效后造成转子运转不平稳，压气机叶片和废气端叶片与外侧的导流罩发生了接触摩擦，造成增压器转子转速的快速下降，同时转子的不平衡进而影响轴承的稳定，轴承的推力轴承和浮动轴承出现了损毁，造成滑油的温度升高。