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船舶主柴油机排气系统布置优化设计

来源:用户上传      作者:袁小秋

  摘 要:本文以工程船主柴油机上排气系统为例,通过分析优化前的排气系统布置中废气涡轮增压器频频出现裂纹故障的原因,同时应用排气管热力学分析方法,提出主柴油机排气系统布置优化设计方案,新设计方案有效地杜绝了类似故障的再次发生,并降低了船舶运营成本和提高了经济效益。
  关键词:废气涡轮;增压器;膨胀节;主柴油机;防范措施
  1前言
  船舶主柴油机,即船舶动力装置,是为各类船舶提供动力的机械,更是全船的心脏,主柴油机对船舶的作用无可替代。20世纪初,柴油机开始用于运输船舶,第一艘远洋柴油机船是1912年丹麦建造的“锡兰迪亚”号,主柴油机为两台四冲程八缸柴油机,共1250马力,每分钟140轉,直接驱动两个螺旋桨。1914年柴油机船占全世界船舶总吨位0.5%,到1940年上升为20%。柴油机动力装置的最大优点是热效率高,燃料消耗明显地低于蒸汽机动力装置。随着技术的发展,柴油机动力装置有了一系列的改进,其中主要之一的技术革新是出现了增压器的配置,增压器提高了柴油机的功率和经济性能,也使柴油机在发出同样功率的条件下,柴油机的机体体积可以做的较小。船舶主柴油机排气系统主要由管道、消音器、膨胀节、增压器等组成。工程船上的主柴油机大部分采用中速废气涡轮增压机型,废气涡轮增压器将主柴油机排出废气的热能转变为动能,带动压气机叶轮高速旋转产生虹吸作用,新鲜空气被吸入压气机壳并使其密度增加和压力提高,从而实现提高柴油机功率目的。由此可见,废气涡轮增压器部件是否正常运行对柴油机工作非常重要。
  此类主柴油机在工作状态下时,从废气涡轮增压器排出的废气温度范围为300℃-550℃之间,排气管和废气涡轮增压器长时间处于高温环境下工作。优化前的主柴油机排气系统布置方案没有充分考虑废气涡轮增压器的工作环境,而只是在主柴油机排气管中设置了垂向膨胀节,排气管和废气涡轮增压器在高温工作环境下,会由于热胀原理产生横向和垂向(相对于主柴油机排气管布置方向)变形,垂向变形会被设置的垂向膨胀节吸收,而横向变形不能被吸收会产生附加作用力,附加应力作用在废气涡轮增压器本体上并使其产生裂纹,从而影响主柴油机的正常运行。
  为了纠正主柴油机排气系统布置的设计缺陷,消除附加应力对废气涡轮增压器的影响,杜绝废气涡轮增压器产生裂纹故障的现象,重新对主柴油机排气管路的布局及结构进行优化设计,提出在主柴油机排气管在高温工作环境下发生变形的横向及垂直方向均设置能够吸收其膨胀变形的膨胀节的设计方案,并通过实践证明,废气涡轮增压器再未出现裂纹故障。
  2优化前设计缺陷成因分析
  2.1优化前的设计说明
  工程船上主柴油机排气管路布置成∽型,由壁厚为5mm、外径为φ460mm左右的无缝钢管加工而成,材质为Q235-A。主柴油机在工作状态下,从废气涡轮增压器排出的废气温度范围在300℃-550℃之间,主柴油机排气管和废气涡轮增压器长时间在高温条件下工作。
  在优化前的设计中,考虑到主柴油机排气管受热膨胀变形的影响,在主柴油机排气管的下端(与废气涡轮增压器上法兰连接处)设置了有吸收主柴油机排气管变形的膨胀节(见图1),然而,此设计方案中的膨胀节只能吸收主柴油机排气管的垂向变形,主柴油机排气管的横向变形无法得到有效释放。主柴油机排气管在高温条件下受热膨胀影响产生的附加作用力过大导致废气涡轮增压器连接法兰产生裂纹。
  2.2 废气涡轮增压器安装容许力
  根据废气涡轮增压器安装要求,主柴油机排气管受热膨胀变形影响对废气涡轮增压器的作用力不得超过图2所列的值,为便于比较,将其转换为kN-m的单位制(见表1)。
  2.3 主柴油机排气管对废气涡轮增压器作用力校核
  通过采用主柴油机排气管的热力学分析方法得到了优化前排气管系统高温条件下对废气涡轮增压器的附加作用力,结果如图3和图4所示。由图3及图4可知,优化前设计(对应工况1)中,排气管膨胀变形产生的附加作用力随着温度的升高而增加,温度在300℃-550℃间变化时,其附加作用力:①轴向作用力RFx在130kN-210kN之间变化;②附加弯矩RMz在190kNm-311.6kNm之间变化。
  可见,无论是轴向作用力还是附加弯矩均大大超过了废气涡轮增压器安装容许力要求,考虑到主柴油机排气管上端的微小变形,主柴油机排气管下端对废气涡轮增压器的作用力比计算值要小,可以推断其值仍会超过废气涡轮增压器的安装容许值;需要说明的是,工况2对应的是在主柴油机排气管中只设置横向膨胀节的方案,在这种布置方案下,排气管对废气涡轮增压器产生的附加作用力也大大超过了增压器安装容许力,但比在主柴油机排气管中设置垂向膨胀节的方案产生的附加作用力要小。由此可见,在主柴油机排气管中只设置垂向或横向膨胀节的方案不能有效地保护废气涡轮增压器,都会在废气涡轮增压器上产生大于容许值的附加作用力,最终导致废气涡轮增压器产生裂纹。
  3优化设计方案的理论依据
  工程船上主柴油机排气管路布置成∽型,通过采用热力学分析方法可得出主柴油机排气管在高温工作条件下热膨胀变形值,结果如图5-图7所示。由图可知,温度越高,变形量越大。如果在主柴油机排气管中只设置垂向膨胀节,排气管的最大垂向变形量将达到27mm;如果在主柴油机排气管中只设置横向膨胀节时,排气管的最大横向变形量为18mm;如果在主柴油机排气管中设置横向和纵向膨胀节,排气管在两个方向的最大变形量分别为10mm和16mm。这意味着我们在选用膨胀节时,必须选用能吸收变形量超过30mm的膨胀节,考虑到其中一个膨胀节失效的特殊情况。
  4优化设计方案
  由以上分析可知,在现有工程船主柴油机排气管系统布置设计方案基础上的优化措施为:在主柴油机排气管在高温工作条件下发生变形的两个方向均设置能够吸收其膨胀变形的膨胀节。膨胀节的选用规格为能够吸收30mm变形量,这样就可以防止主柴油机废气涡轮增压器因受外力而损坏。优化设计方案示意图见图8。
  5应用效果分析
  工程船上主柴油机运行2~3年后,废气涡轮增压器容易出现不同程度的裂缝故障。废气涡轮增压器一旦出现裂缝,必须立即停航抢修,一般情况抢修需花费一天时间。修理费用约8000元,工程船停航一天的损失约100000元,修理费用及停航一天带来的损失较大。通过对主柴油机排气布置系统进行优化设计,主柴油机废气涡轮增压器未出现裂缝故障。因此,工程船上主柴油机排气布置系统进行优化设计后,成功杜绝了废气涡轮增压器的裂缝故障的发生,具有明显的经济效益。
  6结语
  近年来,全球经济增长放缓,航运业发展前景十分悲观,航运业供过于求的行情依然持续,我国航运企业特别是小型航运企业众多,除少数几家中央大型航运企业集团外,其他航运企业尤其是沿海航运企业面临的竞争十分激烈。一家小型航运企业要想在如此恶劣环境下生存下去,就必须加强内部管理,减少设备故障率,增加船舶出勤率,而对工程船上主柴油机排气管系布置进行优化设计,就是一项加强船舶设备管理和降低船舶运营成本的措施,同时也在恶劣的外部环境下提升了竞争力。
  参考文献:
  [1]杨全才.船舶柴油机[M].大连:大连海事学院出版社,2002.
  [2]钢质海船入级规范2012(第4分册) [M].人民交通出版.
  [3]费千.船舶辅机[M].大连:大连海事大学出版社,2005.
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