潘冬良，明廷鋒，蘇永生

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

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渡船主機(jī)冒黑煙故障查找及解決方法研究

潘冬良，明廷鋒，蘇永生

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

針對武漢市輪渡公司渡船主機(jī)冒黑煙故障無法徹底解決的難題，根據(jù)柴油主機(jī)冒黑煙的本質(zhì)即“在一定轉(zhuǎn)速下，供的‘油’多了或者進(jìn)的‘氣’少了所導(dǎo)致的燃油燃燒不完全”，對該渡船 “船-槳-機(jī)”的匹配、柴油主機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)的分析和各缸排溫的測量等方法來查找并確定主機(jī)冒黑煙的原因并提出改進(jìn)措施。通過對“船-槳-機(jī)”匹配的理論分析、實(shí)船測試等途徑的綜合判斷和研究，找到了主機(jī)冒黑煙的根源。輪渡公司根據(jù)研究成果對渡船主機(jī)的排氣管路進(jìn)行改造，徹底消除了此故障。

渡船；柴油機(jī)；螺旋槳；故障診斷；船舶維修

0　引言

武漢市輪渡公司用于往返漢口武漢關(guān)和武昌中華路碼頭的5條800客位渡船(“江城1號(hào)”～“江城5號(hào)”)自投入營運(yùn)后不久，主機(jī)都有不同程度的冒黑煙現(xiàn)象，且隨著使用時(shí)間延長冒黑煙逐漸嚴(yán)重，主機(jī)所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速也逐漸降低。渡船尾部冒黑煙不但嚴(yán)重影響了渡船的公共交通形象，而且也大大降低了主機(jī)的使用壽命。根據(jù)現(xiàn)場勘查，冒黑煙所導(dǎo)致的船尾部環(huán)境很差，渡船工作人員除了完成日常營運(yùn)工作外，還需要定時(shí)清潔被煙灰污染的船尾外表面，無形中增加了船員的工作量。另外，據(jù)船員和輪渡公司技術(shù)人員介紹，由于主機(jī)燃燒不充分，導(dǎo)致主機(jī)磨損加劇，修理期限也大大提前，造成的維修保養(yǎng)費(fèi)用也大幅度增加。

主機(jī)冒黑煙是柴油主機(jī)工作時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的一類故障，國內(nèi)外專家對此也進(jìn)行了相關(guān)的研究[1-3]，但此類研究主要是從機(jī)器本身或所屬設(shè)備(如噴油器、高壓泵、排氣閥、增壓器、空冷器等)去判斷。針對本文研究的對象，作者認(rèn)為主機(jī)本身的故障可以排除，應(yīng)該從系統(tǒng)的角度進(jìn)行排查。通過查閱渡船的相關(guān)資料，依據(jù)渡船“船-槳-機(jī)”系統(tǒng)匹配的基本原理，分析柴油主機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)等，最終找到了主機(jī)冒黑煙的原因。輪渡公司根據(jù)研究的建議對排氣管道進(jìn)行了改造，徹底消除了冒黑煙的故障。

1　“船-槳-機(jī)”匹配的分析

1.1分析思路

對“船-槳-機(jī)”匹配的分析，其核心在于判斷主機(jī)是否超負(fù)荷運(yùn)行而導(dǎo)致冒黑煙故障的產(chǎn)生。一般從以下3個(gè)方面進(jìn)行分析：

(1)船舶阻力是否增大：查閱模型試驗(yàn)時(shí)的曲線，調(diào)研實(shí)際營運(yùn)時(shí)的狀態(tài)(滿載還是空載)，投入營運(yùn)后是否進(jìn)行船底的清理等工作。由于這5條船都是營運(yùn)不久就出現(xiàn)了冒黑煙現(xiàn)象，根據(jù)快速性計(jì)算書的數(shù)據(jù)和與輪渡公司工作人員的交流，排除船舶阻力增大的可能性。

(2)螺旋槳的負(fù)載是否偏大：根據(jù)槳的敞水性能曲線判斷。渡船選用的是AU槳，設(shè)計(jì)單位直接通過圖譜選用的，沒有做槳模的實(shí)驗(yàn)，所以本研究通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法，對渡船使用的槳進(jìn)行敞水性能校核。根據(jù)槳的敞水性能曲線，反推主機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的功率，從而根據(jù)其是否落在主機(jī)工作范圍內(nèi)來進(jìn)行螺旋槳負(fù)荷的判斷。

(3)主機(jī)性能是否變差：需要判斷WD615.57C03四沖程增壓柴油機(jī)進(jìn)氣量是否足夠，增壓器是否出現(xiàn)了故障，空氣濾清器是否定期清洗等。通過現(xiàn)場勘查和輪渡公司之前的改進(jìn)，確定艙室的進(jìn)氣應(yīng)該是足夠的，但空氣濾清器的清洗不是很及時(shí)，這可能是出現(xiàn)冒黑煙故障的一個(gè)因素。渡船是公共交通，雖然出現(xiàn)了冒黑煙現(xiàn)象，但仍然得繼續(xù)營運(yùn)，所以持續(xù)地運(yùn)行導(dǎo)致了主機(jī)的性能惡化，修理的期限會(huì)大大提前。

“船-槳-機(jī)”的合理匹配，簡單而言是指螺旋槳產(chǎn)生的推力克服船的阻力，而此時(shí)螺旋槳的阻力矩需要由主機(jī)的主動(dòng)力矩來提供。這里有2個(gè)平衡，即力的平衡和運(yùn)動(dòng)的平衡，航行中的最佳匹配是指螺旋槳在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)主機(jī)的工作點(diǎn)位于額定工作點(diǎn)。重載工況時(shí)，螺旋槳的“需”要大于主機(jī)的“供”，此時(shí)柴油主機(jī)有可能會(huì)出現(xiàn)冒黑煙。所以，對“供”、“需”進(jìn)行分析和判斷是查找柴油主機(jī)冒黑煙現(xiàn)象的關(guān)鍵和突破口。

1.2螺旋槳敞水性能曲線

為了節(jié)省成本，縮短校核周期，更真實(shí)地反映實(shí)際槳的敞水性能，采用經(jīng)過驗(yàn)證了的CFD方法獲取直徑D分別為1.591 m和1.521 m 2個(gè)螺旋槳的敞水性能曲線[4]。數(shù)值計(jì)算的思路為：建立幾何模型；網(wǎng)格劃分；邊界條件及湍流模型選擇；最后對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。渡船所采用的兩型槳敞水性能計(jì)算結(jié)果分別見表1和表2。

表1敞水性能計(jì)算結(jié)果(D=1.591 m)

表2　敞水性能計(jì)算結(jié)果(D=1.521 m)

渡船設(shè)計(jì)單位給輪渡公司提供的快速性計(jì)算書上給出了上述兩型槳在設(shè)計(jì)點(diǎn)處對應(yīng)的敞水效率，本文將數(shù)值計(jì)算所得到的值與之比對，結(jié)果見表3。

表3　數(shù)值計(jì)算結(jié)果與快速性計(jì)算書中的數(shù)據(jù)對比

根據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果判斷，設(shè)計(jì)單位提供的1.591 m和1.521 m 2個(gè)螺旋槳的敞水性能數(shù)據(jù)是可信的。

1.3主機(jī)功率儲(chǔ)備的核算

根據(jù)渡船航速計(jì)算書(錳黃銅-直徑1.591 m槳、鑄鋼-直徑1.521 m槳)以及WD615.57C03主機(jī)推進(jìn)特性和外特性曲線，對該船的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)進(jìn)行核算。WD615.57C03主機(jī)的特性曲線圖如圖1所示。將主機(jī)推進(jìn)特性和外特性曲線擬合到同一個(gè)曲線圖中，橫坐標(biāo)是主機(jī)轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)對應(yīng)的是功率，上面一條圓點(diǎn)線是主機(jī)的外特性曲線，下面一條方點(diǎn)線是主機(jī)廠推薦的螺旋槳推進(jìn)特性線。

圖1　WD615.57C03主機(jī)的特性曲線圖(廠家提供)

根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，采用直接推算法得到設(shè)計(jì)點(diǎn)的功率儲(chǔ)備分別約17.9%(錳黃銅槳)、40.7%(鑄鋼槳)；采用間接計(jì)算法對錳黃銅槳所需要的主機(jī)功率按照2種方法核算分別為192.1 kW和191.8 kW，與直接推算法得到的主機(jī)功率197.9 kW相比，誤差約3%，滿足工程誤差要求，得到的功率儲(chǔ)備約為20.3%；同時(shí)采用間接計(jì)算法對鑄鋼槳也進(jìn)行所需主機(jī)功率的核算，得到所需要的主機(jī)功率分別為134.8 kW和134.4 kW，與直接推算法得到的主機(jī)功率140.9 kW相比，誤差約4.3%，同樣在工程誤差范圍之內(nèi)，得到的功率儲(chǔ)備約為43.9%。因此，對于該型渡船，采用目前設(shè)計(jì)和提供的兩型槳在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)主機(jī)均不會(huì)超負(fù)荷。

上述研究是針對設(shè)計(jì)點(diǎn)的工況進(jìn)行的理論計(jì)算，實(shí)際螺旋槳的收到功率到底是多少則要通過實(shí)船測試來進(jìn)行檢驗(yàn)，從而判斷“船-槳-機(jī)”在設(shè)計(jì)點(diǎn)的匹配是否合適。下面的研究就是通過實(shí)船的測試來得到螺旋槳輸入軸的功率，再進(jìn)行主機(jī)輸出功率的推算。本文選用的測試船只為“江城3號(hào)”和“江城5號(hào)”。

1.4螺旋槳輸入軸功率的測量

測試設(shè)備選用了東華測試的DH5905無線遙測應(yīng)變采集器。DH5905采用WiFi無線通訊方式與計(jì)算機(jī)通訊，能夠可靠傳送測試數(shù)據(jù)，對螺旋槳輸入軸的力矩、轉(zhuǎn)速、軸功率等參量完成信號(hào)的適調(diào)、采集及無線傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和處理。通過測得的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸應(yīng)變量來計(jì)算得到力矩，利用光電轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)測量轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，從而換算到軸功率。具體的測量方法見文獻(xiàn)[5]，得到的測試數(shù)據(jù)分別見表4和表5。

表4　“江城3號(hào)”軸功率的測量數(shù)據(jù)

表5　“江城5號(hào)”軸功率的測量數(shù)據(jù)

從表4和表5得知，“江城3號(hào)”對應(yīng)的轉(zhuǎn)速下得到的軸功率要略小于“江城5號(hào)”，這是因?yàn)椤敖?號(hào)”上方有一大廣告牌，相同航速時(shí)，渡船的阻力稍大；或者說在相同主機(jī)轉(zhuǎn)速下，渡船的航速要略低。對應(yīng)于螺旋槳而言，轉(zhuǎn)速相同時(shí)，由于來流的速度變小，槳葉上對應(yīng)的來流攻角變大，主機(jī)需要克服的阻力矩變大，即軸功率要稍大。

如果考慮中間軸和艉軸的軸系損失，實(shí)際螺旋槳的收到功率要比上述測得的值要小，而考慮柴油主機(jī)到測試軸以及齒輪箱的傳遞損失，按照3%計(jì)算，此時(shí)對應(yīng)需要主機(jī)的功率“江城3號(hào)”最大為156.6 kW，“江城5號(hào)”最大為183.6 kW，與主機(jī)在最高轉(zhuǎn)速1 500 r/min下能提供的220 kW相比，均有29%和17%的功率儲(chǔ)備，也就是說根據(jù)螺旋槳敞水性能核算和實(shí)船推進(jìn)軸軸功率的測量，該型渡船的“船-槳-機(jī)”匹配是合理的，螺旋槳負(fù)載不偏大，故不存在主機(jī)超負(fù)荷的設(shè)計(jì)因素。

2　柴油主機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的排查

在測試的過程中，對“江城5號(hào)”(其他4條船的布置是一樣的)的排氣管路進(jìn)行了現(xiàn)場的長度測量和彎管等部件計(jì)數(shù)。

左軸排氣管：主機(jī)艙排氣管長3.6 m+2個(gè)直角彎頭+1個(gè)中漸彎頭，中軸艙排氣管長2.6 m+1個(gè)消聲器(0.9 m)+排氣管長3.1 m，舵機(jī)艙排氣管長3.5 m，0.4 m船外向下彎尾端排氣管，總長14.1 m左右。右軸排氣管：主機(jī)艙排氣管長3.6 m+2個(gè)直角彎頭，中軸艙排氣管長5.4 m+1個(gè)上彎+消聲器(0.9 m)+排氣管長0.35 m，舵機(jī)艙排氣管長3.5 m+1個(gè)中彎+1個(gè)向下彎接頭，0.4 m船外向下彎尾端排氣管，總長14.2 m左右。

上述14 m多的長排氣管路、多彎頭以及膨脹式消聲器，必然造成較大的流動(dòng)阻力和排氣背壓，致使進(jìn)氣沖程終了時(shí)缸內(nèi)廢氣多，新鮮空氣少，中、高負(fù)荷時(shí)油多氣少，冒黑煙是必然的。

另外，在“江城3號(hào)”勘查時(shí)，發(fā)現(xiàn)空氣過濾器非常臟，可能是有較長時(shí)間沒對進(jìn)氣濾器進(jìn)行定期清洗。由于空氣過濾器臟，使得進(jìn)氣阻力就大，這又更加劇了主機(jī)工作時(shí)“新氣”不足，加重了主機(jī)冒黑煙的情況。

3　柴油主機(jī)各缸排溫的測量

考慮到現(xiàn)場無法進(jìn)行柴油機(jī)噴油器霧化、缸內(nèi)燃燒情況的檢查，為了檢驗(yàn)柴油噴入氣缸后霧化和燃燒情況，采用非接觸法測量各缸排氣支管排溫來間接反映柴油機(jī)工作時(shí)各缸負(fù)荷的大小和均勻性。對“江城4號(hào)”和“江城5號(hào)”2條船的柴油主機(jī)單缸排煙管的外表面溫度進(jìn)行了測量，測量裝置為VICTOR306B紅外測溫儀。測量得到的數(shù)據(jù)分別見表6和表7。其中測溫點(diǎn)選擇在氣缸外靠近的排氣口和對應(yīng)的排氣支管，以上部和側(cè)面來表征，約定的柴油主機(jī)缸號(hào)如圖2所示。

從測試得到的情況來看，柴油主機(jī)的單缸排溫差異不大，基本滿足負(fù)荷大、排溫大和隨著排氣流向排溫逐漸增大的規(guī)律。據(jù)此判斷，柴油機(jī)各缸的霧化應(yīng)該是能滿足要求的，各缸的負(fù)荷差異不大。

4　研究結(jié)果及分析

通過對渡船“船-槳-機(jī)”系統(tǒng)的匹配分析，柴油主機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)排查以及柴油

主機(jī)各缸排溫的測量等研究，可以得到以下研究結(jié)果：

表6　“江城4號(hào)”柴油主機(jī)單缸排溫的測量數(shù)據(jù)

表7　“江城5號(hào)”柴油主機(jī)單缸排溫的測量數(shù)據(jù)

圖2　柴油主機(jī)缸號(hào)約定關(guān)系圖

(1)根據(jù)輪渡公司提供的螺旋槳幾何模型分別對直徑為1.591 m和1.521 m的螺旋槳進(jìn)行了敞水性能的數(shù)值計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：設(shè)計(jì)單位提供的1.591 m和1.521 m22個(gè)螺旋槳的性能滿足要求。

(2)根據(jù)輪渡公司提供的航速計(jì)算說明書，采用直接推算法對額定工況的“船-槳-機(jī)”匹配進(jìn)行了核算。結(jié)果表明：對給定的2個(gè)螺旋槳，在額定工況1 500 r/min時(shí)，主機(jī)均有一定的功率儲(chǔ)備，不會(huì)引起主機(jī)的超負(fù)荷。

(3)采用間接計(jì)算法對渡船設(shè)計(jì)工作點(diǎn)的“船-槳-機(jī)”匹配進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：用不同的計(jì)算方式得到的主機(jī)功率按照2種方法分別為192.1 kW和191.8 kW。同理，小槳(1.521 m)所需要的主機(jī)功率134.8 kW和134.4 kW。按照這種計(jì)算，主機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下不會(huì)超負(fù)荷。

(4)對“江城3號(hào)”和“江城5號(hào)”的螺旋槳輸入軸的軸功率進(jìn)行了實(shí)船測量。結(jié)果表明：由于“江城5號(hào)”的阻力稍大于“江城3號(hào)”，實(shí)測的軸功率在相同的轉(zhuǎn)速下“江城5號(hào)”大于“江城3號(hào)”，但由于經(jīng)過換算在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，主機(jī)能克服螺旋槳的旋轉(zhuǎn)阻力矩。但由于燃燒不完全，導(dǎo)致了柴油主機(jī)不能夠?qū)娙氲娜剂习凑赵O(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)換成有用功，從而使得柴油機(jī)發(fā)出的力矩不能有效克服螺旋槳的阻力矩。

(5)對于廢氣渦輪增壓柴油機(jī)，排氣背壓對燃燒的影響非常大，一是影響廢氣的順利排出；二是影響新鮮空氣的吸入，如果兩者都受到影響，那么由于燃燒不完全造成的“冒黑煙”就自然而然出現(xiàn)了。

(6)通過對兩條船所有主機(jī)高負(fù)荷時(shí)各缸排氣支管的外表溫度測量，判別缸內(nèi)燃油霧化燃燒和負(fù)荷不均勻性情況。結(jié)果表明無異?，F(xiàn)象，排除了冒黑煙在這方面的誘因。

綜上所述：本研究認(rèn)為，造成渡船柴油主機(jī)“冒黑煙”的主因是排氣管路太長，排氣背壓太大，因而建議對排氣管路進(jìn)行改造，如縮短排氣管路的長度，增大排氣管的直徑。

據(jù)武漢市輪渡公司反饋，按照本文研究結(jié)論和相關(guān)建議，“江城5號(hào)”和“江城3號(hào)”對排氣管改造后，主機(jī)冒黑煙的現(xiàn)象已徹底消除。

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2015-11-15

潘冬良(1980—)，男，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械裝備保障技術(shù)。

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