文丨聆听娱纪
编辑丨聆听娱纪
介绍大型柴油发动机的现代涡轮增压器（TC）在压缩机中具有高达5及以上的增压压力比。
它们产生增压空气的高压，从而为大型发动机提供高比功率和高效运行，同时低碳氧化物和烟尘排放。
当船用柴油发动机在轻负荷条件下运行时，不完全燃烧的产物会堵塞排气歧管。
这导致排气歧管的流量以及涡轮增压器叶轮叶片前方的气体内部流动特性发生变化。可能会出现脉动，从而导致转子振动。
运行中的涡轮增压器的声学控制可以检测转子振动水平增加的危险趋势，并指示需要清洁流道。
本文提出了一种基于涡轮增压器频谱中叶片谐波的确定、主转子转速的进一步计算以及随后对其主频率谐波振幅的分析的诊断方法。
主频谐波的振幅表征涡轮增压器转子的总体振动水平。
本文首先分析了低速柴油机TCA66和VTR564涡轮增压器在正常工作过程中的声学信号。这两个例子说明了主谐波振幅的正常和异常电平的极限。
这些情况是特定的，因此有必要分析更多涡轮增压器的声谱，以制定一般建议。
尽管如此，我们相信这些信息对轮机工程师来说是有用的，因为这些发动机广泛用于商船队。
作为论文的总体结论，提出了涡轮增压器连续监测系统的功能框图。
TCA 66低速柴油机涡轮增压器声学分析
安装在MAN 5S60MC主柴油上的TCA 66-20072涡轮增压器[3]的声学信号登记和分析（图1）
图1。发动机5S60MC和TCA 66-20072涡轮增压器，1-压缩机叶轮，2-涡轮转子，（a，b）-声学测量点。
是在发动机转速为85转/分的情况下制造的。估计的发动机制动功率为≈4500 kW或MCR（最大连续额定值）的50%，定义为发动机的最大输出。
根据海试结果，相应的涡轮增压器转速应为10300 rpm左右（见表1）。TCA66-20072的压缩机叶轮有22个叶片（11个全叶片和11个分流叶片）
表1。主机5S60MC官方测试数据。
机械工程师在发动机运行期间提供发动机性能分析，以估计当前发动机和涡轮增压器的状况。性能分析的结果应与制造商的官方测试数据进行比较。
诊断中最重要的发动机参数包括曲轴转速和制动功率、制动比油耗、增压空气压力、压缩压力和最大缸内压力、涡轮增压器入口和出口处的废气温度以及涡轮增压器速度（表1和图2）
图2:主机5S60MC官方测试数据
对于给定的发动机工作点，与这些参数的偏差可能是由一些故障引起的。
例如，压缩压力Pcomp下降可能是由缸套磨损、活塞环断裂或卡住、排气阀座泄漏/正时错误或较小的增压空气压力Pscav引起的。
最大燃烧压力Pmax降低的原因通常与高压燃料喷射设备有关。涡轮进口和出口处较小的排气温差DTC以及涡轮增压器转速TCrpm的降低表明流道结垢（表1）。
建议的方法允许在发动机运行时测量正在进行的涡轮增压器速度。声学压缩机信号配准可以在压缩机入口过滤器（图1a）或直接在压缩机蜗壳表面（图1b）进行，正如从实验中了解到的那样。第二种选择（b点）得益于没有进气流空气动力学噪声。
如果麦克风（位于点a）具有与涡轮增压器进气过滤器表面垂直的方向，从而在麦克风周围提供平滑的气流，则空气动力学噪声也可以从记录的信号中去除。
来自其他发动机机构的噪音影响相对较小，因为它们的来源通常距离麦克风位置足够远，这是从对低速船用发动机数量进行的一组实验中了解到的。
在发动机运行时，无论涡轮增压器的技术条件如何，压缩机叶轮叶片都会在一般振动谱中产生振荡，实验证明了这一点。频谱分析表明，来自压缩机叶片的声学信号的频率等于涡轮增压器转子速度乘以叶片数量（见图3）：
图3。TCA 66–20072涡轮增压器压缩机在5S60MC发动机50%负载模式（4500 kW，85 rpm）下的声学信号频谱。
假设当前发动机工作点在MCR的100%和25%之间，可以估计涡轮增压器速度的上限和下限（对于MAN 5S60MC发动机）
最大叶片频率ubmax=nb×Max（TCrpm）/60=22×13850/60=5078 Hz，•最小叶片频率ubmin=nb×Min（TCrpm。
因此，一般涡轮增压器频谱中的叶片谐波位于这些极限之间：
实验测量（图4）使用美国明尼阿波利斯Soberton股份有限公司生产的驻极体麦克风EM-4015-BC进行。
图4。使用EM-4015-BC驻极体麦克风记录涡轮增压器的振动。
该麦克风具有高灵敏度、宽通带、窄方向图、小失真和低噪声水平。需要注意的是，由于当前麦克风的上限，所提供的高于12 kHz的频谱可能是不正确的，
因为对于低速柴油发动机涡轮增压器，没有必要记录超过10 kHz的信号，因此不影响结论。
VTR564低速柴油机涡轮增压器声学分析
对ABB VTR 564-31涡轮增压器进行了另一组实验研究，该涡轮增压器安装在倾覆散货船的MAN 6L80MC主船用发动机上。
压缩机叶轮有20个叶片，其接近MCR的发动机工作点的声谱如图5所示。
图5。VTR 564涡轮增压器在（a）和（b）歧管清洁之前和之后的声谱。
在这种情况下，涡轮增压器速度的假定值应小于发动机额定功率下的涡轮增压器转速。因此，MCR操作点的涡轮增压器速度可以作为上限。
由于发动机工作点可以估计为接近MCR或至少在MCR的50%和100%之间，因此可以假设涡轮增压器速度的下限为ubmin=2000 Hz。
对于这种涡轮增压器，考虑了两种情况：清洁发动机排气系统之前和之后。相应的声学频谱如图5所示。
排气系统清洁前对发动机进行的测量得出的主谐波频率等于144.35 Hz，该频率是根据频谱的叶片频率计算得出的。
很明显，大于15dB的主谐波振幅超过了一般频谱水平（图5a）。
主谐波振幅水平的增加是由涡轮增压器转子在其旋转频率下的振动引起的。原因是涡轮喷嘴和排气歧管壁上的灰尘、机油和碳沉积物扭曲了气体流动路径，并导致涡轮增压器转子振动。
通过缩放频谱图（图5b），叶片频率的值估计为2948 Hz——这是最接近3 kHz上限的谐波。图中的左谐波（对应于叶片谐波）是次谐波，其频率小两倍，即1474 Hz。
显然，主谐波振幅D的相对较高水平可能表明转子振动水平增加[8]。图5中的主谐波振幅D的水平可以假设略有增加，但仍然是允许的。提出了相对主要谐波振幅参数δ来评估D的水平：
其中D是信号电平的方差，在uturbocharger−50 Hz到uturboharger 50 Hz的范围内计算，不包括主谐波电平。
涡轮增压器转子振动水平允许范围的更精确的定量评估需要进一步的实验研究。
除其他因素外，它还取决于特定涡轮增压器的设计特点：转子轴承的类型和定位（套筒或滚柱式，内部或外部位置）、涡轮机叶轮的废气供应类型（脉动或恒压流，单个或多个入口）以及涡轮机的类型（轴向或径向）等。
重要的是要强调在发动机正常运行期间快速进行此类评估的能力，而无需在发动机上安装任何附加设备。
消除离散频谱（LEE）的泄漏效应
在分析声学信号的离散频谱以估计其频率和振幅特性时，必须解决泄漏效应的消除问题。
这种影响的产生是由于所进行的时间分析及其离散表示的有限性。从谱峰到相邻谱线的泄漏效应被认为是DFT的主要误差之一。
如，图6显示了一个信号周期内具有整数（a）和非整数（b）采样数的相同正弦信号的振幅谱。
图6。DFT泄漏效应。一个周期内的整数（a）和非整数（b）样本号。
因此，当分析spe的原始信号的参数时
方程（6）的解与附加存储器不相关，快速傅立叶变换（FFT）的情况也是如此。
尽管方程（6）采用了迭代数值解，但这种过程只略微增加了总计算时间，并且当测量信号接近正弦时，不仅可以获得信号的频谱，还可以获得恢复的基频值、振幅和相位。
该方法在原始信号中存在噪声的情况下进行了研究（白噪声为正弦曲线振幅的5%和10%）。
图7显示了振幅为0.8的正弦曲线以及（a）σ=0.1、（b）σ=0.3、（c）σ=0.5和（d）σ=0情况下方程（6）的解。
图7。通过求解方程（6）消除DFT泄漏效应，（a）σ=0.1，（b）σ=0.3，（c）σ=0.5和（d）σ=0。
每个图7a–d中的中心绿线是振幅为0.8的正弦曲线的主谐波，恢复的振幅、频率和相位是求解方程（6）的结果。
在所有已解决的情况下，不需要超过5次完整的迭代来确保给定的准确性。作为等式（6）的解的结果，将白噪声添加到10%的信号的相位和频率恢复到初始值，误差不超过0.5%。
声学方法在CNG发动机上的应用
所述声学方法也成功应用于为小型船舶或机车开发的全新发动机，其中使用压缩天然气（CNG）代替传统燃料（见图8）。
图8。CNG发动机及其在轨道车辆试验中的应用。
测量是在与上述图4所示发动机相同的配置中进行的
这种CNG发动机有助于减少对环境的影响，并具有较低的运行成本。
这些大容量发动机不仅用于航运和铁路运输，还用于建筑机械和热电联产机组。
由于生态方面、低廉的价格和世界各地丰富的天然气储量，使用这些发动机的可能性非常大。
基于声学的涡轮增压器连续监测系统
实验是用智能手机和外部麦克风进行的，并在个人电脑上对记录的声学信号进行了进一步分析。
通过信号谱计算和DFT泄漏效应消除，估计了叶片频率和主谐波振幅对涡轮增压器转子频率的影响。
由于信号测量和处理所需时间很短，因此可以提出用于连续涡轮增压器声学监测的固定系统。
结论与进一步研究根据提高柴油发动机效率的主要方向，通过使用技术更先进、更实用的设备来降低运营成本是相关的。
所提出的涡轮增压器连续声学监测系统可以提高船用低速发动机的维修效率。
同时，基于智能手机应用程序的方法对海洋工程师来说可能是一个有用的工具，因为它不需要特殊设备（在大多数情况下可以使用内置麦克风）。
为了确定各种类型涡轮增压器的正常和异常转子振动水平的极限，有必要进行进一步的研究。
可以注意到，涡轮增压器的声学频谱分析可以在操作条件下快速进行。
所提出的方法允许使用所提出的算法通过声谱谐波振幅稳定来确定涡轮增压器转子速度和振动水平。该方法可以在涡轮增压器的连续监测系统中实施（图9）。
图9。基于声学的涡轮增压器连续监测系统的框图
对二冲程船用发动机的测试表明，可以使用基于声学的测量系统。
连续监测系统的进一步研究和开发重点是在没有操作员的情况下自动检测涡轮增压器转子过度振动和适当干预。
还考虑了将该方法应用于涡轮增压器瞬态模式检测问题的扩展。
大型船用发动机涡轮增压器的时间常数可以估计为0.5–2 s。
因此，如果涡轮增压器速度在这段时间内相对恒定，则该方法甚至可以应用于发动机瞬态操作。
为了更快的转换过程，需要对记录的信号进行特殊处理，这是正在进行的研究的主题。
