胡雋,胡迎明,周浩

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽 110015）

主燃燒室是航空發(fā)動(dòng)機(jī)三大核心部件之一，其性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有著至關(guān)重要的影響。由于燃燒室的工作過程極其復(fù)雜，所以在燃燒室研制過程中需要伴隨著大量的部件試驗(yàn)。在主燃燒室試驗(yàn)過程中，測(cè)量所得的燃燒效率、總壓損失、出口溫度分布等數(shù)據(jù)參數(shù)是衡量航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室性能的重要指標(biāo)。

伴隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的不斷增加，主燃燒室的進(jìn)口溫度和壓力也不斷提高，這就要求試驗(yàn)設(shè)備的試驗(yàn)?zāi)芰Σ粩嗵嵘軌蚋玫臐M足試驗(yàn)需求。目前，部分主燃燒室試驗(yàn)要求試驗(yàn)進(jìn)口空氣溫度達(dá)到600°C，壓力達(dá)到3MPa。同時(shí)，隨著燃燒室出口燃?xì)夥治龇y(cè)量技術(shù)的使用，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)口空氣的潔凈度也提出更高的要求。所以在主燃燒室試驗(yàn)中，大功率電加溫器是進(jìn)氣加溫系統(tǒng)的重要組成部分。電加溫器的作用是將電能轉(zhuǎn)變成熱能，對(duì)主燃燒室進(jìn)口空氣直接進(jìn)行加溫。相比于其它加溫方式，電加溫器加溫能力強(qiáng)，空氣介質(zhì)溫度能夠提升至約600°C，且對(duì)空氣介質(zhì)無污染，能夠充分滿足目前主燃燒室試驗(yàn)需求，是試驗(yàn)環(huán)節(jié)不可或缺的組成部分。

本文重點(diǎn)介紹了當(dāng)電加溫器出現(xiàn)故障時(shí)，采取了金相分析、成分分析、控制系統(tǒng)檢查等故障分析方法，得出電加熱管的連接和支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、未充分考慮熱膨脹、缺少過熱監(jiān)控和保護(hù)措施等結(jié)論，并給出了相應(yīng)的維修方案。

1 故障概述

本次4MW電加溫器在主燃燒室試驗(yàn)進(jìn)氣加溫過程中發(fā)生故障，故障表現(xiàn)為電加溫器出口溫度及電壓在1分鐘內(nèi)出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，溫度由490℃下降至420℃，AB相、BC相電壓由1100V跳至1500V，CA相電壓由1100V跳至900V左右，隨后電加溫控制系統(tǒng)報(bào)告過壓（電壓）故障報(bào)警，自動(dòng)分閘停電，故障描述見表1。

2 故障分析

故障發(fā)生后，馬上對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行了排查。

2.1 金相分析

加熱管由內(nèi)管和外管組成，其它加熱管外管可見沿周向的異常褶皺狀變形，可得出結(jié)論斷裂內(nèi)管組織已發(fā)生明顯變化，斷裂部位可見熔融組織特征。

斷裂外管的基體組織未見明顯變化，斷裂部位可見熔融組織特征。外管褶皺狀變形部位組織與正常外管的基體組織比較，未見明顯差異。外管褶皺狀變形部位工作溫度未發(fā)生超溫。

表1 電加溫故障描述

2.2 成分分析

內(nèi)管和外管材料均應(yīng)為鐵鉻鎳合金，加熱管材質(zhì)為0Cr25Ni20。

2.3 控制系統(tǒng)檢查

通過電源本地控制假負(fù)載試驗(yàn)堆晶閘管及控制系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，假負(fù)載阻值300歐母，電源輸出電壓分別為：AC項(xiàng)輸出電壓1120V，BC項(xiàng)輸出電壓1108V，CA項(xiàng)輸出電壓為1110V。從檢測(cè)結(jié)果來看，晶閘管沒有損壞，控制系統(tǒng)功能基本正常。

3 分析結(jié)論

針對(duì)上述故障情況對(duì)從此4MW電加溫器加熱管檢查結(jié)果分析：加熱管束為內(nèi)外雙管結(jié)構(gòu)，雙管結(jié)構(gòu)可以縮小加溫器體積，減少占地面積，加熱效率高，結(jié)構(gòu)較直管復(fù)雜，需設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮內(nèi)外雙管的同軸度、連接和支撐方式和熱膨脹等重要因素。此電加溫器加熱管束的內(nèi)外雙管上端焊接連接，中間位置靠支撐板夾緊陶瓷進(jìn)而固定加熱管束，下端內(nèi)管與相鄰內(nèi)管連接，下端外管與相鄰?fù)夤苓B接，形成2級(jí)星形連接回路。

此加溫器工作時(shí)，由于內(nèi)外雙管未同軸心、支撐板夾緊陶瓷力不均、未充分考慮熱膨脹等因素，導(dǎo)致內(nèi)外雙管的熱膨脹不一致，引起管束變形，造成雙管之間局部間隙過小，氣流流通受阻，管局部冷卻效果下降，管壁面出現(xiàn)高溫?zé)狳c(diǎn)；同時(shí)，內(nèi)外雙管間隙變小，當(dāng)內(nèi)外管的電壓不一致時(shí)，出現(xiàn)擊穿拉弧現(xiàn)象，電弧的高溫度也會(huì)使套管局部燒蝕熔化，類似電焊原理。從端口噴出的高溫氣體直接接觸隔熱屏，造成隔熱屏的局部變形翹曲。

綜合來看，套管膨脹不一致問題導(dǎo)致套管變形拉弧是燒蝕的主要因素。熱膨脹不均的問題又來自設(shè)計(jì)者的認(rèn)識(shí)不足。

從控制系統(tǒng)檢查結(jié)果分析，電加溫器加熱管缺少過熱監(jiān)控和保護(hù)措施。控制程序在加熱管出現(xiàn)故障，電流電壓出現(xiàn)三相不平衡時(shí)，沒有快速甄別出故障，而是任由電壓電流大范圍的波動(dòng)18分鐘，AC項(xiàng)電壓電流為零時(shí)，才發(fā)出“功率柜故障”和“總故障”的報(bào)警，切斷電源，控制系統(tǒng)報(bào)警、保護(hù)功能存在不足。

綜上所述，此次4MW電加溫器故障主要為加熱管的連接和支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，未充分考慮熱膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致套管膨脹不一致變形拉弧燒蝕；同時(shí)加熱管缺少過熱監(jiān)控和保護(hù)措施，控制系統(tǒng)報(bào)警、保護(hù)功能存在不足。

4 維修方案建議

根據(jù)故障檢測(cè)和分析，對(duì)今后電加溫器整改方案提出幾點(diǎn)改進(jìn)建議，具體包括：

（1）增加爐芯溫度測(cè)點(diǎn)。電加溫器安全控制系統(tǒng)存在缺陷，電加溫器的安全保護(hù)只依靠對(duì)排氣管路氣流溫度的測(cè)量，而加熱管壁面的溫度卻沒有測(cè)量，排氣管路的空氣溫度與加熱管壁溫相差較大，這樣就容易發(fā)生超溫現(xiàn)象。增加爐芯溫度測(cè)點(diǎn)可有效監(jiān)測(cè)爐芯內(nèi)部實(shí)時(shí)情況，當(dāng)發(fā)生溫度異常時(shí)可第一時(shí)間從控制實(shí)現(xiàn)斷電保護(hù)，并有效記錄便于今后排故查詢。

（2）三相電壓電流的不均勻度達(dá)到10%報(bào)警，達(dá)到20%自動(dòng)切斷電源。通過監(jiān)測(cè)三相電壓電流的不均勻度可有效獲得每相的阻值變化，進(jìn)而可有效跟蹤爐芯加熱元件的健康狀況，當(dāng)發(fā)生不均勻度達(dá)到20%時(shí)啟動(dòng)安全保護(hù)功能，在電加溫器存在安全隱患時(shí)能實(shí)現(xiàn)斷電保護(hù)和自鎖保護(hù)功能。

（3）加熱管改為單管結(jié)構(gòu)，減少運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。由于內(nèi)外雙管結(jié)構(gòu)對(duì)安裝要求比較高，需要雙管間隙保持一致，同時(shí)需要考慮各自的熱膨脹以及合理的支撐結(jié)構(gòu)等，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)比較高，改為單管結(jié)構(gòu)可減少一定的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

（4）加熱管的材料采用GH3030。高溫合金GH3030相對(duì)不銹鋼0Cr25Ni20材質(zhì)拉伸性能更優(yōu)，尤其在高溫狀態(tài)下強(qiáng)度更好，采用高溫合金GH3030可有效提高加熱元件強(qiáng)度。

維修后的電加溫器的運(yùn)行參數(shù)，見表2。

表2 運(yùn)行參數(shù)

5 運(yùn)行效果

按上述建議方案進(jìn)行維修，維修項(xiàng)目包括爐內(nèi)殼內(nèi)襯更換、爐芯整體更換、外隔熱屏重新加工制作、絕緣材料保溫棉更換、外殼體恢復(fù)、增加一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)等，維修后解決了加熱管的連接和支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，未充分考慮熱膨脹等問題，同時(shí)加熱管增加了過熱監(jiān)控和保護(hù)措施，恢復(fù)了試驗(yàn)?zāi)芰?，滿足了試驗(yàn)需求，保證了試驗(yàn)的順利進(jìn)行。