羅恩衛(wèi)，謝 藝

（中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川成都 610599）

0 引言

航空發(fā)動機高空模擬試驗通過大量冷卻水換熱來保障地面模擬高空環(huán)境狀態(tài)。大型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是航空發(fā)動機高空模擬試驗的重要設施。近年來冷卻水系統(tǒng)廠房內(nèi)電機冷卻水管道部分快速出現(xiàn)由于冷卻水空化產(chǎn)生的腐蝕、泄漏故障。該類型故障腐蝕速度快，對相關設備的運行帶來較大風險，分析并解決該類問題是試驗基地冷卻水系統(tǒng)良好運行的重要保障。因此，需要對該類故障進行細致、科學的分析和處理。

1 大型電機冷卻管系簡介

冷卻水供水離心泵單臺流量可達10 000 m3/h，配套電機為2000 kW 水冷電機。該電機冷卻水用水額定壓力為0.3～0.5 MPa，流量為30～50 m3/h。電機冷卻水管接口位置為離心泵出口閥與出水總管之間，由于安裝位置狹窄，冷卻進水管接口位置距離出口閥約30 cm，采用DN80 電機冷卻水管（圖1）。其中離心泵出口閥開度為30°，電機冷卻水管進出口球閥開度均大于60°。接口位置在管道中心線處，然后近地布管引入電機冷卻器，保障電機水冷降溫安全運行。

圖1 電機冷卻水管

2 泄漏故障說明

2.1 泄漏故障現(xiàn)象

從首次發(fā)現(xiàn)電機冷卻進水管開始泄漏，在近半年內(nèi)，某廠房3 臺離心泵的電機冷卻水管進口段發(fā)生多個穿孔漏點。①經(jīng)過近9 個月統(tǒng)計，平均1.5 個月新增1 個漏點；②泄漏點均處于電機冷卻水管進口附近區(qū)域；③由于前期穿孔采用卡箍或焊接補疤封堵，使用間隙拆除卡箍發(fā)現(xiàn)原有穿孔明顯增大。

由于單根DN80 管道泄漏點過多，導致漏點卡箍位置限制無法安裝影響運行。因此，根本性解決該類型故障顯得尤為重要。

2.2 管道運行時長

該電機冷卻水管道為間歇性運行系統(tǒng)，3 臺離心泵（Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#）電機冷卻水管道從調(diào)試運行到泄漏失效運行時間分別為1 333.75 h、1 514.64 h、1 415.45 h，可以看出電機冷卻水管平均在運行約1400 h 發(fā)生泄漏。

3 管道失效原因分析

由于冷卻水管只在冷卻水進口區(qū)域出現(xiàn)，而管道其他位置使用良好，故可以排除由于管道材料缺陷導致的泄漏故障。針對管道快速泄漏，初步可以判斷故障原因是由于空化氣蝕導致管道出現(xiàn)快速損壞。因此電機冷卻水管失效的原因初步分析主要存在以下兩種可能：①出口蝶閥閥后產(chǎn)生氣泡吸入冷卻水管產(chǎn)生汽蝕；②電機冷卻水管局部壓降過大，自身運行產(chǎn)生汽蝕。

3.1 出口蝶閥后產(chǎn)生氣泡吸入電機冷卻水管

該離心泵為高空艙冷卻水供水設備，工作工況如下：該閥門開度約為30°，流量約為6200 m3/h，閥后總管壓力約0.4 MPa，該出水管道口徑為DN1200。計算出閥板流通面積約為0.152 m2，故閥板處流速約為11.37 m/s。

根據(jù)經(jīng)驗，空化系數(shù)σ＞3 認為無空化；1.8<σ<3.0 空化初現(xiàn)；0.3<σ<1.8 空化發(fā)生；σ＜0.3 則超空泡形成。根據(jù)工況，在25 ℃下可得空化系數(shù)：

式中 Plocal,static——閥前流體靜壓，MPa

Pvapor（T）——流體汽化壓力，MPa

ρf——流體密度，kg/m3

V——閥后流體速度，m/s

計算可得σ≈10.16。根據(jù)空化系數(shù)σ≈10.16，故無空化現(xiàn)象發(fā)生；但隨出口閥門開度減小流速較快增大，有一定空化汽蝕風險，尤其是流速為求平均值計算得到，對于蝶閥由于流道為不規(guī)則形，隨閥門開度減小在閥板頂部及底部流場可能進一步惡化，導致氣蝕產(chǎn)生。

3.2 電機冷卻水管產(chǎn)生氣蝕

根據(jù)現(xiàn)場壓力表測量數(shù)據(jù)，冷卻水接管水源壓力約為0.4 MPa，現(xiàn)場查看冷卻水管進電機壓力為0.15 MPa；即接管處突變壓差為0.25 MPa，冷卻水管口徑為DN80。電機冷卻水管簡化抽取模型。采用FLUENT 對其進行二維縮型仿真計算，電機冷卻水管流體速度約為21.45 m/s，冷卻水管模型及流場如圖2所示。

圖2 冷卻水管模型及流場

故可求得空化系數(shù)：

屬于空化初現(xiàn)情況。采用氣液兩相流仿真對靜態(tài)汽蝕空化區(qū)域進行仿真，采用Mixture 模型，K-ξ 湍流模型進行計算。靜態(tài)汽蝕空化區(qū)域如圖3 所示。

圖3 靜態(tài)汽蝕空化區(qū)域

根據(jù)仿真在電機冷卻水管入口處形成汽蝕點，由于靜態(tài)仿真只能反映空化發(fā)生，針對氣泡形成、運動軌跡、破裂形態(tài)等動態(tài)無法給出指示性表現(xiàn)。但由于電機冷卻水管道流速較高，必然導致部分空泡進入冷卻水管后段，伴隨來流方向流體靜壓恢復，必然導致氣泡潰裂形成汽蝕現(xiàn)象，進而導致管道穿孔。這是管道穿孔集中在電機冷卻水管進口處的原因，也是相同類型電機冷卻水管多個穿孔位置相近的原因。

4 汽蝕處理及維修驗證

根據(jù)空化系數(shù)經(jīng)驗公式，只需調(diào)節(jié)管道運行壓力使空化系數(shù)達到3 以上便可保障管道運行安全。針對來流0.4 MPa 壓力，采取調(diào)節(jié)電機冷卻水管閥門的方法，使冷卻水管進口壓力表壓力約等于0.25 MPa，使空化系數(shù)達到3 以上，即壓力突變值小于來流壓力的30%，避免管道處于汽蝕區(qū)域。采取閥門減壓方法后，在保障電機良好換熱情況下，3 臺電機冷卻水管由原來每1.5 個月產(chǎn)生1 個漏點，變成閥門調(diào)節(jié)后12 個月內(nèi)均未發(fā)生新增漏點，證明了該方法有效性。

由于該冷卻水管存在多處泄漏點，維修價值已經(jīng)不大，后期待試驗空隙更換冷卻水管接管段，避免后期的大量維修工作。在試驗空隙運行人員對汽蝕段管道予以切割更換。DN80 電機冷卻水管道泄漏點及管道內(nèi)壁腐蝕狀態(tài)如圖4a）所示，該管道內(nèi)壁存在明顯溝槽狀腐蝕，驗證了汽蝕狀況發(fā)生。離心泵DN1200出口閥閥后管道內(nèi)壁狀態(tài)如圖4b）所示，表明離心泵出口閥后管道內(nèi)壁光滑狀態(tài)良好，離心泵DN1200 蝶閥后管道未發(fā)生汽蝕狀況，驗證了經(jīng)驗公式的正確性。

圖4 管道泄漏點及管道內(nèi)壁狀態(tài)

5 結(jié)論及建議

冷卻水管道是日常使用廣泛的工業(yè)管道種類之一，其使用工況、管道材料、管道型號十分豐富，因此在管道運行中必須重視氣蝕系數(shù)的選取及針對管路支管壓降控制等。同時針對必要的支管壓降可采取逐級降壓措施進而保障管道良好運行。具體如下：①當管道氣蝕系數(shù)σ≤3 時，氣蝕產(chǎn)生位置位于管道壓力突變區(qū)域，并形成一系列的空泡向管道稍后區(qū)域運動，導致內(nèi)壁出現(xiàn)帶狀波紋氣蝕現(xiàn)象，進而導致管道快速破損；②采取閥門逐級減壓的方法后，在保障電機良好換熱情況下，3 臺電機冷卻水管由原來每1.5 個月產(chǎn)生1 個漏點，變成閥門調(diào)節(jié)后12 個月內(nèi)均未發(fā)生新增漏點；③對于流體管道壓力突變區(qū)域，采取閥門逐級減壓可有效消除氣蝕現(xiàn)象；對于絕壓0.5 MPa 以上流體管道，一般冷卻水管道壓力突變應不大于來流壓力的30%；④針對大型冷卻系統(tǒng)設計，冷卻管路氣蝕裕量建議至少σ＞3。