試驗用電加溫器故障分析及維修方案論證

胡雋,胡迎明,周浩

（中國航發沈陽發動機研究所，遼寧 沈陽 110015）

主燃燒室是航空發動機三大核心部件之一，其性能對發動機性能有著至關重要的影響。由于燃燒室的工作過程極其復雜，所以在燃燒室研制過程中需要伴隨著大量的部件試驗。在主燃燒室試驗過程中，測量所得的燃燒效率、總壓損失、出口溫度分布等數據參數是衡量航空發動機主燃燒室性能的重要指標。

伴隨著航空發動機推重比的不斷增加，主燃燒室的進口溫度和壓力也不斷提高，這就要求試驗設備的試驗能力不斷提升，能夠更好的滿足試驗需求。目前，部分主燃燒室試驗要求試驗進口空氣溫度達到600°C，壓力達到3MPa。同時，隨著燃燒室出口燃氣分析法測量技術的使用，對試驗進口空氣的潔凈度也提出更高的要求。所以在主燃燒室試驗中，大功率電加溫器是進氣加溫系統的重要組成部分。電加溫器的作用是將電能轉變成熱能，對主燃燒室進口空氣直接進行加溫。相比于其它加溫方式，電加溫器加溫能力強，空氣介質溫度能夠提升至約600°C，且對空氣介質無污染，能夠充分滿足目前主燃燒室試驗需求，是試驗環節不可或缺的組成部分。

本文重點介紹了當電加溫器出現故障時，采取了金相分析、成分分析、控制系統檢查等故障分析方法，得出電加熱管的連接和支撐結構設計不合理、未充分考慮熱膨脹、缺少過熱監控和保護措施等結論，并給出了相應的維修方案。

1 故障概述

本次4MW電加溫器在主燃燒室試驗進氣加溫過程中發生故障，故障表現為電加溫器出口溫度及電壓在1分鐘內出現大幅度波動，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報告過壓（電壓）故障報警，自動分閘停電，故障描述見表1。

2 故障分析

故障發生后，馬上對現場進行了排查。

2.1 金相分析

加熱管由內管和外管組成，其它加熱管外管可見沿周向的異常褶皺狀變形，可得出結論斷裂內管組織已發生明顯變化，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生超溫。

表1 電加溫故障描述

2.2 成分分析

內管和外管材料均應為鐵鉻鎳合金，加熱管材質為0Cr25Ni20。

2.3 控制系統檢查

通過電源本地控制假負載試驗堆晶閘管及控制系統進行檢測，假負載阻值300歐母，電源輸出電壓分別為：AC項輸出電壓1120V，BC項輸出電壓1108V，CA項輸出電壓為1110V。從檢測結果來看，晶閘管沒有損壞，控制系統功能基本正常。

3 分析結論

針對上述故障情況對從此4MW電加溫器加熱管檢查結果分析：加熱管束為內外雙管結構，雙管結構可以縮小加溫器體積，減少占地面積，加熱效率高，結構較直管復雜，需設計時充分考慮內外雙管的同軸度、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外雙管上端焊接連接，中間位置靠支撐板夾緊陶瓷進而固定加熱管束，下端內管與相鄰內管連接，下端外管與相鄰外管連接，形成2級星形連接回路。

此加溫器工作時，由于內外雙管未同軸心、支撐板夾緊陶瓷力不均、未充分考慮熱膨脹等因素，導致內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，管壁面出現高溫熱點；同時，內外雙管間隙變小，當內外管的電壓不一致時，出現擊穿拉弧現象，電弧的高溫度也會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計者的認識不足。

從控制系統檢查結果分析，電加溫器加熱管缺少過熱監控和保護措施。控制程序在加熱管出現故障，電流電壓出現三相不平衡時，沒有快速甄別出故障，而是任由電壓電流大范圍的波動18分鐘，AC項電壓電流為零時，才發出“功率柜故障”和“總故障”的報警，切斷電源，控制系統報警、保護功能存在不足。

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構設計不合理，未充分考慮熱膨脹，進而導致套管膨脹不一致變形拉弧燒蝕；同時加熱管缺少過熱監控和保護措施，控制系統報警、保護功能存在不足。

4 維修方案建議

根據故障檢測和分析，對今后電加溫器整改方案提出幾點改進建議，具體包括：

（1）增加爐芯溫度測點。電加溫器安全控制系統存在缺陷，電加溫器的安全保護只依靠對排氣管路氣流溫度的測量，而加熱管壁面的溫度卻沒有測量，排氣管路的空氣溫度與加熱管壁溫相差較大，這樣就容易發生超溫現象。增加爐芯溫度測點可有效監測爐芯內部實時情況，當發生溫度異常時可第一時間從控制實現斷電保護，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到10%報警，達到20%自動切斷電源。通過監測三相電壓電流的不均勻度可有效獲得每相的阻值變化，進而可有效跟蹤爐芯加熱元件的健康狀況，當發生不均勻度達到20%時啟動安全保護功能，在電加溫器存在安全隱患時能實現斷電保護和自鎖保護功能。

（3）加熱管改為單管結構，減少運行風險。由于內外雙管結構對安裝要求比較高，需要雙管間隙保持一致，同時需要考慮各自的熱膨脹以及合理的支撐結構等，風險系數比較高，改為單管結構可減少一定的運行風險。

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

維修后的電加溫器的運行參數，見表2。

表2 運行參數

5 運行效果

按上述建議方案進行維修，維修項目包括爐內殼內襯更換、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、增加一個測溫點等，維修后解決了加熱管的連接和支撐結構設計不合理，未充分考慮熱膨脹等問題，同時加熱管增加了過熱監控和保護措施，恢復了試驗能力，滿足了試驗需求，保證了試驗的順利進行。