主燃燒室試驗用電加溫系統(tǒng)改造方案論證

胡 雋，胡迎明，周 浩

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，遼寧沈陽 110015）

0 引言

主燃燒室是航空發(fā)動機三大核心部件之一，在主燃燒室試驗中，電加溫器是進氣加溫系統(tǒng)的重要組成部分。2020 年部分主燃燒室試驗進口空氣溫度已接近900 K。某試驗器作為高壓單管燃燒室試驗的設(shè)備，進氣采用3 MW 電加溫器進行加溫，但3 MW 電加溫器模擬的試驗件進口最高溫度只有730 K 左右，一方面是由于電加溫出口距離試驗件進口較遠（約60 m），較遠的距離導致進口空氣沿程熱損失較大；另外一方面該試驗器電加溫出口到試驗件沿程管路材料主要為0Cr25Ni20 和0Cr18Ni9，材料屬性在一定程度上限制了電加溫器出口溫度上限。故目前該試驗器無法提供主燃燒室試驗真實進口溫度環(huán)境，嚴重制約主燃燒室性能的驗證。因此急需對該試驗器加溫系統(tǒng)進行改造，提高試驗器的加溫能力。孟剛等人研究國外航空發(fā)動機研發(fā)機構(gòu)主要的燃燒室試驗器類型，為加溫系統(tǒng)試驗設(shè)備改造提供參考。

重點研究該試驗器加溫設(shè)備改造的具體方案，改造方案包括技術(shù)指標、系統(tǒng)組成、電氣控制技術(shù)等。采用電加溫器對燃燒室氣進行二級加溫，現(xiàn)有3 MW 電加溫器作為一級進氣加溫裝置，在其下游管路增加1臺小型電加溫器，作為二級加溫。通過兩級電加溫，可以將燃燒室進口空氣溫度最大提升至950 K 左右。

1 技術(shù)指標

單管燃燒室性能試驗項目涵蓋常壓點火至全狀態(tài)燃燒性能試驗，考慮到減少管路熱損失及試驗器管路特點，擬將二級電加溫器放置在燃燒室進口轉(zhuǎn)接段前，即保證加溫能力及減少熱損失，又保證燃燒室進口流場的均勻性。

一級電加溫器可以將壓力1.5 MPa、流量2.5 kg/s 的空氣由300 K 加溫至730 K；二級電加溫器可以將空氣由730 K提升至950 K，這樣可以滿足試驗進口狀態(tài)的需求。

2 系統(tǒng)組成

二級加溫系統(tǒng)包括電加溫器及電控系統(tǒng)、電加溫器旁路、其他輔助系統(tǒng)等。

該電加溫器擬采用高效緊湊，水平安裝的電加溫器，以便縮小電加溫器的體積，減少占用空間。電加溫器長度控制在4 m 以內(nèi)。如果采用國外高效緊湊結(jié)構(gòu)的電加溫裝置或國內(nèi)類似的產(chǎn)品，長度可以控制在2 m 以內(nèi)。加溫器前后與現(xiàn)有管路進行轉(zhuǎn)接，總長度可控制在4～6 m 以內(nèi)，現(xiàn)有管路空間可以滿足安裝要求。擬考慮設(shè)置一條電加溫旁路，作為摻混調(diào)節(jié)之用。另外，配套建設(shè)相應(yīng)的冷卻水、冷卻氣、電氣、測試等輔助系統(tǒng)。

3 改造方案

3.1 總體結(jié)構(gòu)

電加溫器采用裸露纏繞絲直接加熱，加溫器由爐殼、陶瓷爐管、祼露絲發(fā)熱元件、電氣儀表控制柜等組成，加溫管路改造如圖1 所示。

圖1 加溫管路改造示意

工作原理：祼露絲發(fā)熱元件通電后產(chǎn)生熱量，每個加熱絲采用陶瓷進行套管，避免高溫軟化短路，介質(zhì)通過陶瓷管后與發(fā)熱絲接觸，直接加熱，完成介質(zhì)的換熱過程。通過出口介質(zhì)溫度反饋進行PID 運算將介質(zhì)溫度控制在所需要的溫度。

方案的新型加熱器采用高溫電阻絲+陶瓷管進行直接加熱，加熱效率高，可以實現(xiàn)高溫、大流量空氣加熱，另一方面由于每根加熱絲外面都有陶瓷管進行隔熱，既提高加熱效率，又降低筒體壁面的溫度。

加熱器整體結(jié)構(gòu)包括外殼承壓容器、金屬絲+陶瓷管加熱組件、熱電偶測溫組件以及電極組件。其中爐體外殼為承壓設(shè)備，由進氣法蘭、密封墊片、筒體、出氣端法蘭、密封墊片和鞍座組成；熱電偶組件包括進氣端的熱電偶和出氣端的兩根熱電偶；核心加熱部分由前端支撐板、固定支撐、金屬絲+陶瓷管、后端支撐板、拉桿組成；電極組件主要包括陶瓷電極、連接母排、連接片等，加溫器結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。

圖2 加溫器結(jié)構(gòu)示意

3.2 電氣控制技術(shù)方案

電氣控制系統(tǒng)采用大功率三相調(diào)壓模塊進行功率的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方式為移相控制方式。

控制上由操作人員在人機界面觸摸屏（本地控制）或上位機液晶屏（遠程控制）設(shè)定參數(shù)，PLC 通過Modbus-RTU 通信向溫控器發(fā)出控制指令（設(shè)定輸出溫度值、啟動、停止輸出電流、自整定PID 參數(shù)等）控制，溫控器得到指令后輸出4～20 mA 控制信號，控制三相調(diào)壓模塊輸出電壓，來控制輸出電流，從而控制輸出溫度。溫度測量用熱電偶對溫度進行采樣，采樣值進入溫控器，PLC 通過Modbus-RTU 通信讀出溫度測量值，并在人機界面觸摸屏和上位機液晶屏顯示。

3.2.1 閉環(huán)自動控制

在自動加溫控制時，首先操作人員在HMI（本地控制）或上位機液晶屏（遠程控制）設(shè)定出口溫度設(shè)定值，然后啟動電加熱器。加熱器設(shè)置出口介質(zhì)溫度傳感器，采集溫度信號到溫控器，由溫控器進行PID 運算，輸出4～20 mA 信號，控制三相調(diào)壓模塊的電流輸出，形成完整閉環(huán)控制系統(tǒng)，達到溫度控制的目的，確保溫度控制精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時PLC 采樣進口冷卻介質(zhì)流量信號，對其流速進行監(jiān)控，以保證加熱器的工作可靠穩(wěn)定。系統(tǒng)在觸摸屏設(shè)置加熱器的溫度設(shè)定值，修改簡單，適應(yīng)各種工況的加熱運行，保證實驗項目的靈活性和可靠性。

3.2.2 開環(huán)手動調(diào)溫

控制系統(tǒng)有開環(huán)手動調(diào)溫功能，即在觸摸屏（本地控制）或上位機液晶屏（遠程控制）可以將工作模式轉(zhuǎn)換到手動狀態(tài)，然后人工緩慢增加輸出控制電流，PLC 通過Modbus-RTU 通信指令，控制溫控器轉(zhuǎn)換為手動模式，根據(jù)觸摸屏（本地控制）或上位機液晶屏（遠程控制）設(shè)定的輸出電流大小去控制三相調(diào)壓的輸出電流，同時觀察采樣溫度值的大小變化。在開環(huán)手動調(diào)溫時，溫控器PID 是不運行的。

3.2.3 電控系統(tǒng)組成

電控系統(tǒng)由控制電柜、三相調(diào)壓模塊、熱電偶溫度傳感器等組成。

3.2.4 通信接口

電控系統(tǒng)使用Modbus-RTU（或485）通信接口，PLC 和溫控器連接起來，方便進行遠程控制和數(shù)據(jù)讀取。

3.3 控制聯(lián)鎖和報警

3.3.1 電加熱器啟動聯(lián)鎖

在啟動電加熱器前，應(yīng)該首先啟動冷卻介質(zhì)系統(tǒng)，空氣介質(zhì)流量信號（4～20 mA 電流信號）到PLC 控制柜，當冷卻介質(zhì)的流量達到設(shè)計范圍內(nèi)時解鎖，此時可以啟動電加熱器。

3.3.2 故障跳停后重啟聯(lián)鎖

在電加熱器發(fā)生故障報警，控制系統(tǒng)跳停后，此時控制系統(tǒng)自動切換到手動模式。故障報警沒有消除前，控制系統(tǒng)封鎖加熱器輸出。在故障報警消除后，控制系統(tǒng)只能響應(yīng)手動控制，封鎖自動控制。此時，只有在手動模式下，電加熱器輸出達到600 K以后，系統(tǒng)才能解鎖自動閉環(huán)控制。

3.3.3 電加熱器出口溫度聯(lián)鎖

電加熱器出口溫度測量點有兩個，一個供閉環(huán)控制用，另一個作為監(jiān)控用。如果兩個溫度采樣值誤差較大時，控制系統(tǒng)立即斷開電加熱器電源，同時系統(tǒng)聲光報警，并在觸摸屏和上位機顯示報警信息。

3.3.4 冷卻介質(zhì)流量與電加熱器電源的聯(lián)鎖

冷卻介質(zhì)主要是將電加熱器內(nèi)部的熱量帶走，保證加熱器內(nèi)部不會溫度過高。提供4～20 mA 電流信號到控制柜，當冷卻介質(zhì)的流量低于最小值時，控制系統(tǒng)立即斷開加熱器電源，控制系統(tǒng)聲光報警，并在觸摸屏和上位機顯示報警信息。

3.3.5 調(diào)功模塊故障聯(lián)鎖

當PLC 檢測到三相調(diào)功模塊發(fā)生故障時，應(yīng)立即封鎖電源輸出，斷開主接觸器，發(fā)出聲光報警，并且在觸摸屏和上位機顯示報警信息。

3.3.6 漏電保護聯(lián)鎖

在控制柜內(nèi)部輸出端裝有零序電流互感器，可以檢測電加熱器的漏電流，當漏電流>200 mA 時，功率柜向控制系統(tǒng)發(fā)出報警信號，控制系統(tǒng)收到信號后，發(fā)出聲光報警，并在觸摸屏顯示報警信息，此時，操作人員可以選擇是否繼續(xù)運行或停機。

4 結(jié)束語

通過對某試驗器加溫設(shè)備進行改造，主要采用電加溫器對燃燒室氣進行二級加溫，保留現(xiàn)有的3 MW 電加溫器作為一級進氣加溫裝置，在其下游管路增加1 臺小型電加溫器，作為二級加溫。通過兩級電加溫，可以將燃燒室進口空氣溫度最大提升至950 K 左右，改造后提高試驗?zāi)芰?，滿足試驗需求，保證試驗的順利進行。